Prvek skupiny 3 - Group 3 element

Skupina 3 v periodické tabulce
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
Číslo skupiny IUPAC 3
Název podle prvku skandiová skupina
Číslo skupiny CAS
(USA, vzor ABA)
IIIB
staré číslo IUPAC
(Evropa, vzor AB)
IIIA

↓  Období
4
Obrázek: Krystaly skandia
Scandium (Sc)
21 Přechodový kov
5
Obrázek: Krystaly ytria
Yttrium (Y)
39 Přechodový kov
6
Obrázek: Krystaly lutecia
Lutetium (Lu)
71 lanthanid
7 Lawrencium (Lr)
103 aktinid

Legenda

prvotní prvek
syntetický prvek
Barva atomového čísla:
černý = pevný

Skupina 3 je první skupinou přechodných kovů v periodické tabulce. Tato skupina je úzce spjata s prvky vzácných zemin . Ačkoli existuje určitá kontroverze ohledně složení a umístění této skupiny, mezi těmi, kteří tuto záležitost studují, je obecně dohodnuto, že tato skupina obsahuje čtyři prvky skandium (Sc), yttrium (Y), lutetium (Lu) a lawrencium (Lr) . Tato skupina se také nazývá skupina skandia nebo rodina skandia podle svého nejlehčího člena.

Chemie prvků skupiny 3 je typická pro rané přechodové kovy: všechny mají v zásadě pouze skupinový oxidační stav +3 jako hlavní a stejně jako předchozí kovy hlavní skupiny jsou poměrně elektropozitivní a mají méně bohatou koordinační chemii. Vzhledem k účinkům kontrakce lanthanidu jsou yttrium a lutetium vlastnostmi velmi podobné. Yttrium a lutetium mají v podstatě chemii těžkých lanthanoidů, ale skandium vykazuje díky své malé velikosti několik rozdílů. Jedná se o podobný vzorec jako u raných skupin přechodných kovů, kde nejlehčí prvek je odlišný od velmi podobných následujících dvou.

Všechny prvky skupiny 3 jsou poměrně měkké, stříbřitě bílé kovy, i když jejich tvrdost roste s atomovým číslem. Rychle zakalují na vzduchu a reagují s vodou, ačkoli jejich reaktivita je maskována tvorbou vrstvy oxidu. První tři z nich se vyskytují přirozeně a zejména yttrium a lutetium jsou díky podobné chemii téměř vždy spojeny s lanthanoidy . Lawrencium je silně radioaktivní : nevyskytuje se přirozeně a musí být vyráběno umělou syntézou, ale jeho pozorované a teoreticky predikované vlastnosti jsou v souladu s tím, že je těžším homologem lutetia. Žádný z nich nemá žádnou biologickou roli.

Historicky bylo někdy do skupiny místo lutetia a lawrencium zařazeno lanthan (La) a aktinium (Ac) a tato možnost se stále běžně vyskytuje v učebnicích. Byly navrženy a použity některé kompromisy mezi těmito dvěma hlavními možnostmi, zahrnující buď zmenšení skupiny pouze na skandium a yttrium, nebo také zahrnutí všech 30 lanthanoidů a aktinidů do skupiny.

Dějiny

Objevy živlů

Objev prvků skupiny 3 je neoddělitelně spjat s objevem vzácných zemin , se kterými jsou v přírodě univerzálně spojeni. V roce 1787 našel švédský chemik na částečný úvazek Carl Axel Arrhenius těžkou černou skálu poblíž švédské vesnice Ytterby ve Švédsku (součást stockholmského souostroví ). V domnění, že se jedná o neznámý minerál obsahující nově objevený prvek wolfram , jej pojmenoval ytterbite . Finský vědec Johan Gadolin identifikoval v Arrheniově vzorku v roce 1789 nový oxid nebo „ zemi “ a svou dokončenou analýzu publikoval v roce 1794; v roce 1797 byl nový oxid pojmenován yttria . V desetiletích poté, co francouzský vědec Antoine Lavoisier vyvinul první moderní definici chemických prvků , se věřilo, že Země lze redukovat na své prvky, což znamená, že objev nové Země je ekvivalentní objevu prvku uvnitř, který v tomto případ by byl yttrium . Až do počátku 20. let minulého století byl pro prvek používán chemický symbol „Yt“, poté se „Y“ začalo běžně používat. Yttrium kovu, i když nečistou, byl poprvé připraven v roce 1828, kdy Friedrich Wöhler zahřívá bezvodý chlorid yttritý (III) s draslíkem tvoří kovový yttritý a chlorid draselný . Gadolinova yttria se ve skutečnosti ukázala být směsicí mnoha oxidů kovů, které začaly historii objevu vzácných zemin.

