Grupa 3 element - Group 3 element

Grupa 3 w układzie okresowym
Wodór Hel Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton Rubid Stront Itr Cyrkon Niob molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubniu Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson metale ziem alkalicznych ←   → grupa 4
Numer grupy IUPAC 3 Nazwa według elementu grupa skandowa Numer grupy CAS (USA, wzór ABA) IIIB stary numer IUPAC (Europa, wzór AB) IIIA
↓  Okres
4	Skand (Sc) 21 Metal przejściowy
5	Itr (Y) 39 Metal przejściowy
6	Lutet (Lu) 71 Lantanowiec
7	Lawrencium (Lr) 103 aktynowiec
Legenda pierwiastek pierwotny pierwiastek syntetyczny Kolor liczby atomowej: czarny=jednolity
v T mi

Grupa 3 to pierwsza grupa metali przejściowych w układzie okresowym. Ta grupa jest ściśle związana z pierwiastkami ziem rzadkich . Chociaż istnieją pewne kontrowersje dotyczące składu i umiejscowienia tej grupy, wśród badaczy jest ogólnie zgoda, że ​​grupa ta zawiera cztery pierwiastki: skand (Sc), itr (Y), lutet (Lu) i lawren (Lr). . Grupa jest również nazywana grupą skandową lub rodziną skandową po jej najlżejszym członku.

Chemia pierwiastków z grupy 3 jest typowa dla wczesnych metali przejściowych: zasadniczo wszystkie mają tylko stopień utlenienia grupy +3 jako główny, i podobnie jak poprzednie metale z grupy głównej są dość elektrododatnie i mają mniej bogatą chemię koordynacyjną. Ze względu na skutki skurczu lantanowców , itr i lutet mają bardzo podobne właściwości. Itr i lutet mają w zasadzie chemię ciężkich lantanowców, ale skand wykazuje kilka różnic ze względu na swój mały rozmiar. Jest to podobny wzór do tych z wczesnych grup metali przejściowych, gdzie najlżejszy pierwiastek różni się od bardzo podobnych następnych dwóch.

Wszystkie pierwiastki grupy 3 są raczej miękkimi, srebrzystobiałymi metalami, chociaż ich twardość wzrasta wraz z liczbą atomową. Szybko matowieją w powietrzu i reagują z wodą, choć ich reaktywność jest maskowana tworzeniem się warstwy tlenkowej. Pierwsze trzy z nich występują naturalnie, a zwłaszcza itr i lutet są prawie niezmiennie związane z lantanowcami ze względu na podobny skład chemiczny. Lawrencium jest silnie radioaktywny : nie występuje naturalnie i musi być wytwarzany na drodze sztucznej syntezy, ale jego obserwowane i przewidywane teoretycznie właściwości są zgodne z tym, że jest cięższym homologiem lutetu. Żaden z nich nie pełni żadnej roli biologicznej.

Historycznie, czasami zamiast lutetu i lawrenium do tej grupy włączano lantan (La) i aktyn (Ac), i ta opcja jest nadal powszechnie spotykana w podręcznikach. Zaproponowano i zastosowano pewne kompromisy między dwiema głównymi opcjami, polegające albo na zmniejszeniu grupy do wyłącznie skandu i itru, albo na włączeniu do grupy wszystkich 30 lantanowców i aktynowców .

