Hafnium

Le hafnium, élément atomique n°72 de symbole Hf : ses généralités, ses caractéristiques, ses isotopes, ses applications, ses utilisations, son histoire et ses effets.

Caractéristiques notables de l’hafnium

Le hafnium est un métal argenté, brillant et ductile. Les impuretés de zirconium influent sur ses propriétés, rendant son extraction et sa purification difficiles. Sa densité est environ deux fois plus élevée que celle du zirconium.

Résistance à la corrosion et aux acides

L’élément chimique 72 a une résistance élevée à la corrosion en raison de sa forte affinité pour l’oxygène. Avec ce dernier, il forme une fine couche d’oxyde de hafnium (HfO2) stable et inerte à la surface du métal. Ce processus est appelé passivation. Par ailleurs, le hafnium possède une structure cristalline compacte et dense qui offre une protection supplémentaire contre la corrosion. Celle-ci limite la diffusion des agents corrosifs à travers la surface du matériau.

En outre, cet élément chimique a une faible réactivité avec l’eau et les gaz atmosphériques. De ce fait, il s’agit d’un matériau approprié pour une utilisation dans des environnements exposés à l’humidité. De même, il est extrêmement résistant aux acides (sauf à l’acide fluorhydrique) et aux alcalins.

Ces propriétés font du hafnium un métal apprécié pour les applications nécessitant une résistance élevée à la corrosion. Tel est notamment le cas des équipements chimiques, des réacteurs nucléaires, des systèmes de propulsion aérospatiale, les implants médicaux et les instruments chirurgicaux.

Disponibilité sous différentes formes

Le hafnium est généralement extrait à partir de minerais de zirconium sous forme de métal pur en réduisant le tétra-halogénure avec du magnésium. Le processus peut être complexe et coûteux en raison des similitudes entre les deux éléments. En effet, leurs propriétés physiques et chimiques similaires rendent leur séparation difficile. La procédure est effectuée sous atmosphère d’argon pour éviter que les deux métaux ne réagissent avec d’autres gaz comme l’azote.

Lorsque le hafnium est disponible sous forme de poudre, il est très combustible. Il peut même s’enflammer spontanément dans l’air. Par conséquent, sa manipulation doit se faire avec précaution. Les utilisateurs prennent toutes les mesures de sécurité appropriées afin d’éviter tout risque d’incendie.

Formes cristallines

Le hafnium appartient au groupe 4 de la classification périodique des éléments. Il fait partie de la même catégorie que le titane (Ti), le zirconium (Zr) et le rutherfordium (Rf). Tous ces éléments ont une configuration électronique externe de type ns2np2. Cette caractéristique signifie qu’ils ont deux électrons dans la couche externe s et deux électrons dans la couche externe p.

Le hafnium possède deux formes cristallines allotropiques différentes. À température ambiante, il se présente sous une structure hexagonale compacte appelée phase α (forme stable). À des températures plus élevées, cet élément chimique prend une apparence cubique centrée appelée phase β.

La température de transition entre les deux formes cristallines se situe aux alentours de 1 750 °C. En raison de cette caractéristique, le hafnium est capable de maintenir sa structure à des chaleurs intenses. Par conséquent, il convient à différentes applications soumises à des conditions extrêmes de température. Sa capacité à former des allotropes est également importante, car elle lui permet d’être utilisé dans l’industrie aérospatiale pour construire des moteurs de fusée. Ceux-ci doivent supporter des températures très élevées et des conditions de pression extrêmes.

Élément non renouvelable

Comme la plupart des métaux rares, le hafnium est considéré comme une ressource non renouvelable. Il est présent en quantité limitée dans la croûte terrestre. La quasi-totalité de ses réserves est obtenue par purification du zirconium. Son extraction et sa production sont relativement coûteuses.

À cause de sa rareté et de son utilisation dans des applications industrielles de pointe, cet élément chimique est très demandé. Le nombre de professionnels qui en ont besoin ne cesse d’augmenter. Cette croissance continue peut entraîner une pression accrue sur les ressources naturelles. La situation soulève des préoccupations concernant la durabilité de son utilisation à long terme.

Il existe des initiatives pour recycler le hafnium à partir de déchets électroniques et d’autres sources. Celles-ci contribuent à réduire la demande de nouvelles ressources. Des recherches sont également en cours de réalisation pour développer des alternatives à cet élément chimique dans les applications industrielles.

Caractéristiques physiques

Le hafnium possède un rayon atomique relativement grand (0,167 nm) et un rayon ionique typique des métaux de transition (0,081 nm). Il a un coefficient de dilatation thermique relativement faible. Entre 0 et 100 °C, celui-ci équivaut à 6,0–6 /K.

Cet élément chimique est aussi connu pour les caractéristiques physiques résumées dans le tableau ci-après.

Celles-ci sont prises en compte lors de l’utilisation de ce minerai dans diverses applications.

Caractéristiques mécaniques

Il convient de noter que les propriétés mécaniques du hafnium peuvent être améliorées en l’alliant avec d’autres métaux. Il est également possible de les optimiser en utilisant des techniques de traitement thermique permettant de modifier sa structure cristalline.

La résilience indique la capacité du hafnium à absorber de l’énergie lorsqu’il est soumis à une contrainte. Elle désigne également son aptitude à revenir à sa forme d’origine. Cette propriété est à prendre en compte lors de la sélection d’un matériau pour des applications où la résistance aux chocs est importante. Elle doit être évaluée avec d’autres propriétés mécaniques importantes pour garantir la performance optimale de l’élément chimique.

