Element der Gruppe 4 – Wikipedia

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Gruppe 4 ist eine Gruppe von Elementen im Periodensystem. Es enthält die Elemente Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) und Rutherfordium (Rf). Diese Gruppe liegt im d-Block des Periodensystems. Die Gruppe selbst hat keinen trivialen Namen erhalten; es gehört zur breiteren Gruppierung der Übergangsmetalle.

Die drei natürlich vorkommenden Elemente der Gruppe 4 sind Titan, Zirkonium und Hafnium. Die ersten drei Mitglieder der Gruppe haben ähnliche Eigenschaften. Alle drei sind unter Standardbedingungen feuerfeste Hartmetalle. Das vierte Element Rutherfordium (Rf) wurde jedoch im Labor synthetisiert; Keines seiner Isotope kommt in der Natur vor. Alle Isotope von Rutherfordium sind radioaktiv. Bisher wurden keine Experimente mit einem Supercollider durchgeführt, um das nächste Mitglied der Gruppe zu synthetisieren, entweder Unpenthexium (Uph, Element 156) oder Unpentoctium (Upo, Element 158), und es ist unwahrscheinlich, dass sie in naher Zukunft synthetisiert werden .

Eigenschaften[edit]

Chemie[edit]

Wie andere Gruppen zeigen die Mitglieder dieser Familie Muster in ihrer Elektronenkonfiguration, insbesondere die äußersten Schalen, was zu Trends im chemischen Verhalten führt:

Zeitraum Z. Element Anzahl der Elektronen / Schale
4 22 Titan 2, 8, 10, 2
5 40 Zirkonium 2, 8, 18, 10, 2
6 72 Hafnium 2, 8, 18, 32, 10, 2
7 104 Rutherfordium 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2

Der größte Teil der Chemie wurde nur für die ersten drei Mitglieder der Gruppe beobachtet. Die Chemie von Rutherfordium ist nicht sehr etabliert und daher befasst sich der Rest des Abschnitts nur mit Titan, Zirkonium und Hafnium. Alle Elemente der Gruppe sind reaktive Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt (1668) [1]° C, 1854 [2]° C, 2233 [3]° C, 2100 ° C?[4]). Die Reaktivität ist aufgrund der schnellen Bildung einer stabilen Oxidschicht, die weitere Reaktionen verhindert, nicht immer offensichtlich. Die Oxide TiO2, ZrO2 und HfO2 sind weiße Feststoffe mit hohen Schmelzpunkten und reagieren nicht auf die meisten Säuren.[5]

Als dreiwertige Übergangsmetalle bilden alle drei Elemente verschiedene anorganische Verbindungen, im Allgemeinen in der Oxidationsstufe +4. Für die ersten drei Metalle wurde gezeigt, dass sie gegen konzentrierte Alkalien resistent sind, aber Halogene reagieren mit ihnen unter Bildung von Tetrahalogeniden. Bei höheren Temperaturen reagieren alle drei Metalle mit Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Bor, Schwefel und Silizium. Aufgrund der Lanthanoidkontraktion der Elemente in der sechsten Periode haben Zirkonium und Hafnium nahezu identische Ionenradien. Der Ionenradius von Zr4+ ist 79 Pikometer und das von Hf4+ ist 78 Uhr.[5][6]

Diese Ähnlichkeit führt zu einem nahezu identischen chemischen Verhalten und zur Bildung ähnlicher chemischer Verbindungen.[6] Die Chemie von Hafnium ist der von Zirkonium so ähnlich, dass eine Trennung bei chemischen Reaktionen nicht möglich war; nur die physikalischen Eigenschaften der Verbindungen unterscheiden sich. Die Schmelzpunkte und Siedepunkte der Verbindungen und die Löslichkeit in Lösungsmitteln sind die Hauptunterschiede in der Chemie dieser Doppelelemente.[5] Titan unterscheidet sich aufgrund der Auswirkungen der Lanthanoidkontraktion erheblich von den beiden anderen[clarification needed][citation needed].