Historia

Odkrycia żywiołów

Odkrycie pierwiastków grupy 3 jest nierozerwalnie związane z odkryciem pierwiastków ziem rzadkich , z którymi są one powszechnie kojarzone w naturze. W 1787 roku szwedzki chemik Carl Axel Arrhenius na pół etatu znalazł ciężką czarną skałę w pobliżu szwedzkiej wioski Ytterby w Szwecji (część Archipelagu Sztokholmskiego ). Sądząc, że jest to nieznany minerał zawierający nowo odkryty pierwiastek wolfram , nazwał go iterbitem . Fiński naukowiec Johan Gadolin zidentyfikował nowy tlenek lub „ ziemi ” w próbce Arrheniusa w 1789 roku i opublikował swoją ukończoną analizę w 1794 roku; w 1797 roku nowy tlenek został nazwany itrią . W dziesięcioleciach po tym, jak francuski naukowiec Antoine Lavoisier opracował pierwszą nowoczesną definicję pierwiastków chemicznych , wierzono, że ziemie można zredukować do ich pierwiastków, co oznacza, że ​​odkrycie nowej ziemi było równoznaczne z odkryciem pierwiastka w jej wnętrzu. przypadku byłby itr . Do początku lat 20. XX wieku symbol chemiczny „Yt” był używany dla pierwiastka, po czym „Y” weszło do powszechnego użytku. Metaliczny itr , choć nieczysty, został po raz pierwszy przygotowany w 1828 roku, kiedy Friedrich Wöhler podgrzał bezwodny chlorek itru(III) z potasem w celu wytworzenia metalicznego itru i chlorku potasu . W rzeczywistości, itria Gadolina okazała się mieszaniną wielu tlenków metali, co zapoczątkowało historię odkrycia pierwiastków ziem rzadkich.

W 1869 rosyjski chemik Dmitri Mendelejew opublikował swój układ okresowy pierwiastków, w którym było puste miejsce na pierwiastek nad itrem. Mendelejew dokonał kilku prognoz dotyczących tego hipotetycznego pierwiastka, który nazwał eka-borem . Do tego czasu itria Gadolina została już kilkakrotnie podzielona; pierwszy przez szwedzkiego chemika Carla Gustafa Mosandera , który w 1843 r. oddzielił dwie kolejne ziemie, które nazwał terbia i erbia (rozdzielając nazwę Ytterby tak samo, jak podzielono itrię ); a następnie w 1878 roku, kiedy szwajcarski chemik Jean Charles Galissard de Marignac podzielił terbię i erbię na kolejne ziemie. Wśród nich była iterbia (składnik dawnej erbii), którą szwedzki chemik Lars Fredrik Nilson z powodzeniem podzielił w 1879 r., aby odkryć kolejny nowy pierwiastek. Nazwał go scandium, od łacińskiego słowa Scandia, co oznacza „Skandynawia”. Nilson najwyraźniej nie wiedział o przepowiedni Mendelejewa, ale Per Teodor Cleve rozpoznał korespondencję i powiadomił Mendelejewa. Eksperymenty chemiczne na skandzie dowiodły słuszności sugestii Mendelejewa ; wraz z odkryciem i scharakteryzowaniem galu i germanu dowiodło to poprawności całego układu okresowego pierwiastków i prawa okresowego . Metaliczny skand został po raz pierwszy w 1937 r przez elektrolizę z eutektycznej mieszaniny w 700-800 ° C, z potasu , litu i chlorków skandu . Skand występuje w tych samych rudach, z których odkryto itr, ale jest znacznie rzadszy i prawdopodobnie z tego powodu nie został odkryty.

Pozostały składnik iterbii Marignaca również okazał się kompozytem. W 1907 roku francuski naukowiec Georges Urbain , austriacki mineralog baron Carl Auer von Welsbach i amerykański chemik Charles James niezależnie odkryli nowy pierwiastek w iterbii. Welsbach zaproponował nazwę cassiopeium dla swojego nowego pierwiastka (po Cassiopeia ), Urbain wybrał nazwę lutecium (z łac. Lutetia, dla Paryża). Spór o pierwszeństwo odkrycia dokumentują dwa artykuły, w których Urbain i von Welsbach oskarżają się nawzajem o publikowanie wyników, na które wpływ miały opublikowane badania drugiego. W 1909 r. Komisja Masy Atomowej, odpowiedzialna za nadanie nazw nowym pierwiastkom, przyznała Urbainowi pierwszeństwo i przyjęła jego nazwy jako oficjalne. Oczywistym problemem związanym z tą decyzją było to, że Urbain był jednym z czterech członków komisji. W 1949 r. zmieniono pisownię pierwiastka 71 na lutet. Późniejsze prace związane z próbami Urbaina dalszego podziału jego lutecu ujawniły jednak, że zawierał on jedynie śladowe ilości nowego pierwiastka 71 i że tylko cassiopeium Welsbacha było czystym pierwiastkiem 71. Z tego powodu wielu niemieckich naukowców nadal używało nazwy cassiopeium dla pierwiastka aż do lat pięćdziesiątych. Jak na ironię, Charles James, który skromnie trzymał się z dala od dyskusji o pierwszeństwo, pracował na znacznie większą skalę niż inni i niewątpliwie posiadał wówczas największy zapas lutetu. Lutet był ostatnim ze stabilnych pierwiastków ziem rzadkich, które zostały odkryte. Ponad sto lat badań podzieliło pierwotny itr Gadolina na itr, skand, lutet i siedem innych nowych pierwiastków.

