Grupa 3 elemente

99,998% scandiu sublimat pur, aproape de un cub de 1 cm ³ de scandiu fuzionat cu un arc electric .

99,99% itriu sublimat pur, aproape de un cub de 1 cm ³ de itriu fuzionat cu un arc electric .

O bucată de lantan pur de aproximativ 1 cm în dimensiune.

Elementele din grupa 3 sunt adesea considerate scandiu (Sc), itriu (Y), lantan (La) și actiniu (Ac), deși unii autori au optat altfel . Grupa 3 face parte din blocul d al tabelului periodic și componentele sale sunt metale de tranziție . La temperatura camerei aceste elemente sunt toate solide. Actiniul este un element radioactiv prezent în urme în minereuri de uraniu . ^[1] În nomenclatura anterioară acest grup a fost denumit IIIA sau IIIB conform diferitelor convenții folosite respectiv în Europa și în Statele Unite ale Americii.

Compoziția grupului 3

Genul se consideră că grupul 3 trebuie să fie format din patru elemente, în analogie cu toate celelalte grupuri ale blocului d (grupele 3-12). Scandiul și itriul sunt universal denumite primele două elemente ale grupului, în timp ce nu există un acord general cu privire la care sunt următoarele elemente. Textele clasice de chimie anorganică consideră că celelalte două elemente sunt lantanul și actiniul, ^{[2] [3] [4] [5], în} timp ce unele surse recente preferă să ia în considerare lutetium și laurentius . ^{[1] [6] [7] [8]} Mai rar se consideră că grupul 3 este extins la 32 de elemente, inclusiv lantanide și actinoide . ^[9] IUPAC nu s-a exprimat încă în acest sens, dar în 2015 a lansat un proiect pentru a ajunge la o recomandare cu privire la care sunt elementele constitutive ale grupului 3. ^[10] În așteptarea unei opinii oficiale a IUPAC, luăm în considerare aici că scandiul, itriul, lantanul și actiniul aparțin grupului 3.

Surse

Scandiul este neobișnuit pe scoarța terestră , fiind al treizeci și cincilea element din abundență. Este distribuit într-o formă foarte răspândită și, prin urmare, dificil de obținut; unul dintre puținele minerale exploatate comercial este thortveitita , (Sc, Y) ₂ Si ₂ O ₇ , dar cea mai mare parte a scandiului este obținută ca Sc ₂ O ₃ din procesarea minereurilor de uraniu. Cateva tone de Sc ₂ O ₃ sunt produse pe an, și doar 1% este transformată în metal. Itriul este al 28-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră, unde se găsește în diferite minerale exploatabile din punct de vedere comercial, cum ar fi xenotime- (Y) , monazit , bastnäsite- (Y) , fergusonite- (Y) și samarskite- (Y) . Se produc anual 9000 de tone pe an de Y ₂ O ₃ și doar câteva tone de itriu metalic. Lantanul este cel de-al douăzeci și optulea element din abundență pe scoarța terestră, unde se găsește întotdeauna împreună cu lantanide în diferite minerale, cum ar fi monazitul și bastnasitul . Peste 30.000 de tone de oxid de lantan , La ₂ O _3, sunt produse anual. Actiniul poate fi extras din minereuri de uraniu, cum ar fi actiniu-227, dar de obicei acest nuclid este produs artificial prin bombardarea radiului-226 cu neutroni. ^[1]

Toxicitate și rol biologic

Niciunul dintre aceste metale nu are un rol biologic; actiniul este foarte periculos datorită radioactivității sale. Un corp uman conține aprox 0,2 mg de scandiu, aproximativ 0,5 mg de itriu și mai puțin de 1 mg de lantan. În afară de actiniu, celelalte metale din grup nu sunt în general foarte periculoase. Cu toate acestea, unii dintre compușii scandium sunt suspectați de cancerigen, iar compușii solubili de yttriu sunt considerați ușor toxici. ^[1]

Aplicații

Scandiul este utilizat în principal în aliaje speciale. O adăugare de 0,5% de scandiu la aluminiu face ca materialul să fie mult mai greu și crește punctul de topire cu 800 ° C; aliajele de acest tip sunt utilizate în aeronautică. Adăugarea iodurii de scandiu ScI ₃ în lămpile cu vapori de mercur are ca rezultat o sursă de lumină foarte asemănătoare cu lumina soarelui. Itriul este utilizat pentru a obține aliaje speciale cu granule fine și pentru a produce multe granate artificiale cristaline cu proprietăți optice și magnetice deosebite. De exemplu, granatul de itriu din aluminiu cunoscut sub numele de YAG ( granatul de itriu-aluminiu ) este utilizat în laserul Nd: YAG . Oxidul de itriu este utilizat în superconductori precum YBCO . Itriul Y ₂ O ₂ S dopat cu europiu este fosforul roșu utilizat în televizoarele color mai vechi . Lantanul metalic este utilizat în special aliaje precum LaNi ₅ , care este capabil să absoarbă hidrogen gazos și în electrozi pentru lămpile cu arc pentru a crește luminozitatea arcului. Este prezent și în bateriile cu hidrură de nichel-metal utilizate la vehiculele hibride ; o mașină hibridă poate conține 10 kg de lantan. Oxidul de lantan este adăugat în ochelari pentru a obține lentile cu un indice de refracție ridicat, în timp ce fluorura de lantan LaF ₃ este utilizată în fibrele optice pentru transmiterea datelor. Actiniul este utilizat în cantități foarte mici numai în cercetarea științifică ca sursă de neutroni. ^[1]

Proprietățile elementelor

În acest tabel periodic, numărul izotopilor stabili ai fiecărui element este notat cu o culoare diferită. Elementele cu numere atomice impare au doar unul sau doi izotopi stabili, în timp ce elementele cu numere atomice pare au toate trei sau mai mulți izotopi stabili, cu excepția primilor trei: heliu, beriliu și carbon.