V roce 1869 ruský chemik Dmitrij Mendělejev publikoval svou periodickou tabulku, která měla prázdné místo pro prvek nad yttriem. Mendělejev učinil několik předpovědí na tento hypotetický prvek, který nazval eka-bór . Do té doby byla Gadolinova yttria již několikrát rozdělena; První švédský chemik Carl Gustaf Mosander , který v roce 1843 se rozdělila z dalších dvou zemin, které nazval terbia a Erbia (štípání název Ytterby stejně jako tomu bylo yttria dělené); a poté v roce 1878, když švýcarský chemik Jean Charles Galissard de Marignac rozdělil terbia a erbia na více zemí. Mezi nimi byla ytterbia (součást staré erbie), kterou švédský chemik Lars Fredrik Nilson úspěšně rozdělil v roce 1879, aby odhalil další nový prvek. Pojmenoval ho skandium, z latinského Scandia znamená „Skandinávie“. Nilson zjevně nevěděl o Mendělejevově předpovědi, ale Per Teodor Cleve uznal korespondenci a oznámil Mendělejevovi. Chemické experimenty na skandiu prokázaly, že Mendělejevovy návrhy byly správné; spolu s objevem a charakterizací galia a germania to prokázalo správnost celé periodické tabulky a periodického zákona . Kovový skandium byl vyroben poprvé v roce 1937 elektrolýzou části eutektické směsi, při teplotě 700-800 ° C, z draslíku , lithia , a skandium chloridy . Skandium existuje ve stejných rudách, ze kterých bylo objeveno yttrium, ale je mnohem vzácnější a pravděpodobně proto uniklo objevu.

Zbývající složka Marignacovy ytterbie se také ukázala jako kompozitní. V roce 1907 francouzský vědec Georges Urbain , rakouský mineralog baron Carl Auer von Welsbach a americký chemik Charles James nezávisle objevili nový prvek v ytterbii. Welsbach navrhl pro svůj nový prvek (po Cassiopeii ) název cassiopeium , zatímco Urbain zvolil název lutecium (z latinského Lutetia, pro Paříž). Spor o prioritu objevu je dokumentován ve dvou článcích, ve kterých se Urbain a von Welsbach navzájem obviňují z publikování výsledků ovlivněných publikovaným výzkumem toho druhého. V roce 1909 Komise pro atomovou mši, která byla zodpovědná za přidělení jmen pro nové prvky, udělila přednost Urbainovi a přijala jeho jména jako oficiální. Zjevným problémem tohoto rozhodnutí bylo, že Urbain byl jedním ze čtyř členů komise. V roce 1949 byl pravopis prvku 71 změněn na lutetium. Pozdější práce spojené s Urbainovými pokusy o další rozdělení jeho lutecia však ukázaly, že obsahoval pouze stopy nového prvku 71 a že pouze Welsbachovo kasiopeium bylo čistým prvkem 71. Z tohoto důvodu mnoho německých vědců nadále používalo název cassiopeium pro živel až do 50. let minulého století. Je ironií, že Charles James, který se skromně vyhýbal argumentům o prioritě, pracoval v mnohem větším měřítku než ostatní a nepochybně měl v té době největší zásobu lutetia. Lutetium bylo poslední ze stabilních vzácných zemin, které byly objeveny. Více než století výzkumu rozdělovalo původní yadrium Gadolinu na yttrium, skandium, lutetium a sedm dalších nových prvků.