Lawrencium to jedyny element grupy, który nie występuje naturalnie. Po raz pierwszy został zsyntetyzowany przez Albert Ghiorso i jego zespołu w dniu 14 lutego 1961 roku w Lawrence Radiation Laboratory (zwanej obecnie Lawrence Berkeley National Laboratory ) na University of California w Berkeley, Kalifornia , USA . Pierwsze atomy lawrenu zostały wyprodukowane przez bombardowanie trzymiligramowej tarczy składającej się z trzech izotopów pierwiastka kaliforn z jądrami boru -10 i boru-11 z Heavy Ion Linear Accelerator (HILAC). Nuklidu ²⁵⁷ 103 pierwotnie podano, ale wtedy to był przydzielony do ²⁵⁸ 103. Zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego zaproponował nazwę Lawrencium (po Ernest O. Lawrence , wynalazca cyklotronu akcelerator cząstek) oraz symbol „Lw” dla nowy element, ale „Lw” nie został przyjęty, a „Lr” został oficjalnie przyjęty. Naukowcy-Fizyki Jądrowej w Dubnej , ZSRR (obecnie Rosja ), poinformował, że w 1967 roku nie były one w stanie potwierdzić dane amerykańskich naukowców na ²⁵⁷ 103. Dwa lata wcześniej, zespół Dubna zgłaszane ²⁵⁶ 103. W 1992 roku IUPAC trans- Grupa Robocza fermu oficjalnie uznała pierwiastek 103, potwierdziła jego nazwę jako lawrencium, z symbolem „Lr”, i nazwała zespoły fizyki jądrowej w Dubnej i Berkeley współodkrywcami lawrencjum.

Spór o skład

Pierwiastki ziem rzadkich historycznie stwarzały wiele problemów dla układu okresowego pierwiastków. Wraz z pomiarami stanu podstawowego konfiguracji elektronowej fazy gazowej pierwiastków i przyjęciem ich jako podstawa do układania okresów pierwiastków, w latach czterdziestych na znaczeniu zyskała starsza forma grupy 3 zawierająca skand, itr, lantan i aktyn . Konfiguracje stanu podstawowego cezu , baru i lantanu to [Xe]6s ¹ , [Xe]6s ² i [Xe]5d ¹ 6s ² . W ten sposób lantan wyłania się z elektronem różnicującym 5d i na tej podstawie uznano go za „w grupie 3 jako pierwszego członka bloku d w okresie 6”. Powierzchownie spójny zestaw konfiguracji elektronowych zaobserwowano następnie w grupie 3: skand [Ar]3d ¹ 4s ² , itr [Kr]4d ¹ 5s ² , lantan [Xe]5d ¹ 6s ² i aktyn [Rn]6d ¹ 7s ² . Jeszcze w okresie 6 iterbowi błędnie przypisano konfigurację elektronową [Xe]4f ¹³ 5d ¹ 6s ² i lutetu [Xe]4f ¹⁴ 5d ¹ 6s ² , co sugerowało, że lutet był ostatnim elementem bloku f. Format ten powoduje zatem, że blok f wchodzi między i rozdziela grupy 3 i 4 bloku d.

