L‘afnio è un metallo di transizione appartenente al 6° Periodo e al Gruppo 4 della Tavola Periodica avente numero atomico 72 e configurazione elettronica [Xe] 4f14,5d2, 6s2.
Il nome afnio deriva da Hafinia, il nome latino di Copenhagen, città in cui fu scoperto nel 1923 dai chimici Dirk Coster e George von Hevesy. L’esistenza di questo elemento era stata prevista dal padre della Chimica, il geniale Dmitrij Mendeleev che, nel 1869 nell’ambito delle sue ricerche sulle leggi periodiche degli elementi, aveva predetto che doveva esistere un elemento con proprietà simili a quelle del titanio e dello zirconio ma più pesante dei due.
La ricerca dell’elemento nascosto che appassionò i chimici fu risolta solo grazie alla tecnica di diffrazione dei Raggi X: analizzando un pezzo di zircone fu evidenziato un nuovo elemento che presentava proprietà chimico-fisiche del tutto analoghe a quelle dello zirconio con il quale poteva essere scambiato.
L’afnio infatti si trova in natura combinato con i minerali contenenti zirconio in ragione dall’1 al 5% da cui è difficile separarlo e non esiste come elemento allo stato puro.
Come lo zirconio l’afnio è duttile, di colore argenteo ed è resistente alla corrosione e se ridotto in polvere sottile è piroforico; l’unica differenza importante rispetto allo zirconio è la maggiore densità.
Cristallizza secondo un reticolo esagonale compatto ed è anisotropo
Presenta, come lo zirconio, numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1 e -2, ma a differenza dello zirconio i numeri di ossidazione più bassi sono meno stabili.
Stanti le affinità tra afnio e zirconio risulta particolarmente complicata la loro separazione: i metodi usati più frequentemente sono la cristallizzazione frazionata di sali di fluoruro di ammonio o la distillazione frazionata del cloruro.
Tuttavia a livello industriale vengono effettuati processi di estrazione liquido-liquido con un’ampia varietà di solventi al fine di ottenere il tetracloruro di afnio che viene convertito in metallo a seguito della riduzione con magnesio e sodio secondo il processo Kroll:
HfCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Hf
L’afnio si deposita sul fondo del recipiente mentre il cloruro di magnesio forma uno strato liquido che è immediatamente superiore all’afnio stesso e il magnesio in eccesso si stratifica, fuso, come terzo strato.
L’afnio così ottenuto si presenta come una spugna che viene tramite il processo allo ioduro di De Boer-Van Arkel: l’afnio viene fatto reagire a 500°C con lo iodio per dare tetraioduro di afnio secondo la reazione
Hf + 2 I2 → HfI4
Alla temperatura di 1700°C avviene la reazione inversa e l’afnio purificato si deposita su un filamento di tungsteno.
L’afnio forma composti refrattari come il nitruro di afnio HfN che ha una temperatura di fusione di 3300°C e il carburo di afnio HfC che ha una temperatura di fusione di circa 3900 °C e costituisce la sostanza più refrattaria ad oggi conosciuta.
E’ resistente agli alcali e, ad elevate temperature, reagisce con ossigeno, azoto, carbonio,boro, silicio e zolfo mentre reagisce direttamente con gli alogeni per dare tetralogenuri.
Uno dei composti più comuni dell’afnio è l’ossido di afnio (IV) HfO2 che ha capacità isolanti e viene usato quale intermedio per ottenere l’afnio metallico. L’ossido reagisce con acidi e basi forti e si solubilizza lentamente in acido fluoridrico; reagisce inoltre con il cloro in presenza di grafite o tetracloruro di carbonio per date il tetracloruro di afnio HfCl4.
Quest’ultimo è il precursore di molti composti organometallici dell’afnio e viene usato come catalizzatore.
Come tale l’afnio è utilizzato in filamenti per lampadine, in apparecchiature elettroniche e come catodo.
L’utilizzo maggiore dell’afnio è nella costruzione di barre di controllo dei reattori nucleari per l’elevata sezione di cattura per i neutroni e viene preferito al boro per la maggiore resistenza alla corrosione.
Viene usato in lega con altri metalli quali ferro, niobio, tantalio e titanio; le leghe afnio-niobio sono resistenti al calore e sono utilizzate in applicazioni aerospaziali.
La lega più famosa contenente afnio è la lega C-103 in cui al niobio viene aggiunto afnio, titanio, zirconio, tantalio e tungsteno con cui è stato costruito il motore principale del modulo lunare Apollo
Aggiunto ad alta temperatura a superleghe a base di nichel, l’afnio aumenta la sua resistenza alla corrosione e alla trazione.