Desde la antigüedad se han utilizado diversas formas para crear fuego. Una de ellas fue la percusión y no, no hablo de música sino de la acción de percutir o dar golpes. Es decir, golpear rocas (con ciertas propiedades) entre sí para generar la chispa necesaria en toda combustión. Pero, ¿qué sabemos de estas rocas? Algunos metales tienen la propiedad de ser pirofóricos (se encienden espontáneamente en presencia de aire) cuando están en forma de polvo como magnesio, titanio, hierro, zirconio, hafnio, entre otros. La chispa se produce al frotar una barra de material pirofórico contra una superficie rugosa, en donde las partículas que se desprenden se oxidan rápidamente en presencia de aire. No todos los metales generan chispas al ser frotados contra un material rugoso. Una de las maneras de identificar metales que portan el fuego, es simplemente frotándolos sobre un esmeril.

Henry Moseley

Hablando de la Tabla Periódica, es importante recordar que uno de los avances más significativos en la forma de organizar los elementos ocurrió en 1913, cuando el físico Henry Moseley descubrió un método experimental para ordenarlos de acuerdo a sus números atómicos. Esto despertó el interés en la búsqueda de los elementos aún por descubrir. Entre estos, faltaba el elemento entre el número atómico 71, lutecio y 73, tantalio. Sin embargo, los científicos no concordaban si el elemento 72 era de transición o una tierra rara, ya que este elemento estaba en el límite entre estos dos tipos. De acuerdo con la configuración electrónica que propuso Niels Bohr para el elemento 72, se concluyó que este debía ser de transición. Con esto en mente, un par de científicos Dirk Coster y George Charles Hevesy (Premio Nobel de Química en 1943), se dieron a la tarea de explorar minerales de zirconio provenientes de Noruega con el fin de identificarlos mediante espectroscopía de rayos X. Fue hasta 1923, en la Universidad de Copenhague en Dinamarca, que descubrieron dicho elemento y lo nombraron hafnio en honor al antiguo nombre en latín de esa ciudad, Hafnia. De los elementos provenientes de la naturaleza, el hafnio fue de los últimos tres en descubrirse, junto con el renio y el francio (descubierto en 1933).

El hafnio (Hf) es un elemento químico con número atómico 72 que pertenece al grupo 4 y periodo 6 de la Tabla Periódica. Tiene un peso atómico de 178.49 g/mol y es un metal de color plateado, brillante, dúctil y resistente a la corrosión. De todos los elementos químicos, el zirconio y el hafnio son de los más difíciles de separar, debido a sus propiedades físicas y químicas similares. Por ejemplo, el radio iónico del hafnio es 0.71 Å y el del zirconio 0.72 Å. Sin embargo, la densidad del hafnio (13.07 g.cm−3 a 20 °C) es más del doble que la del zirconio (6.49 g.cm−3). Es posible producir hafnio de alta pureza con trazas de zirconio como impureza principal. Además, el punto de fusión del hafnio es 2233 °C; en cambio, la del zirconio es 1854 °C.

La mayoría de los minerales de zirconio contienen hafnio en concentraciones entre 1 y 5%, ya que este último no se encuentra puro en la naturaleza. Actualmente, el hafnio suele producirse a partir de la reducción de tetracloruros de hafnio con sodio o magnesio. El hafnio se encuentra en la corteza terrestre con una concentración entre 3.0 y 5.3 partes por millón (ppm) según diversas fuentes y proviene principalmente de Australia y Sudamérica. La evidencia encontrada hasta la fecha indica que el hafnio no es tóxico.

En presencia de aire, el hafnio metálico tiende a formar naturalmente una capa fina de dióxido, lo que lo hace resistente a la corrosión. El dióxido de hafnio (HfO2) es un sólido transparente y es el compuesto más estable proveniente del hafnio. Además, puede reaccionar y hacer aleaciones con otros elementos a temperaturas altas, tales como carbono, nitrógeno, oxígeno, hierro y azufre. Por ejemplo, el carburo de hafnio tiene un punto de fusión mayor a los 3800 °C y es el compuesto más refractario conocido a la fecha. Mientras que el carburo de hafnio-tántalo presenta el punto de fusión más alto de todos los compuestos conocidos con un valor 4215 °C. ¿En qué aplicación a alta temperatura se usarían las aleaciones que se pueden fabricar con el hafnio?

El uso de hafnio sirvió para eliminar el plomo que se utilizaba en la producción de estos dispositivos

El hafnio se usó por primera vez para cortar acero de alta densidad. En la actualidad se corta mediante el uso de plasma empleando solamente aire y electricidad. En 2007, Intel anunció una nueva tecnología de microprocesadores usando hafnio para incrementar el rendimiento de estos dispositivos y a su vez reducir su consumo de energía. La innovación consistió en utilizar una película delgada de 45 nm de dióxido de hafnio sobre óxido de silicio en el proceso de manufacturación de los procesadores. Además, el uso de hafnio sirvió para eliminar el plomo que se utilizaba en la producción de estos dispositivos. Los beneficios de esta innovación ayudaron a fabricar computadoras más rápidas y compactas, una mayor vida de las baterías y mejor eficiencia energética.

El hafnio es su uso como barras de control en reactores nucleares debido a su habilidad para absorber neutrones, sus propiedades mecánicas y alta resistencia a la corrosión.

Otra de las aplicaciones principales del hafnio es su uso como barras de control en reactores nucleares debido a su habilidad para absorber neutrones, sus propiedades mecánicas y alta resistencia a la corrosión. Los reactores nucleares son utilizados para generar energía eléctrica. Las barras sirven para regular la velocidad de las reacciones de fisión nuclear (división del núcleo de un átomo). También se utiliza en la fabricación de lámparas de gas e incandescentes. Las aleaciones que contienen hafnio soportan altas temperaturas, por lo que también se utilizan para fabricar partes de naves espaciales. Recientemente han diseñado un cerámico de alta resistencia que podría utilizarse en la fabricación de alas de aviones supersónicos, debido a que se requieren materiales que soporten el flujo de aíre supersónico a temperaturas mayores a 2600 °C. Este cerámico está constituido de una mezcla de HfB2 (diboruro de hafnio) y carburo de silicio en forma de nanocristales (nc-SiC) [1]. C2

 

Referencias

[1] https://phys.org/news/2018-12-scientists-high-strength-material-aircraft-industry.html, Consultado en línea el 7 de enero de 2019.

 

Sobre el autor

Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Realiza un posdoctorado en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología. Sus líneas de investigación se enfocan en el diseño y síntesis de nanomateriales basados en metales de transición para su uso en la producción de energías limpias.

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Miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel I. Realiza un posdoctorado en el Centro de Nanociencias y Nanotecnología. Sus líneas de investigación se enfocan en el diseño y...

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