Jednak późniejsze prace spektroskopowe wykazały, że poprawna konfiguracja elektronowa iterbu to w rzeczywistości [Xe]4f ¹⁴ 6s ² . Oznaczało to, że iterb i lutet — ten ostatni z [Xe]4f ¹⁴ 5d ¹ 6s ^{2 —} miały 14 elektronów f, „co dało d- zamiast f- różnicujące elektron” dla lutetu i czyniąc go „równie ważnym kandydata” z [Xe]5d ¹ 6s ² lantan, dla układu okresowego grupy 3 pozycja poniżej itru. Spowodowałoby to grupę 3 ze skandem, itrem, lutetem i lawrencjum. Pierwszymi, którzy wskazali na te implikacje, byli rosyjscy fizycy Lew Landau i Jewgienij Lifszitz w 1948 roku: w ich podręczniku Kurs fizyki teoretycznej stwierdzono: „W książkach o chemii lutet jest również umieszczany z pierwiastkami ziem rzadkich. Jest to jednak błędne, ponieważ skorupa 4f jest kompletna w lutecie." Po oświadczeniu Landaua i Lifshitza wielu fizyków również poparło zmianę w latach 60. i 70. XX wieku, koncentrując się na wielu właściwościach, takich jak struktura krystaliczna, temperatury topnienia, struktura pasma przewodnictwa i nadprzewodnictwo, w którym lutet odpowiada zachowaniu skandu i itru. ale lantan jest inny. Ta forma nie wymaga dzielenia bloków. (Niektórzy chemicy, tacy jak Alfred Werner, umieścili lantan w innej kolumnie niż skand i itr, ze względu na jego odmienne zachowanie chemiczne, jeszcze przed odkryciem lutetu). Czystyakow, który w 1968 r. zauważył, że okresowość wtórna była spełniona w grupie 3 tylko wtedy, gdy zawierał w niej lutet, a nie lantan. Jednak społeczność chemiczna w dużej mierze zignorowała te wnioski. Filozof nauki Eric Scerri sugeruje, że czynnikiem mogło być to, że kilku autorów, którzy zaproponowali tę zmianę, było fizykami.

Amerykański chemik William B. Jensen  [ de ] zebrał wiele z powyższych argumentów we wspólnym apelu do chemików z 1982 r. o zmianę ich tablic okresowych i umieszczenie lutetu i lawrencjum w grupie 3. Oprócz tych fizycznych i chemicznych argumentów, wskazał również, że konfiguracje lantanu i aktynu są lepiej uważane za nieregularne, podobne do tego, jak tor był już wtedy powszechnie traktowany. Tor nie ma elektronów f w stanie podstawowym (będącym [Rn]6d ² 7s ² ), ale był i jest powszechnie umieszczany jako element bloku f z nieregularną konfiguracją fazy gazowej stanu podstawowego zastępującego idealny [Rn]5f ² 7s ² . Lantan i aktyn można zatem uznać za podobne przypadki, w których idealną konfigurację f ¹ s ² zastępuje się konfiguracją ad ¹ s ² w stanie podstawowym. Ponieważ większość elementów f blokowych one w istocie f ^ń s ² konfiguracji i nie jest f ^n-1 d ¹ s ² konfiguracji, pierwsza jest wysoce zalecane jako ogólnej konfiguracji idealnej dla elementów f blokowe. Ta zmiana w podobny sposób tworzy homologiczną serię konfiguracji w grupie 3: w szczególności dodanie wypełnionej powłoki f do rdzenia przechodzącego z itru do lutetu jest dokładnie analogiczne do tego, co dzieje się w każdej innej grupie bloku d.