Lawrencium je jediným prvkem skupiny, který se přirozeně nevyskytuje. Poprvé jej syntetizoval Albert Ghiorso a jeho tým 14. února 1961 v laboratoři Lawrence Radiation Laboratory (nyní nazývané Národní laboratoř Lawrence Berkeley ) na Kalifornské univerzitě v Berkeley, Kalifornie , Spojené státy americké . První atomy lawrencium byly vytvořeny bombardováním třímiligramového cíle sestávajícího ze tří izotopů prvku californium s jádry boru -10 a boru-11 z Heavy Ion Linear Accelerator (HILAC). Radionuklid 257 103 bylo původně oznámeno, ale pak byl převelen do 258 103. týmu na University of California navrhl název lawrencium (po Ernest O. Lawrence , vynálezce cyklotron urychlovače částic) a symbol „Lw“, za nový prvek, ale „Lw“ nebyl přijat a místo něj byl oficiálně přijat „Lr“. Vědci z jaderné fyziky v Dubně v Sovětském svazu (nyní Rusko ) oznámili v roce 1967, že nebyli schopni potvrdit data amerických vědců na 257 103. O dva roky dříve tým Dubna hlásil 256 103. V roce 1992 IUPAC Trans- fermium Working Group oficiálně uznala prvek 103, potvrdila jeho pojmenování jako lawrencium se symbolem „Lr“ a pojmenovala týmy jaderné fyziky v Dubně a Berkeley jako spoluobjevitele lawrencium.

Spor o složení

Sc, Y, La, Ac
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson

Prvky vzácných zemin historicky způsobovaly periodické tabulce mnoho problémů. S měřením základních stavů elektronových konfigurací prvků v plynné fázi a jejich přijetím jako základu pro umístění periodické tabulky se ve 40. letech 20. století proslavila starší forma skupiny 3 obsahující skandium, yttrium, lanthan a aktinium . Základní konfigurace cesia , barya a lanthanu jsou [Xe] 6s 1 , [Xe] 6s 2 a [Xe] 5d 1 6s 2 . Lanthan tedy vzniká s 5d diferenciačním elektronem a z těchto důvodů byl považován za „ve skupině 3 jako první člen d-bloku pro období 6“. Povrchově konzistentní soubor elektronových konfigurací byl poté pozorován ve skupině 3: skandium [Ar] 3d 1 4s 2 , yttrium [Kr] 4d 1 5s 2 , lanthan [Xe] 5d 1 6s 2 a aktinium [Rn] 6d 1 7s 2 . Ještě v období 6 byla ytterbiu chybně přiřazena elektronová konfigurace [Xe] 4f 13 5d 1 6s 2 a lutetium [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2 , což naznačovalo, že lutetium je posledním prvkem f-bloku. Tento formát tedy vede k tomu, že f-blok přichází mezi a rozděluje skupiny 3 a 4 d-bloku.