Applications dans l’industrie nucléaire

Le hafnium est principalement utilisé dans les systèmes de contrôle neutronique des réacteurs nucléaires tels que ceux des sous-marins. Sa section efficace de capture des neutrons thermiques pondérée sur l’ensemble des isotopes stables est de 103 barns. Elle est relativement faible par rapport à d’autres matériaux tels que :

• l’erbium (160 b) ;
• l’indium (194 b) ;
• le bore (759 b) ;
• le dysprosium (930 b) ;
• l’europium (4 100 b) ;
• le cadmium (2 450 b) ;
• le gadolinium (49 000 b) ;
• etc.

En outre, le hafnium est capable de capturer des neutrons dans le domaine épithermique.

Ces caractéristiques font du hafnium un matériau très attractif pour une utilisation comme barre de contrôle dans les réacteurs nucléaires. Le réacteur expérimental allemand FRM II s’en est servi avec succès.

Tous les isotopes naturels du hafnium ont la capacité de capturer les neutrons à des degrés variables. De ce fait, son efficacité varie seulement de manière modérée pendant le fonctionnement du réacteur.

De plus, cet élément chimique présente des propriétés mécaniques exceptionnelles ainsi qu’une excellente résistance à la corrosion. Sa densité élevée facilite également la chute gravitationnelle dans le cœur des réacteurs à géométrie donnée.

Le zirconium est également couramment utilisé dans l’industrie nucléaire. L’élément chimique 72 présent dans les minerais de zirconium est considéré comme une impureté fâcheuse. En effet, il peut affecter les propriétés neutroniques du zirconium. Il risque même de perturber le fonctionnement des réacteurs nucléaires et de réduire leur efficacité.

Par conséquent, la présence de hafnium dans les alliages de zirconium utilisés dans l’industrie nucléaire est fortement contrôlée. Cette précaution garantit une performance optimale des réacteurs nucléaires. Des techniques de purification et de contrôle qualité sont utilisées pour minimiser la présence de l’élément dans les alliages de zirconium.

Autres utilisations

Le hafnium est utilisé dans d’autres domaines que celui de l’industrie nucléaire. Dans les lampes à incandescence, il sert à contrôler la recristallisation des filaments de tungstène. En microélectronique, le dioxyde d’hafnium est employé comme un diélectrique high-k au lieu du dioxyde de silicium. Il est également exploité comme cathode dans les torches de découpage des métaux au plasma.

En oncologie, l’oxyde de hafnium sous forme de nanoparticules en solution présente d’intéressantes opportunités pour amplifier les effets de la radiothérapie. Il fait l’objet d’essais cliniques et a démontré son efficacité dans un essai de phase III. Il a été combiné avec d’autres traitements, y compris en immuno-oncologie.

Histoire de l’hafnium

En 1825, l’existence d’un élément inconnu dans des composés contenant du zirconium a été évoquée pour la première fois. Johann August Friedrich Breithaupt le nomme « ostranium ». En 1845, Lars Fredrik Svanberg annonce avoir isolé un nouvel oxyde associé au zirconia dans le minéral nordite. Il le dénomme « norium ». Ses résultats n’ont pas pu être reproduits par ses contemporains.

Dans les années suivantes, plusieurs chercheurs ont également prétendu avoir découvert de nouveaux éléments dans des minéraux contenant du zirconium. Leurs conclusions ont aussi été remises en question.

En 1907, Georges Urbain annonce la découverte de l’élément 72 qu’il nomme « celtium ». Ses résultats publiés en 1911s ont toutefois contestés en raison de leur imprécision. Ils n’ont été définitifs qu’en 1922, où le même scientifique réaffirme sa découverte suite à une nouvelle spectroscopie par rayons X. Celle-ci a été réalisée par Alexandre Dauvillier.

L’élément 72 était présent dans des minéraux contenant du zirconium. Il a été dénommé « danium » avant d’être appelé « hafnium » en référence à Hafnia, toponyme latin de Copenhague.

Effets sur la santé

Le hafnium est un métal insoluble dans l’eau et les substances endogènes. Cette caractéristique le rend non toxique sous forme métallique. Cependant, une surexposition peut se produire par inhalation, ingestion ou contact avec la peau ou les yeux. Elle est susceptible de causer une légère irritation.

Tous les composés de l’élément chimique 72 doivent être considérés comme toxiques, bien que les premières études indiquent que le danger est limité. Le hafnium sous forme de tritide lié au tritium peut rendre le tritium plus dangereux. En outre, il est possible que sa poussière présente un risque plus ou moins élevé d’incendie et d’explosion.

Effets sur l’environnement

Les données disponibles sur la toxicité du hafnium ou de sa poussière sur les animaux sont encore limitées. Les études précédemment menées indiquent que les composés de cet élément chimique peuvent causer des dommages au foie, à la peau et à l’œil. Ils sont également susceptibles de provoquer une irritation des muqueuses. Les valeurs de DL50 pour le tétrachlorure chez les rats sont de 2,362 mg·kg^-1. Il s’agit de la dose (ou concentration) létale médiane, un indicateur de la toxicité d’un produit. Pour l’oxychlorure chez les souris, les valeurs sont de 112 mg·kg-1. Cependant, aucun effet négatif sur l’environnement n’a été signalé jusqu’à présent.