W każdym razie konfiguracje fazy gazowej stanu podstawowego uwzględniają tylko izolowane atomy w przeciwieństwie do atomów wiążących w związkach (te ostatnie są bardziej istotne dla chemii), które często wykazują różne konfiguracje. Za ideą nieregularnych konfiguracji przemawiają nisko położone stany wzbudzone: pomimo braku elektronu f w stanie podstawowym, lantan ma jednak orbitale f o wystarczająco niskiej energii, aby można je było wykorzystać w chemii, co wpływa na właściwości fizyczne który został przedstawiony jako dowód proponowanej zmiany przydziału. (Skand, itr i lutet nie mają tak nisko położonych dostępnych orbitali f). Nieregularna konfiguracja lawrencjum ([Rn]5f ¹⁴ 7s ² 7p ¹ zamiast [Rn] 5f ¹⁴ 6d ¹ 7s ² ) może być podobnie zracjonalizowana. jako kolejna (choć wyjątkowa) anomalia spowodowana efektami relatywistycznymi, które stają się ważne dla najcięższych elementów. Te nieregularne konfiguracje w elementach 4f są wynikiem silnego odpychania międzyelektronowego w zwartej powłoce 4f, w wyniku czego przy niskim ładunku jonowym uzyskuje się niższy stan energetyczny poprzez przeniesienie niektórych elektronów na orbitale 5d i 6s, które nie cierpią na tak duże odpychanie międzyelektroniczne, mimo że poziom energii 4f jest zwykle niższy niż 5d lub 6s: podobny efekt występuje na początku serii 5f.

W 1988 roku opublikowano raport IUPAC, który poruszył tę sprawę. Chociaż napisał, że konfiguracje elektronowe były na korzyść nowego przypisania grupy 3 z lutetem i lawrencjum, zamiast tego zdecydował się na kompromis, w którym dolne punkty w grupie 3 zostały pozostawione puste, ponieważ tradycyjna forma z lantanem i aktynem pozostała popularna. Można to interpretować albo jako kurczenie się grupy 3 do samego skandu i itru, albo jako uwzględnienie wszystkich lantanowców i aktynowców w grupie 3, ale w obu przypadkach blok f pojawia się z 15 pierwiastkami, mimo że mechanika kwantowa dyktuje, że powinien mieć 14. Taka tabela pojawia się w wielu publikacjach IUPAC; pomimo tego, że jest powszechnie określany jako „układ okresowy pierwiastków IUPAC”, nie jest oficjalnie obsługiwany przez IUPAC.

Ten kompromis nie zatrzymał debaty. Chociaż niektórzy chemicy byli przekonani argumentami za przeniesieniem lutetu do grupy 3, wielu nadal wykazywało lantan w grupie 3, albo dlatego, że nie znali argumentów, albo byli przez nie nieprzekonani. Większość badań na ten temat popierała proponowane przeniesienie lutetu do grupy 3. Jednak w podręcznikach do chemii tradycyjna forma nadal była najbardziej popularna aż do lat 2010-tych, chociaż stopniowo traciła część pola na rzecz zarówno nowej formy z lutetem, jak i formularz kompromisowy. Niektóre podręczniki nawet niekonsekwentnie pokazywały różne formy w różnych miejscach. Laurence Lavelle poszedł dalej, broniąc tradycyjnej formy z lantanem w grupie 3 na podstawie tego, że ani lantan, ani aktyn nie mają elektronów walencyjnych w stanie podstawowym, co wywołało gorącą debatę. Jensen później obalił to, wskazując na niespójność argumentów Lavelle'a (ponieważ to samo dotyczyło toru i lutetu, które Lavelle umieścił w bloku f) oraz dowody na nieregularne konfiguracje. Scerri, który szeroko publikował na ten temat, zauważył, że przypadek Jensena oparty na właściwościach fizycznych i chemicznych nie jest rozstrzygający ze względu na jego selektywność, wskazując na inne wybory właściwości, które wydają się wspierać lantan w grupie 3 zamiast lutetu. Niemniej jednak konsekwentnie popierał również lutet w grupie 3 na podstawie unikania rozszczepienia w bloku d, a także odniósł się do faktu, że konfiguracje elektronowe są przybliżeniami i problemem toru.