Sc, Y, Lu, Lr
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson

Pozdější spektroskopická práce však zjistila, že správná elektronová konfigurace yterbia byla ve skutečnosti [Xe] 4f 14 6s 2 . To znamenalo, že ytterbium a lutetium- to druhé s [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2- oba měly 14 f-elektronů, „což mělo za následek d- spíše než f- rozlišující elektron“ pro lutetium a stalo se tak „stejně platným“ kandidát "s [Xe] 5d 1 6s 2 lanthanem, pro pozici periodické tabulky skupiny 3 pod yttriem. Výsledkem by byla skupina 3 se skandiem, yttriem, lutetiem a lawrenciem. První, kdo na tyto důsledky upozornil, byli ruští fyzici Lev Landau a Evgeny Lifshitz v roce 1948: jejich učebnice Kurz teoretické fyziky uvedla: „V knihách o chemii je lutetium umístěno také s prvky vzácných zemin. To je však nesprávné, protože 4f shell je kompletní v lutetiu. " Poté, co Landau a Lifshitz učinili své prohlášení, mnoho fyziků rovněž podpořilo změnu v šedesátých a sedmdesátých letech minulého století a zaměřilo se na mnoho vlastností, jako je krystalová struktura, body tání, struktura vodivých pásů a supravodivost, ve které lutetium odpovídá chování skandia a yttria, ale lanthan je zřetelný. Tento formulář nevyžaduje žádné rozdělené bloky. (Někteří chemici, jako například Alfred Werner , umístili lanthan do jiného sloupce než skandium a yttrium, kvůli jeho výraznému chemickému chování, ještě před objevením lutetia.) Někteří chemici k tomuto závěru dospěli také jinými prostředky, například sovětským chemikem Chistyakov, který v roce 1968 poznamenal, že sekundární periodicita byla splněna ve skupině 3 pouze tehdy, pokud do ní bylo zahrnuto spíše lutetium než lanthan. Chemická komunita však tyto závěry do značné míry ignorovala. Filozof vědy Eric Scerri naznačuje, že faktorem mohlo být, že několik autorů, kteří tuto změnu navrhli, byli fyzici.

Americký chemik William B. Jensen  [ de ] shromáždil mnoho z výše uvedených argumentů ve vzájemné 1982 prosbou k lékárnám, aby změnily své pravidelné tabulky a dát lutecium a lawrencium ve skupině 3. Kromě těchto fyzikálních a chemických argumentů, on také poukázal na to, že konfigurace lanthanu a aktinia jsou lépe považovány za nepravidelné, podobné tomu, jak bylo thorium již tehdy všeobecně ošetřováno. Thorium nemá ve svém základním stavu žádné f-elektrony (bytí [Rn] 6d 2 7s 2 ), ale bylo a je univerzálně umístěno jako prvek f-bloku s nepravidelnou konfigurací zemní fáze v plynné fázi nahrazující ideální [Rn] 5f 2 7 s 2 . Lanthan a aktinium by pak mohly být považovány za podobné případy, kdy je ideální konfigurace f 1 s 2 nahrazena konfigurací ad 1 s 2 v základním stavu. Protože většina prvků f-bloku má ve skutečnosti konfiguraci f n s 2 , a nikoli konfiguraci f n − 1 d 1 s 2 , první z nich je silně doporučována jako ideální obecná konfigurace pro prvky f-bloku. Toto přeřazení podobně vytváří homologní řadu konfigurací ve skupině 3: zejména přidání naplněné f-skořepiny do jádra procházejícího z yttria do lutetia je přesně analogické tomu, co se děje v každé jiné skupině d-bloků.

V každém případě konfigurace v plynné fázi v základním stavu berou v úvahu pouze izolované atomy, na rozdíl od vazebných atomů ve sloučeninách (které jsou pro chemii relevantnější), které často vykazují různé konfigurace. Myšlenka nepravidelných konfigurací je podporována nízko ležícími excitovanými stavy: navzdory tomu, že nemá ve svém základním stavu f-elektron, lanthan má přesto f-orbitaly dostatečně nízké energie, které mohou být použity pro chemii, a to ovlivňuje fyzikální vlastnosti které byly předloženy jako důkaz navrhovaného přeřazení. (Scandium, yttrium a lutetium nemají žádné takové nízko položené dostupné f-orbitaly.) Nepravidelná konfigurace lawrencium ([[Rn] 5f 14 7s 2 7p 1 spíše než [Rn] 5f 14 6d 1 7s 2 ) může být podobně racionalizována jako další (i když jedinečnou) anomálii kvůli relativistickým efektům, které se stávají důležitými pro nejtěžší prvky. Tyto nepravidelné konfigurace v prvcích 4f jsou výsledkem silného interelektronického odpuzování v kompaktním obalu 4f, což má za následek, že když je iontový náboj nízký, pohybem některých elektronů na orbitaly 5d a 6s, které nejsou trpí tak velkým interelektronickým odpuzováním, přestože energetická hladina 4f je normálně nižší než 5d nebo 6s: k podobnému efektu dochází na začátku série 5f.

