Grupa 4 elemente

99,995% titan pur

99,995% zirconiu pur

99,995% hafniu pur

Elementele grupei 4 sunt: titan (Ti), zirconiu (Zr), hafniu (Hf) și ruterfordiu (Rf). Grupa 4 face parte din blocul d al tabelului periodic și componentele sale sunt metale de tranziție . Rutherfordium este un element artificial radioactiv; au fost produși doar câțiva atomi și proprietățile sale chimice sunt slab înțelese. ^[1] În nomenclatura anterioară, acest grup a fost numit IVA sau IVB în conformitate cu diferite convenții utilizate în Europa și, respectiv, în Statele Unite ale Americii.

La temperatura camerei aceste elemente sunt toate solide; culoarea roșie pentru numărul atomic indică faptul că acel element este sintetic și nu se găsește în natură.

Surse

Titanul este al nouălea cel mai abundent element de pe scoarța terestră , răspândit în majoritatea mineralelor, în special a silicaților . Se obține în principal din ilmenit (FeTiO ₃ ) și rutil (TiO ₂ ); Peste 100.000 de tone de titan sunt produse anual. Zirconiul este cel de-al 18-lea cel mai abundent element de pe scoarța terestră și se obține în principal din mineralele zircon (ZrSiO ₄ ) și baddeleyite (ZrO ₂ ). Hafnium este cel mai abundent patruzeci și cincilea element de pe scoarța terestră. Câteva minerale specifice de hafniu nu sunt utile pentru producerea sa. Se obține în principal ca produs secundar al procesării minereurilor de zirconiu, care conțin întotdeauna o cantitate mică de hafniu, deoarece proprietățile chimice ale celor două elemente sunt foarte similare. ^[1]

Toxicitate și rol biologic

Titanul este netoxic și nu este esențial pentru nicio specie vie. ^[2] Cantitatea conținută într-un corp uman este de aproximativ 700 mg și chiar și în cantități mai mari nu este problematic. Dintre compușii, dioxid de titan este non-toxic, în timp ce altele , cum ar fi _TiCI4 pot fi periculoase. Zirconiul și hafniul nu au roluri biologice, iar sărurile lor sunt considerate toxice scăzute. Un corp uman conține aprox 1 mg zirconiu; cantitatea relativă de hafniu nu este cunoscută, dar ar trebui să fie foarte mică. ^[1]

Aplicații

Titanul este foarte important din punct de vedere economic și comercial, în timp ce zirconiul și hafniul sunt mult mai puțin utilizate. Titanul metalic este mai dur, mai ușor și mai rezistent la coroziune decât oțelul; Titanul și aliajele sale cu aluminiu și alte metale sunt, prin urmare, utilizate în toate cazurile în care ușurința, rezistența la coroziune și biocompatibilitatea sunt importante . Este utilizat, de exemplu, în aeronave, nave spațiale, rachete, plăci de blindaj, biciclete, ceasuri, ochelari de protecție, elice și alte componente navale, instalații de desalinizare, implanturi chimice, proteze ortopedice și implanturi dentare . Cel mai important compus al titanului este dioxidul ( TiO ₂ ), care este cel mai utilizat pigment alb din lume. Nu este toxic și este utilizat atât în ​​vopsele, cât și pentru albirea hârtiei și ca umplutură în materiale plastice. Majoritatea zirconiului metalic este utilizat în reactoarele nucleare, deoarece are o secțiune redusă de captare a neutronilor și este foarte rezistent la coroziune. Pentru această utilizare, zirconiul trebuie purificat de impuritățile hafniului, care are în schimb o capacitate ridicată de a absorbi neutronii. Îndepărtarea hafniului nu este necesară pentru alte utilizări ale zirconiului metalic, care este utilizat în diferite aliaje din uzinele chimice în locul oțelurilor inoxidabile. Zirconia, ZrO ₂ , este utilizată în materiale refractare, ceramică, bioceramică și pietre prețioase. Hafnium este utilizat pentru tije de control în reactoarele nucleare datorită capacității sale de a absorbi neutronii. În plus, este utilizat în aliaje și ceramică pentru temperaturi ridicate. Oxidul de hafniu este utilizat ca izolator în circuitele integrate. ^[1]

Proprietățile elementelor

Punctele de topire ale elementelor blocului d.