W grudniu 2015 r. powołano projekt IUPAC , któremu przewodniczył Scerri i obejmujący (między innymi) Jensena i Lavelle'a, aby wydać zalecenie w tej sprawie. Jego wstępny raport został opublikowany w styczniu 2021 r. Stwierdził, że żadne z kryteriów wcześniej przywołanych w debacie nie dało jednoznacznego rozwiązania problemu i że ostatecznie pytanie opierało się na konwencji, a nie na czymś, co jest obiektywnie rozstrzygalne z naukowego punktu widzenia. W związku z tym zasugerował „stopień konwencji”, który należy zastosować do „wyboru układu okresowego pierwiastków, który można przedstawić jako najlepszą tablicę kompromisową, która łączy czynniki obiektywne oraz zależność od zainteresowań”, do prezentacji „najszerszemu możliwemu gronu chemików”. , pedagodzy chemii i studenci chemii”. Podano trzy postulaty : (1) wszystkie elementy powinny być wyświetlane w kolejności rosnącej liczby atomowej, (2) blok d nie powinien być dzielony na „dwie bardzo nierówne części”, oraz (3) bloki powinny mieć szerokość 2 , 6, 10 i 14 zgodnie z podstawą mechaniki kwantowej układu okresowego. Przyznano, że przypisanie bloków jest przybliżone, podobnie jak przypisanie konfiguracji elektronów: szczególnie zauważono przypadek toru. Te trzy dezyderaty spełnia tylko stół z lutetem i lawrencjum w grupie 3; tradycyjna forma grupy 3 z lantanem narusza (2), a kompromisowa forma grupy 3 ze wszystkimi lantanowcami i aktynowcami narusza (3). W związku z tym jako kompromis zaproponowano formę z lutetem w grupie 3.

Charakterystyka

Chemiczny

Podobnie jak inne grupy, członkowie tej rodziny wykazują wzorce w swoich konfiguracjach elektronowych, zwłaszcza w zewnętrznych powłokach, co skutkuje trendami w zachowaniu chemicznym. Ze względu na efekty relatywistyczne, które stają się ważne dla wysokich liczb atomowych, konfiguracja Lawrenciuma ma nieregularne obłożenie 7p zamiast oczekiwanego 6d, ale regularna konfiguracja [Rn]5f ¹⁴ 6d ¹ 7s ² okazuje się mieć wystarczająco niską energię, że nie ma znaczącej różnicy od reszty grupy jest obserwowany lub oczekiwany.

Większość chemii zaobserwowano tylko dla pierwszych trzech członków grupy; chemiczne właściwości lawrenium nie są dobrze scharakteryzowane, ale to, co wiadomo i przewidywane, odpowiada jego pozycji jako cięższego homologu lutetu. Pozostałe pierwiastki z grupy (skand, itr, lutet) są dość elektrododatnie. Są to metale reaktywne, choć nie jest to oczywiste ze względu na tworzenie stabilnej warstwy tlenkowej, która uniemożliwia dalsze reakcje. Metale łatwo się palą, dając tlenki, które są białymi, wysokotopliwymi ciałami stałymi. Są one zwykle utlenione do stopnia utlenienia +3, w którym tworzą głównie związki jonowe i mają głównie kationową chemię wodną. W ten sposób są one podobne do lantanowców, chociaż brak im udziału orbitali f, które charakteryzują chemię pierwiastków 4f od lantanu do iterbu. Stabilne pierwiastki z grupy 3 są więc często zgrupowane z pierwiastkami 4f jako tak zwane pierwiastki ziem rzadkich .

Stereotypowe właściwości metali przejściowych są w większości nieobecne w tej grupie, tak jak w przypadku cięższych pierwiastków z grup 4 i 5: istnieje tylko jeden typowy stopień utlenienia, a chemia koordynacyjna nie jest zbyt bogata (chociaż wysokie liczby koordynacyjne są powszechne ze względu na duży rozmiar jonów M ³⁺ ). To powiedziawszy, można wytworzyć związki o niskim stanie utlenienia i znane są pewne reakcje chemiczne cyklopentadienylu . Chemia pierwiastków grupy 3 różni się więc przede wszystkim promieniami atomowymi: itr i lutet są bardzo podobne, ale skand wyróżnia się jako najmniej zasadowy i najlepiej kompleksujący czynnik, zbliżając się pod pewnymi właściwościami do glinu . Naturalnie zajmują swoje miejsce razem z pierwiastkami ziem rzadkich w szeregu pierwiastków trójwartościowych: itr działa jako pierwiastek ziem rzadkich pośredniczący między dysprozem a holmem w zasadowości; lutet jako mniej zasadowy niż pierwiastki 4f i najmniej zasadowy z lantanowców; a skand jako pierwiastek ziem rzadkich mniej zasadowy niż nawet lutet. Tlenek skandu jest amfoteryczny ; tlenek lutetu jest bardziej zasadowy (chociaż z trudem może wykazywać pewne właściwości kwasowe), a tlenek itru jest jeszcze bardziej zasadowy. Sole z mocnymi kwasami tych metali są rozpuszczalne, natomiast te z kwasami słabymi (np. fluorki, fosforany, szczawiany) są słabo rozpuszczalne lub nierozpuszczalne.