Sc, Y
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson

V roce 1988 byla zveřejněna zpráva IUPAC, která se této záležitosti dotkla. Zatímco to psalo, že elektronové konfigurace byly pro nové přiřazení skupiny 3 s lutetiem a zákonem, místo toho se rozhodlo pro kompromis, kde spodní místa ve skupině 3 místo toho zůstaly prázdné, protože tradiční forma s lanthanem a aktiniem zůstala populární. To by mohlo být interpretováno buď jako zmenšující se skupina 3 pouze na skandium a yttrium, nebo jako zahrnující všechny lanthanoidy a aktinidy ve skupině 3, ale v obou případech se objeví f-blok s 15 prvky, přestože kvantová mechanika diktuje, že by měla mít 14. Taková tabulka se objevuje v mnoha publikacích IUPAC; přestože je běžně označován „periodickou tabulkou IUPAC“, není ve skutečnosti oficiálně podporován IUPAC.

Sc, Y, Ln (15), An (15)
Vodík Hélium
Lithium Beryllium Boron Uhlík Dusík Kyslík Fluor Neon
Sodík Hořčík Hliník Křemík Fosfor Síra Chlór Argon
Draslík Vápník Skandium Titan Vanadium Chrom Mangan Žehlička Kobalt Nikl Měď Zinek Gallium Germanium Arsen Selen Bróm Krypton
Rubidium Stroncium Yttrium Zirkonium Niob Molybden Technecium Ruthenium Rhodium Palladium stříbrný Kadmium Indium Cín Antimon Tellurium Jód Xenon
Cesium Baryum Lanthan Cerium Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platina Zlato Merkur (prvek) Thallium Vést Vizmut Polonium Astat Radon
Francium Rádium Actinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Kalifornie Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Draslík Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson

Tento kompromis diskusi nezastavil. Ačkoli někteří chemici byli přesvědčeni argumenty, aby přeřadili lutetium do skupiny 3, mnozí nadále ukazovali lanthan ve skupině 3, buď proto, že o argumentech nevěděli, nebo jimi nebyli přesvědčeni. Většina výzkumů na toto téma měla tendenci podporovat navrhované přeřazení lutetia do skupiny 3. V učebnicích chemie však byla tradiční forma až do roku 2010 stále nejpopulárnější, i když postupně ztratila určité základy jak pro novou formu s lutetiem, tak pro kompromisní forma. Některé učebnice dokonce nekonzistentně ukazovaly různé formy na různých místech. Laurence Lavelle šel dále a bránil tradiční formu s lanthanem ve skupině 3 na základě ani lanthanu, ani aktinia s valenčním f-elektrony v základním stavu, což vyvolalo bouřlivou debatu. Jensen to později vyvrátil poukazem na nesourodost Lavellových argumentů (protože totéž platilo pro thorium a lutetium, které Lavelle umístil do f-bloku) a důkazy pro nepravidelné konfigurace. Scerri, který o tomto problému široce publikoval, poznamenal, že Jensenův případ založený na fyzikálních a chemických vlastnostech není přesvědčivý kvůli své selektivitě, což ukazuje na další možnosti vlastností, které zřejmě podporují lanthan ve skupině 3 místo lutetia. Nicméně, on také důsledně podporoval lutetium ve skupině 3 na základě vyhýbání se rozdělení v d-bloku a také odkazoval na skutečnost, že konfigurace elektronů jsou aproximace a problém thoria.