Punctele de topire ale elementelor perioadelor 4-6 din tabelul periodic.

Elementele grupului 3 au toate numere atomice impare și, prin urmare, au puțini izotopi stabili (a se vedea figura). Sunt metale relativ moi, strălucitoare și argintii. După cum se poate aștepta, acestea sunt mai puțin electropozitive decât metalele alcalino-pământoase care le preced și mai electropozitive decât metalele de tranziție care le urmează în blocul d. Prezența unui electron d crește rezistența legăturii metalice și, prin urmare, entalpiile de fuziune, vaporizare și atomizare cresc în raport cu metalele alcalino-pământoase; acest lucru este indicat de punctele de topire (figură și tabel), care cresc în comparație cu grupa 2. ^{[2] [5]}

Reactivitatea chimică și tendințele grupului ^{[2] [5] [11]}

Aceste elemente au trei electroni la nivelul electronic exterior, la fel ca elementele grupului 13 , dar configurația electronică este diferită, fiind d ¹ s ² pentru grupul 3 și s ² p ¹ pentru grupul 13. În consecință, dincolo de starea de oxidare comună + 3, asemănările sunt puține; de exemplu oxidul Sc ₂ O ₃ este amfoter ca și Al ₂ O ₃ .

Potențialele de reducere standard ale elementelor din grupa 3 sunt oarecum negative și, prin urmare, aceste metale se înnegresc în aer și se ard pentru a forma oxidul M ₂ O ₃ . De asemenea, reacționează cu apă și acizi pentru a dezvolta hidrogen. Deși scandiul, itriul și lantanul sunt primii membri ai celor trei serii de tranziție d, chimia lor nu este atât de tipică elementelor de tranziție. Intr-adevar:

• Nu sunt posibile diferite stări de oxidare. În aceste elemente, se observă doar starea de oxidare +3, ceea ce duce la compuși mai ales ionici. Ionii M ³⁺ , având configurația d ⁰ , sunt în mod natural incolori și diamagnetici.
• În cadrul grupului, diferențele de comportament chimic se datorează în principal dimensiunii diferite a ionilor M ³⁺ . Cel mai mic ion apare în cel mai ușor element; ionul Sc (III) (r = 74,5 pm) prezintă proprietăți similare speciilor Al (III) (r = 53,5 pm). Lantanul și actiniul au proprietăți similare calciului.
• Ei nu au o tendință marcată de a forma compuși de coordonare , în ciuda sarcinii +3. Acest lucru pare a se datora dimensiunilor destul de mari (suntem la începutul blocului d) pentru care densitatea de încărcare a ionului este de fapt redusă. Ionul Sc (III), fiind cel mai mic ion al grupului, formează complexe mai ușor decât congenerii mai grei, de obicei cu numărul de coordonare șase și structură octaedrică. Având în vedere dimensiunile mai mari, Y (III) și La (III) preferă în schimb numere mai mari de coordonare: 8, 9 și 10.
• La formarea complexelor, ionii M ³⁺ se comportă ca acizi duri și preferă liganzi donatori de oxigen, de preferință chelatori (de exemplu, C ₂ O ₄ ³⁺ , acac ).

Notă

Bibliografie

• ( EN ) PW Atkins și L. Jones,Chemical Principles: The Quest for Insight , ediția a 4-a, New York, WH Freeman, 2007, ISBN 9781429209656 .
• ( EN ) P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F. Armstrong și M. Hagerman, Shriver & Atkins 'Inorganic Chemistry , ed. A V-a, Oxford University Press, 2010, ISBN 978-0199599608 .
• FA Cotton, G. Wilkinson și PL Gaus, Principiile chimiei anorganice , Milano, Editura Ambrosiana, 1991.
• (EN) FA Cotton, G. Wilkinson, CA Murillo și M. Bochmann,Advanced Inorganic Chemistry , ediția a VI-a, Wiley-Interscience, 1999, ISBN 978-0471199571 .
• (RO) J. Emsley, Building Blocks Naturii: Un ghid AZ la elementele (New ed.) , New York, Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-960563-7 .
• ( EN ) NN Greenwood și A. Earnshaw, Chimia elementelor , ediția a II-a, Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4 .
• ( DE ) AF Holleman și N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie , Berlin, Walter de Gruyter, 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 .
• ( EN ) CE Housecroft și AG Sharpe, Chimie anorganică , ediția a 3-a, Harlow (Anglia), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6 .
• IUPAC, proiect nr.: 2015-039-2-200 - Constituirea grupului 3 al tabelului periodic , pe iupac.org , IUPAC, 2015. Accesat la 18 noiembrie 2016 .
• ( EN ) DW Oxtoby, HP Gillis și A. Campion, Principiile chimiei moderne , Belmont, CA, Thomson / Brooks Cole, 2007, ISBN 978-0534493660 .
• (EN) E. Scerri, Tabelul periodic al lui Mendeleev este finalizat și Ce să facem cu grupul 3? , în Chemistry International , vol. 34, nr. 4, 2012, pp. 28-31.

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre elementele grupului 3

Portalul chimiei

Portalul de fizică