Fizyczny

Trendy w grupie 3 podążają za trendami innych wczesnych grup bloku d i odzwierciedlają dodanie wypełnionej powłoki f do rdzenia w przejściu od piątego do szóstego okresu. Na przykład skand i itr są metalami miękkimi. Ale z powodu skurczu lantanowców oczekiwany wzrost promienia atomu od itru do lutetu jest w rzeczywistości więcej niż zniesiony; Atomy lutetu są nieco mniejsze niż atomy itru, ale są cięższe i mają wyższy ładunek jądrowy. To sprawia, że ​​metal jest gęstszy, a także twardszy, ponieważ ekstrakcja elektronów z atomu w celu utworzenia wiązania metalicznego staje się trudniejsza. Wszystkie trzy metale mają podobne temperatury topnienia i wrzenia. Niewiele wiadomo o lawrencjum, ale obliczenia sugerują, że kontynuuje tendencję do zwiększania gęstości przez lżejsze kongenery.

Skand, itr i lutet krystalizują w heksagonalnej, gęsto upakowanej strukturze w temperaturze pokojowej i oczekuje się, że Lawrenciu zrobi to samo. Wiadomo, że stabilni członkowie grupy zmieniają strukturę w wysokiej temperaturze. W porównaniu z większością metali nie są one zbyt dobrymi przewodnikami ciepła i elektryczności ze względu na małą liczbę elektronów dostępnych do wiązania metalicznego.

Występowanie

Skand, itr i lutet zwykle występują razem z innymi lantanowcami (z wyjątkiem krótko żyjącego prometu ) w skorupie ziemskiej i często są trudniejsze do wydobycia z ich rud. Obfitość pierwiastków w skorupie ziemskiej dla grupy 3 jest bardzo niskiej wszystkie elementy grupy są rzadkie, najbardziej rozpowszechniona istota itru z abundancją około 30  części na milion (ppm); obfitość skandu wynosi 16 ppm, a lutetu około 0,5 ppm. Dla porównania, zawartość miedzi wynosi 50 ppm, chromu 160 ppm, a molibdenu 1,5 ppm.

Skand jest rozproszony rzadko i występuje w śladowych ilościach w wielu minerałach . Jedynymi znanymi skoncentrowanymi źródłami tego pierwiastka są rzadkie minerały ze Skandynawii i Madagaskaru, takie jak gadolinit , euksenit i tortweityt , który zawiera do 45% skandu w postaci tlenku skandu(III) . Itr ma ten sam trend w miejscach występowania; można go również znaleźć w próbkach skał księżycowych zebranych podczas amerykańskiego projektu Apollo w stosunkowo wysokiej zawartości.

Monazyt , najważniejsza ruda lutetu

Główną komercyjnie opłacalną rudą lutetu jest mineralny fosforan ziem rzadkich monacyt (Ce,La itp.)PO ₄ , który zawiera 0,003% tego pierwiastka. Główne obszary wydobywcze to Chiny , Stany Zjednoczone , Brazylia , Indie , Sri Lanka i Australia . Czysty metal lutet jest jednym z najrzadszych i najdroższych metali ziem rzadkich z ceną około 10 000 USD/kg, czyli około jednej czwartej ceny złota .