Titanul, zirconiul și hafniul au un aspect tipic metalic, strălucitor și argintiu. Creșterea numărului de electroni crește rezistența legăturii metalice și, prin urmare, în ceea ce privește elementele grupei 3 , valorile entalpiei de fuziune , vaporizare și atomizare cresc ; acest lucru este semnalat de valorile punctului de topire , care sunt în creștere în comparație cu grupul 3. Creșterea numărului de electroni îi face, de asemenea, să fie mai buni conductori de electricitate și căldură decât elementele din grupul 3, dar în comparație cu majoritatea celorlalte metale nu sunt considerați buni dirijori. Razele metalice și ionice cresc de la titan la zirconiu, în timp ce de la zirconiu la hafniu valoarea rămâne practic identică datorită contracției lantanidelor . Deși acest lucru duce la diferențe fizice considerabile (densitatea și greutatea atomică a zirconiului sunt aproximativ jumătate din cea a hafniului), perechea zirconiu / hafniu este cea care prezintă cea mai identică chimie dintre toate celelalte perechi similare din a doua / a treia serie de tranziție. ^[3]

Reactivitatea chimică și tendințele grupului ^{[3] [4]}

Aceste elemente sunt electropozitive (tind să se oxideze), deși mai mici decât cele din grupul anterior 3. Încălzite la temperatură ridicată, ele reacționează direct cu majoritatea nemetalelor (de exemplu, titanul formează TiH ₂ , TiB ₂ , TiC , TiN , TiO ₂ ...). În starea masivă, această reactivitate nu este practic observabilă la temperaturi medii-scăzute, iar aceste metale sunt foarte rezistente la coroziune, deoarece pe suprafață se formează o peliculă subțire de oxid care pasivează metalul subiacent și previne atacuri suplimentare. La temperaturi ridicate sau sub formă fin divizată, metalele sunt piroforice. Sunt destul de rezistente la atacurile acide. La temperatura camerei sunt atacați practic numai de acidul fluorhidric , cu formarea complexelor de fluor, cum ar fi TiF ₆ ^2– ; când sunt fierbinți, reacționează și cu alți acizi minerali . Sunt rezistente la baze apoase, chiar și la cele fierbinți.

Așa cum se întâmplă de obicei în elementele de tranziție, elementele acestui grup pot accesa diverse stări de oxidare . Din configurația electronică nd ² (n + 1) s ² deducem o stare de oxidare maximă de +4, care este cea mai stabilă și importantă. Stările minore de oxidare sunt mai puțin stabile și tind să se oxideze la +4. Ionii de tip M ⁴⁺ au o densitate de încărcare prea mare pentru a exista în soluție; în schimb, se formează oxocații de tip TiO ²⁺ (titanil). Ionii M ⁴⁺ dau naștere la numeroși complecși precum TiF ₆ ^2– menționat anterior, atât cu halogeni, cât și cu liganzi în care atomul donator este azot sau oxigen (M ⁴⁺ este un acid dur ). Mărimea ionilor M ⁴⁺ sunt în mod natural mai mici decât cele ale ionilor 3+ din grupul anterior, dar sunt încă suficient de mari, ținând cont de sarcină, pentru a permite numere de coordonare de 7, 8 sau mai multe, în special pentru zirconiu și hafniu (ZrF ₇ ^3– , ZrF ₈ ^4– ). În starea de oxidare +4 configurația electronică este d ⁰ și, în consecință, compușii sunt diamagnetici , de obicei albi sau incolori, deoarece nu sunt posibile benzile de absorbție d - d. De exemplu , _TiCI4 este un lichid incolor, iar TiO ₂ este un solid alb , utilizat ca pigment. Pe de altă parte, când compușii sunt colorați (de exemplu, TiBr ₄ este portocaliu), acest lucru se datorează prezenței liantului → benzilor metalice de transfer al încărcăturii.

Starea de oxidare +3 este destul de comună pentru titan; _TiCl3 este bine cunoscut ca un catalizator pentru polimerizare stereospecifice reacții. Violet ion Ti (H ₂ O) ₆ ³⁺ este prezent în soluția acidă , dar oxidează cu ușurință. Culoarea violet se datorează benzilor de absorbție d - d în regiunea vizibilă, deoarece Ti (III) are o configurație d ¹ . Așa cum se întâmplă în întregul bloc d, elementele din a doua și a treia serie de tranziție preferă stările de oxidare superioare și, prin urmare, pentru zirconiu și hafniu starea de oxidare +3 este mult mai puțin stabilă decât pentru titan.

Notă

Bibliografie

• (RO) P. Atkins, T. Overton, J. Rourke și et. al., Shriver & Atkins 'Inorganic Chemistry , ediția a 5-a, New York, WH Freeman, 2010, ISBN 978-1-42-921820-7 .
• FA Cotton, G. Wilkinson și PL Gaus, Principiile chimiei anorganice , Milano, Editura Ambrosiana, 1991.
• (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 .
• ( EN ) CE Housecroft și AG Sharpe, Chimie anorganică , ediția a 3-a, Harlow (Anglia), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6 .
• ( EN ) MR Zierden și AM Valentine, Contemplarea unui rol pentru titan în organisme , în Metallomics , vol. 8, nr. 1, 2016, pp. 9-16, DOI : 10.1039 / C5MT00231A .

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre grupul 4 elemente

Portalul chimiei

Portalul de fizică