Körperlich[edit]

Die folgende Tabelle enthält eine Zusammenfassung der wichtigsten physikalischen Eigenschaften der Elemente der Gruppe 4. Die vier mit Fragezeichen versehenen Werte werden extrapoliert.[7]

Eigenschaften der Elemente der Gruppe 4
Name Titan Zirkonium Hafnium Rutherfordium
Schmelzpunkt 1941 K (1668 ° C) 2130 K (1857 ° C) 2506 K (2233 ° C) 2400 K (2100 ° C)?
Siedepunkt 3560 K (3287 ° C) 4682 K (4409 ° C) 4876 K (4603 ° C) 5800 K (5500 ° C)?
Dichte 4,507 g · cm−3 6,511 g · cm−3 13,31 g · cm−3 23,2 g · cm−3?
Aussehen Silber metallic Silber Weiss Silber grau ?
Atomradius 140 Uhr 155 Uhr 155 Uhr 150 Uhr?

Geschichte[edit]

Kristall des reichlich vorhandenen Minerals Ilmenit

Titan[edit]

Der britische Mineralogist William Gregor identifizierte erstmals 1791 Titan in Ilmenitsand neben einem Bach in Cornwall, Großbritannien.[8] Nach der Analyse des Sandes stellte er fest, dass der schwach magnetische Sand Eisenoxid und ein Metalloxid enthielt, das er nicht identifizieren konnte.[9] Im selben Jahr produzierte der Mineralogist Franz Joseph Müller das gleiche Metalloxid und konnte es nicht identifizieren. 1795 entdeckte der Chemiker Martin Heinrich Klaproth selbständig das Metalloxid in Rutil aus dem ungarischen Dorf Boinik wieder.[8] Er identifizierte das Oxid, das ein neues Element enthielt, und benannte es nach den Titanen der griechischen Mythologie.[10]

Zirkonium[edit]

Martin Heinrich Klaproth entdeckte Zirkonium bei der Analyse des Zirkon enthaltenden Minerals Jargoon im Jahr 1789. Er folgerte, dass das Mineral ein neues Element enthielt und benannte es nach dem bereits bekannten Zirkonerde (Zirkonoxid).[11] Das neu entdeckte Zirkonium konnte er jedoch nicht isolieren. Der kornische Chemiker Humphry Davy versuchte 1808 ebenfalls, dieses neue Element durch Elektrolyse zu isolieren, scheiterte jedoch.[12] Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius isolierte 1824 eine unreine Form von Zirkonium, die durch Erhitzen einer Mischung aus Kalium und Kaliumzirkoniumfluorid in einem Eisenrohr erhalten wurde.[11]

Hafnium[edit]

Hafnium war 1869 von Dmitri Mendeleev vorhergesagt worden, und Henry Moseley hatte 1914 die effektive Kernladung durch Röntgenspektroskopie mit 72 gemessen und sie zwischen die bereits bekannten Elemente Lutetium und Tantal gelegt. Dirk Coster und Georg von Hevesy suchten als erste nach dem neuen Element in Zirkoniumerzen.[13] Hafnium wurde von den beiden 1923 in Kopenhagen, Dänemark, entdeckt und bestätigte die ursprüngliche Vorhersage von Mendeleev von 1869.[14] Es gab einige Kontroversen um die Entdeckung von Hafnium und das Ausmaß, in dem Coster und Hevesy von Bohrs Vorhersage geleitet wurden, dass Hafnium eher ein Übergangsmetall als ein Seltenerdelement sein würde.[15] Während im späten 18. Jahrhundert Titan und Zirkonium als relativ häufig vorkommende Elemente entdeckt wurden, dauerte es bis 1923, bis Hafnium identifiziert war. Dies war nur teilweise auf die relative Knappheit von Hafnium zurückzuführen. Die chemische Ähnlichkeit zwischen Zirkonium und Hafnium erschwerte die Trennung, und ohne zu wissen, wonach zu suchen war, blieb Hafnium unentdeckt, obwohl alle Zirkoniumproben und alle ihre Verbindungen, die Chemiker seit über zwei Jahrhunderten verwendeten, erhebliche Mengen an Hafnium enthielten.[16]