V prosinci 2015 byl zřízen projekt IUPAC , kterému předsedá Scerri a zahrnuje (mimo jiné) Jensena a Lavelleho, aby vydal doporučení k této záležitosti. Jeho předběžná zpráva byla zveřejněna v lednu 2021. Dospěl k závěru, že žádné z kritérií dříve použitých v diskusi neposkytuje jednoznačné vyřešení otázky a že otázka nakonec spočívá spíše na konvenci než na něčem, co je objektivně vědecky rozhodnutelné. Jako takový navrhl „určitý stupeň konvence“, který má být použit pro „výběr periodické tabulky, která může být prezentována jako nejlepší kompromisní tabulka, která kombinuje objektivní faktory i závislost na zájmu“, pro prezentaci „nejširšímu možnému publiku chemiků“ , pedagogové chemie a studenti chemie “. Byly dány tři desiderata : (1) všechny prvky by měly být zobrazeny v pořadí s rostoucím atomovým číslem, (2) d-blok by neměl být rozdělen na „dvě velmi nerovnoměrné části“ a (3) bloky by měly mít šířky 2 , 6, 10 a 14 v souladu s kvantově mechanickým základem periodické tabulky. Blokové přiřazení bylo připuštěno jako přibližné, stejně jako přiřazení elektronových konfigurací: konkrétně byl zdůrazněn případ thoria. Tyto tři desiderata splňuje pouze tabulka s lutetiem a lawrencium ve skupině 3; tradiční forma skupiny 3 s lanthanem porušuje (2) a kompromisní forma skupiny 3 se všemi lanthanoidy a aktinidy porušuje (3). Jako taková byla forma s lutetiem ve skupině 3 navržena jako kompromis.

Charakteristika

Chemikálie

Elektronové konfigurace prvků skupiny 3
Z Živel Konfigurace elektronů
21 Sc, skandium 2, 8, 9, 2 [Ar]      3d 1 4s 2
39 Y, yttrium 2, 8, 18, 9, 2 [Kr]      4d 1 5s 2
71 Lu, lutetium 2, 8, 18, 32, 9, 2 [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2
103 Lr, lawrencium 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 [Rn] 5f 14 6d 0 7s 2 7p 1

Stejně jako ostatní skupiny, členové této rodiny vykazují vzory ve svých elektronových konfiguracích, zejména v nejvzdálenějších obalech, což vede k trendům v chemickém chování. Kvůli relativistickým efektům, které se stávají důležitými pro vysoká atomová čísla, má konfigurace lawrencium místo očekávaného 6d obsazení nepravidelného 7p, ale pravidelná konfigurace [Rn] 5f 14 6d 1 7s 2 je dostatečně nízká v energii, takže žádný významný rozdíl od zbytku skupiny je pozorován nebo očekáván.

Většina chemie byla pozorována pouze u prvních tří členů skupiny; chemické vlastnosti lawrencium nejsou dobře charakterizovány, ale to, co je známo a předpovídáno, odpovídá jeho pozici těžšího homologu lutetia. Zbývající prvky skupiny (skandium, yttrium, lutetium) jsou poměrně elektropozitivní. Jsou to reaktivní kovy, i když to není zřejmé z důvodu vytvoření stabilní oxidové vrstvy, která brání dalším reakcím. Kovy snadno hoří za vzniku oxidů, což jsou bílé pevné látky s vysokou teplotou tání. Obvykle jsou oxidovány na oxidační stav +3, ve kterém tvoří převážně iontové sloučeniny a mají převážně kationtovou vodnou chemii. Tímto způsobem jsou podobné lanthanoidům, ačkoli jim chybí zapojení orbitálů, které charakterizují chemii prvků 4f lanthan přes ytterbium. Stabilní prvky skupiny 3 jsou tak často seskupeny s prvky 4f jako takzvané vzácné zeminy .