Produkcja

Najbardziej dostępnym pierwiastkiem w grupie 3 jest itr, którego roczna produkcja w 2010 roku wyniosła 8900  ton . Itr jest głównie produkowany jako tlenkowy przez jeden kraj, Chiny (99%). Lutet i skand są również pozyskiwane głównie w postaci tlenków, a ich roczna produkcja do 2001 r. wynosiła odpowiednio około 10 i 2 tony.

Pierwiastki z grupy 3 są wydobywane tylko jako produkt uboczny wydobycia innych pierwiastków. Nie są one często produkowane jako czyste metale; produkcja itru metalicznego wynosi około kilku ton, a skandu rzędu 10 kg rocznie; produkcja lutetu nie jest obliczana, ale z pewnością jest niewielka. Pierwiastki, po oczyszczeniu z innych metali ziem rzadkich, są izolowane jako tlenki; tlenki przekształcają się w fluorki podczas reakcji z kwasem fluorowodorowym. Powstałe fluorki zmniejszona z metalami ziem alkalicznych lub stopów metali; Najczęściej stosuje się wapń metaliczny . Na przykład:

Sc ₂ O ₃ + 3 HF → 2 ScF ₃ + 3 H ₂ O

2 ScF ₃ + 3 Ca → 3 CaF ₂ + 2 Sc

Chemia biologiczna

Metale z grupy 3 mają niską dostępność w biosferze. Skand, itr i lutet nie mają udokumentowanej roli biologicznej w organizmach żywych. Wysoka radioaktywność lawrenu uczyniłaby go wysoce toksycznym dla żywych komórek, powodując zatrucie popromienne.

Scandium koncentruje się w wątrobie i stanowi dla niej zagrożenie; niektóre z jego związków są prawdopodobnie rakotwórcze , chociaż ogólnie skand nie jest toksyczny. Wiadomo, że Scandium dotarł do łańcucha pokarmowego, ale tylko w śladowych ilościach; typowy człowiek przyjmuje mniej niż 0,1 mikrograma dziennie. Po uwolnieniu do środowiska skand stopniowo gromadzi się w glebie, co prowadzi do zwiększonego stężenia w cząstkach gleby, zwierząt i ludzi. Skand jest najbardziej niebezpieczny w środowisku pracy, ponieważ wilgoć i gazy mogą być wdychane z powietrzem. Może to powodować zatorowość płuc, zwłaszcza podczas długotrwałej ekspozycji. Wiadomo, że pierwiastek uszkadza błony komórkowe zwierząt wodnych, powodując szereg negatywnych wpływów na reprodukcję i funkcje układu nerwowego.

Itr ma tendencję do koncentracji w wątrobie, nerkach, śledzionie, płucach i kościach ludzi. Zwykle w całym ludzkim ciele znajduje się zaledwie 0,5 miligrama; ludzkiego mleka z piersi zawiera 4 ppm. Itr można znaleźć w roślinach jadalnych w stężeniach od 20 ppm do 100 ppm (masa świeża), przy czym największą ilość ma kapusta . Najwyższe znane stężenia mają nasiona roślin drzewiastych, do 700 ppm.

Lutet koncentruje się w kościach, w mniejszym stopniu w wątrobie i nerkach. Wiadomo, że sole lutetu powodują metabolizm i występują w naturze razem z innymi solami lantanowców; pierwiastek ten jest najmniej licznie obecny w ludzkim ciele ze wszystkich lantanowców. Dieta ludzi nie była monitorowana pod kątem zawartości lutetu, więc nie wiadomo, ile przyjmuje przeciętny człowiek, ale szacunki pokazują, że ilość ta wynosi tylko około kilku mikrogramów rocznie, a wszystkie pochodzą z niewielkich ilości pobieranych przez rośliny. Rozpuszczalne sole lutetu są umiarkowanie toksyczne, ale nierozpuszczalne nie.

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

• Emsley, John (2001). Elementy budulcowe natury: przewodnik AZ po żywiołach . USA: Oxford University Press. Numer ISBN 0-19-850341-5.
• Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chemia pierwiastków (wyd. 2). Butterwortha-Heinemanna . Numer ISBN 978-0-08-037941-8.