Rutherfordium[edit]

Berichten zufolge wurde Rutherfordium erstmals 1966 am Joint Institute of Nuclear Research in Dubna (damals in der Sowjetunion) entdeckt. Dort bombardierten Forscher 242Pu mit beschleunigt 22Ne-Ionen und trennte die Reaktionsprodukte durch Gradiententhermochromatographie nach Umwandlung in Chloride durch Wechselwirkung mit ZrCl4.[17]

242
94Pu
 + 22
10Ne
 → 264−x
104Rf
 → 264−x
104Rf
Cl4

Produktion[edit]

Die Herstellung der Metalle selbst ist aufgrund ihrer Reaktivität schwierig. Die Bildung von Oxiden, Nitriden und Carbiden muss vermieden werden, um bearbeitbare Metalle zu erhalten. Dies wird normalerweise durch den Kroll-Prozess erreicht. Die Oxide (MO2) werden mit Kohle und Chlor zu den Chloriden (MCl4). Die Chloride der Metalle werden dann mit Magnesium umgesetzt, wobei Magnesiumchlorid und die Metalle erhalten werden.

Die weitere Reinigung erfolgt durch eine chemische Transportreaktion, die von Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer entwickelt wurde. In einem geschlossenen Gefäß reagiert das Metall bei Temperaturen über 500 ° C mit Jod unter Bildung von Metall (IV) -iodid; Bei einem Wolframfaden von fast 2000 ° C findet die Rückreaktion statt und Jod und Metall werden freigesetzt. Das Metall bildet eine feste Beschichtung auf dem Wolframfilament und das Jod kann mit zusätzlichem Metall reagieren, was zu einem stetigen Umsatz führt.[5][18]

M + 2 I.2 (niedrige Temperatur) → MI4
MI4 (hohe Temperatur) → M + 2 I.2

Auftreten[edit]

Schwere Mineralien (dunkel) in einem Quarzstrandsand (Chennai, Indien).

Wenn die Häufigkeit von Elementen in der Erdkruste mit Titan, Zirkonium und Hafnium verglichen wird, nimmt die Häufigkeit mit zunehmender Atommasse ab. Titan ist das siebthäufigste Metall in der Erdkruste und hat eine Häufigkeit von 6320 ppm, während Zirkonium eine Häufigkeit von 162 ppm und Hafnium nur eine Häufigkeit von 3 ppm aufweist.[19]

Alle drei stabilen Elemente kommen in schweren Mineralsand-Erzvorkommen vor, bei denen es sich um Placer-Ablagerungen handelt, die am häufigsten in Strandumgebungen durch Konzentration aufgrund des spezifischen Gewichts der Mineralkörner aus Erosionsmaterial aus mafischem und ultramafischem Gestein gebildet werden. Die Titanmineralien sind hauptsächlich Anatas und Rutil, und Zirkonium kommt im Mineral Zirkon vor. Aufgrund der chemischen Ähnlichkeit werden bis zu 5% des Zirkoniums in Zirkon durch Hafnium ersetzt. Die größten Hersteller der Elemente der Gruppe 4 sind Australien, Südafrika und Kanada.[20][21][22][23][24]

Anwendungen[edit]

Titanmetall und seine Legierungen haben ein breites Anwendungsspektrum, bei dem die Korrosionsbeständigkeit, die Wärmestabilität und die geringe Dichte (geringes Gewicht) von Vorteil sind. Korrosionsbeständiges Hafnium und Zirkonium wurden hauptsächlich in Kernreaktoren eingesetzt. Zirkonium hat einen sehr niedrigen und Hafnium einen hohen thermischen Neutroneneinfangquerschnitt. Daher wird Zirkonium (meistens als Zirkaloy) als Mantel von Brennstäben in Kernreaktoren verwendet.[25] Hafnium wird in Steuerstäben für Kernreaktoren verwendet, da jedes Hafniumatom mehrere Neutronen absorbieren kann.[26][27]