Stereotypní vlastnosti přechodových kovů v této skupině většinou chybí, protože platí pro těžší prvky skupin 4 a 5: existuje pouze jeden typický oxidační stav a koordinační chemie není příliš bohatá (ačkoli vysoká koordinační čísla jsou běžná kvůli velká velikost iontů M 3+ ). To znamená, že mohou být připraveny sloučeniny s nízkým oxidačním stavem a je známa určitá chemie cyklopentadienylu . Chemie prvků skupiny 3 se tedy většinou rozlišuje podle jejich atomových poloměrů: yttrium a lutetium jsou si velmi podobné, ale skandium vyniká jako nejméně zásadité a nejlépe komplexotvorné činidlo, v některých vlastnostech se blíží hliníku . Přirozeně zaujímají svá místa společně se vzácnými zeminami v sérii trojmocných prvků: yttrium působí jako zásaditost mezi vzácnými zeminami mezi dysprosiem a holmiem ; lutetium jako méně zásadité než prvky 4f a nejméně zásadité z lanthanoidů; a skandium jako vzácná země méně zásadité než dokonce lutetium. Oxid skandia je amfoterní ; lutetiumoxid je zásaditější (i když jej lze obtížně vyrobit tak, aby vykazoval některé kyselé vlastnosti), a oxid yttritý je ještě zásaditější. Soli se silnými kyselinami těchto kovů jsou rozpustné, zatímco soli se slabými kyselinami (např. Fluoridy, fosfáty, oxaláty) jsou málo rozpustné nebo nerozpustné.

Fyzický

Trendy ve skupině 3 sledují trendy ostatních raných skupin d-bloků a odrážejí přidání naplněné f-skořápky do jádra v období od pátého do šestého období. Například skandium a yttrium jsou oba měkké kovy. Ale kvůli kontrakci lanthanoidů je očekávané zvýšení atomového poloměru od yttria k lutetiu ve skutečnosti více než zrušeno; Atomy lutetia jsou o něco menší než atomy yttria, ale jsou těžší a mají vyšší jaderný náboj. Díky tomu je kov hustší a také těžší, protože extrakce elektronů z atomu za vzniku kovového spojení se stává obtížnějším. Všechny tři kovy mají podobné teploty tání a varu. O lawrenciu je známo velmi málo, ale výpočty naznačují, že pokračuje v trendu jeho lehčích kongenerů směrem ke zvyšování hustoty.

Skandium, yttrium a lutetium krystalizují v hexagonální uzavřené struktuře při pokojové teplotě a očekává se, že to samé udělá zákon. O stabilních členech skupiny je známo, že při vysoké teplotě mění strukturu. Ve srovnání s většinou kovů nejsou velmi dobrými vodiči tepla a elektřiny kvůli nízkému počtu elektronů dostupných pro kovové vazby.

Vlastnosti prvků skupiny 3
název Sc, skandium Y, yttrium Lu, lutetium Lr, lawrencium
Bod tání 1814 K, 1541 ° C 1799 K, 1526 ° C 1925 K, 1652 ° C 1900 K, 1627 ° C
Bod varu 3109 K, 2836 ° C 3609 K, 3336 ° C 3675 K, 3402 ° C ?
Hustota 2,99 g · cm −3 4,47 g · cm −3 9,84 g · cm −3 ? 14,4 g · cm −3
Vzhled stříbrná metalíza stříbrná bílá stříbrná šedá ?
Atomový poloměr 162 hod 180 hod 174 hod ?

Výskyt

Skandium, yttrium a lutetium se obvykle vyskytují společně s ostatními lanthanoidy (kromě promethia s krátkým poločasem rozpadu ) v zemské kůře a je často těžší je získat z jejich rud. Hojnost prvků v zemské kůře pro skupiny 3, je poměrně nízká, všechny prvky ve skupině jsou neobvyklé, nejhojnější bytost yttria s výskytem přibližně 30  dílů na milion (ppm); množství skandia je 16 ppm, zatímco lutetium je asi 0,5 ppm. Pro srovnání je množství mědi 50 ppm, chromu 160 ppm a molybdenu 1,5 ppm.

Skandium je distribuováno řídce a vyskytuje se ve stopových množstvích v mnoha minerálech . Vzácné minerály ze Skandinávie a Madagaskaru, jako je gadolinit , euxenit a thortveitit, jsou jediným známým koncentrovaným zdrojem tohoto prvku, který obsahuje až 45% skandia ve formě oxidu skandia (III) . Yttrium má stejný trend v místech výskytu; v relativně vysokém obsahu se nachází také ve vzorcích měsíčních hornin shromážděných během amerického projektu Apollo .

Kus žlutošedé skály
Monazit , nejdůležitější lutetiová ruda

Hlavní komerčně životaschopnou rudou lutetia je minerál monazit fosfátu vzácných zemin (Ce, La atd.) PO 4 , který obsahuje 0,003% prvku. Hlavními těžebními oblastmi jsou Čína , Spojené státy , Brazílie , Indie , Srí Lanka a Austrálie . Čistý lutetiový kov je jedním z nejvzácnějších a nejdražších kovů vzácných zemin s cenou asi 10 000 USD/kg, což je zhruba jedna čtvrtina zlata .

Výroba

Nejdostupnějším prvkem ve skupině 3 je yttrium s roční produkcí 8900  tun v roce 2010. Yttrium vyrábí převážně jako oxid jediná země, Čína (99%). Lutecium a skandium se také většinou získávají jako oxidy a jejich roční produkce do roku 2001 činila asi 10, respektive 2 tuny.

Prvky skupiny 3 se těží pouze jako vedlejší produkt při těžbě ostatních prvků. Nejsou často vyráběny jako čisté kovy; produkce kovového yttria je asi několik tun a produkce skandia je řádově 10 kg za rok; produkce lutetia se nepočítá, ale je určitě malá. Prvky, po čištění z jiných kovů vzácných zemin, jsou izolovány jako oxidy; při reakcích s kyselinou fluorovodíkovou se oxidy převádějí na fluoridy. Výsledné fluoridy jsou sníženy s kovy alkalických zemin nebo slitin kovů; nejčastěji se používá kovový vápník . Například:

Sc 2 O 3 + 3 HF → 2 ScF 3 + 3 H 2 O
2 ScF 3 + 3 Ca → 3 CaF 2 + 2 Sc

Biologická chemie

Kovy skupiny 3 mají nízkou dostupnost pro biosféru. Skandium, yttrium a lutetium nemají doloženou biologickou roli v živých organismech. Vysoká radioaktivita lawrencium by ji učinila vysoce toxickou pro živé buňky, což by způsobilo otravu radiací.

Skandium se koncentruje v játrech a je pro něj hrozbou; některé jeho sloučeniny jsou možná karcinogenní , i když skandium obecně není toxické. Je známo, že skandium se dostalo do potravinového řetězce, ale pouze ve stopovém množství; typický člověk přijme méně než 0,1 mikrogramu denně. Jakmile se skandium uvolní do životního prostředí, postupně se hromadí v půdě, což vede ke zvýšeným koncentracím v půdních částicích, zvířatech a lidech. Skandium je v pracovním prostředí většinou nebezpečné, protože vzduchem lze vdechovat tlumiče a plyny. To může způsobit plicní embolie, zejména při dlouhodobé expozici. Je známo, že tento prvek poškozuje buněčné membrány vodních živočichů, což způsobuje několik negativních vlivů na reprodukci a na funkce nervového systému.

Yttrium má tendenci se soustředit v játrech, ledvinách, slezině, plicích a kostech lidí. V celém lidském těle se normálně nachází jen 0,5 miligramu; lidské mateřské mléko obsahuje 4 ppm. Yttrium lze nalézt v jedlých rostlinách v koncentracích mezi 20 ppm a 100 ppm (čerstvá hmotnost), přičemž největší množství má zelí . S až 700 ppm mají semena dřevin nejvyšší známé koncentrace.

Lutetium se koncentruje v kostech a v menší míře v játrech a ledvinách. Je známo, že soli lutecia způsobují metabolismus a vyskytují se společně s jinými solemi lanthanidů v přírodě; prvek je v lidském těle nejméně hojný ze všech lanthanoidů. Lidská strava nebyla sledována na obsah lutetia, takže není známo, kolik průměrný člověk přijme, ale odhady ukazují, že množství je jen asi několik mikrogramů za rok, vše pochází z malých množství odebraných rostlinami. Rozpustné lutetiové soli jsou mírně toxické, ale nerozpustné ne.

Poznámky

Reference

Bibliografie