Kleinere Mengen an Hafnium[28] und Zirkonium werden in Superlegierungen verwendet, um die Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern.[29]

Biologische Vorkommen[edit]

Es ist nicht bekannt, dass die Elemente der Gruppe 4 an der biologischen Chemie lebender Systeme beteiligt sind.[30] Sie sind harte feuerfeste Metalle mit geringer Wasserlöslichkeit und geringer Verfügbarkeit für die Biosphäre. Titan ist eines der wenigen D-Block-Übergangsmetalle der ersten Reihe ohne bekannte biologische Rolle. Die Radioaktivität von Rutherfordium würde es für lebende Zellen toxisch machen.

Vorsichtsmaßnahmen[edit]

Titan ist selbst in großen Dosen ungiftig und spielt im menschlichen Körper keine natürliche Rolle.[30] Zirkonpulver kann zu Reizungen führen, aber nur der Kontakt mit den Augen erfordert ärztliche Hilfe.[31] OSHA-Empfehlungen für Zirkonium sind 5 mg / m3zeitgewichtete Durchschnittsgrenze und 10 mg / m3 Kurzfristige Expositionsgrenze.[32] Zur Toxikologie von Hafnium liegen nur begrenzte Daten vor.[33]

Verweise[edit]

  1. ^ https://education.jlab.org/itselemental/ele022.html
  2. ^ https://www.rsc.org/periodic-table/element/40/zirconium
  3. ^ https://education.jlab.org/itselemental/ele072.html
  4. ^ https://periodic.lanl.gov/104.shtml
  5. ^ ein b c d Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (auf Deutsch) (91–100 ed.). Walter de Gruyter. S. 1056–1057. ISBN 3-11-007511-3.
  6. ^ ein b “Los Alamos Nationales Labor – Hafnium”. Archiviert von das Original am 2. Juni 2008. Abgerufen 2008-09-10.
  7. ^ Hoffman, Darleane C.; Lee, Diana M.; Pershina, Valeria (2006). “Transaktinide und die zukünftigen Elemente”. In Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean (Hrsg.). Die Chemie der Actinid- und Transactinid-Elemente (3. Aufl.). Dordrecht, Niederlande: Springer Science + Business Media. ISBN 1-4020-3555-1.
  8. ^ ein b Emsley 2001, p. 452
  9. ^ Barksdale 1968, p. 732
  10. ^ Weeks, Mary Elvira (1932). “III. Einige Metalle des 18. Jahrhunderts”. Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231–1243. Bibcode:1932JChEd … 9.1231W. doi:10.1021 / ed009p1231.
  11. ^ ein b Lide, David R., Hrsg. (2007–2008). “Zirkonium”. CRC Handbuch für Chemie und Physik. 4. New York: CRC Press. p. 42. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  12. ^ Emsley 2001, p. 506–510
  13. ^ Urbain, MG (1922). “Sur les séries L du lutécium et de l’ytterbium et sur l’identification d’un celtium avec l’élément de nombre atomique 72” [The L series from lutetium to ytterbium and the identification of element 72 celtium]. Comptes rendus (auf Französisch). 174: 1347–1349. Abgerufen 2008-10-30.
  14. ^ Coster, D.; Hevesy, G. (1923-01-20). “Auf dem fehlenden Element der Ordnungszahl 72”. Natur. 111 (2777): 79. Bibcode:1923Natur.111 … 79C. doi:10.1038 / 111079a0.
  15. ^ Scerri, Eric (2007). Das Periodensystem, seine Geschichte und seine Bedeutung. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9.
  16. ^ Barksdale, Jelks (1968). “Titan”. In Hampel, Clifford A. (Hrsg.). Die Enzyklopädie der chemischen Elemente. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. S. 732–738. LCCN 68-29938.
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  32. ^ “Zirkoniumverbindungen”. Nationales Institut für Gesundheit und Sicherheit am Arbeitsplatz. 2007-12-17. Abgerufen 2008-02-17.
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