3. Grup Elementleri

periyodik tablodaki 3. grup
Toprak alkali metal ←    → Grup 4
IUPAC grup numarası 3 Element göre ad scandium grubu CAS grup numarası (ABD, A-B-A modeli) IIIB eski IUPAC numarası (Avrupa, A-B modeli) IIIA
↓ periyot
4	Scandium (Sc) 21 Geçiş metali
5	İtriyum (Y) 39 Geçiş metali
6	lantan (La*) 57 Lanthanide
7	Aktinyum (Ac*) 89 Aktinyum
* 6 ve 7 periyodunda lutetium (Lu) ve lawrencium (Lr) elementlerinin 3. grupta olup olmadığı tartışmalıdır. Bu yazıda kullanılan gruplama, en yaygın biçim olan grup 3'te La ve Ac'ı göstermektedir. Diğer gruplamalar için grup 3 sınırlarına bakın.
Acıklama ilkel element sentetik element Atom numarası rengi: black=Katı

Grup 3, periyodik tablodaki bir grup elementtir. Bu grup, diğer d-blok grupları gibi, dört element içermelidir, ancak gruba hangi elementlerin dahil olduğu konusunda anlaşmaya varılmaz. Skandiyum (Sc) ve itriyum (Y) her zaman dahil edilir, ancak diğer iki boşluk genellikle lantan (La) ve aktinyum (Ac) veya lutetium (Lu) ve lawrencium (Lr) ile kaplanır; daha az sıklıkla, grubun 32 elemente (tüm lantanitler ve aktinitlerle birlikte) genişletilmesi veya sadece skandiyum ve itriyum içerecek şekilde büzülmesi gerektiği düşünülmektedir. Grubun tüm lantanitleri içerdiği anlaşıldığında, nadir toprak metallerini tutar. İtriyum ve daha az sıklıkta skandiyum bazen nadir toprak metalleri olarak sayılır.

Üç grup 3 element doğal olarak oluşur: skandiyum, itriyum ve lantan veya lutetium. Lantan, genel kimyasal davranışta iki hafif üye tarafından başlatılan trendi sürdürürken, lütetiyum, itriyumla daha benzer şekilde davranır. Lutetium seçimi, 6. periyot geçiş metallerinin üst periyodik tablo komşularına daha benzer davranmaları yönündeki eğilim doğrultusunda olurken, lantan seçimi, grup 3 elementlerinin kimyasal olarak daha benzer olduğu s-bloğundaki eğilimlere göredir. Hepsi standart koşullar altında gümüşi beyaz metallerdir. Aktinyum veya lawrencium olan dördüncü element sadece radyoaktif izotoplara sahiptir. Sadece az miktarda meydana gelen aktinyum, asil gaz konfigürasyonuyla triposit iyonları oluşturan metallerin kimyasal davranış eğilimini sürdürür; Sentetik lawrencium hesaplanır ve kısmen lutetium ve itriyum ile daha benzer olduğu gösterilmiştir. Şimdiye kadar, sonraki grup 3 elementi olabilecek herhangi bir elementi sentezlemek için deneyler yapılmamıştır. Lantan ve aktinyumdan önce gelirse, grup 3 element olarak kabul edilebilecek Unbiunium (Ubu), yakın gelecekte sentezlenebilir, bu, bilinen en ağır element olan oganessondan sadece üç boşluktur.

Tarihçe

1787'de İsveçli yarı zamanlı kimyager Carl Axel Arrhenius, İsveç'in Ytterby kasabası yakınında (Stockholm Takımadaları'nın bir parçası) ağır siyah bir kaya buldu. Yeni keşfedilen element tungsten içeren bilinmeyen bir mineral olduğunu düşünerek, o ytterit adını verdi. Fin bilim adamı Johan Gadolin, 1789'da Arrhenius'un örneğinde yeni bir oksit veya "toprak" tanımladı ve 1794'te tamamlanmış analizini yayınladı; 1797 yılında, yeni oksit itriya seçildi. Fransız bilimci Antoine Lavoisier, kimyasal elementlerin ilk modern tanımını geliştirdikten sonraki yıllarda, yeryüzünün elementlerine indirgenebileceğine inanılıyordu, yani yeni bir dünyanın keşfi, içindeki elementin keşfine eşdeğerdi. durumda itriyum olurdu. 1920'lerin başlarına kadar, element için "Yt" kimyasal sembolü kullanıldı, daha sonra "Y" yaygın olarak kullanıldı. İtriyum metali ilk kez 1828'de Friedrich Wöhler metalik itriyum ve potasyum klorür oluşturmak üzere potasyum ile susuz itriyum (III) kloriti ısıttığında izole edildi.

1869'da, Rus kimyager Dmitri Mendeleev, doğrudan üstünde ve altındaki itriyumun altındaki elementler için boş alanları olan periyodik tablosunu yayınladı. Mendeleev, eka-bor olarak adlandırdığı itriyumun üst komşusu hakkında birkaç tahminde bulundu. İsveçli kimyager Lars Fredrik Nilson ve ekibi, öjenit ve gadolinit minerallerindeki eksik elementi keşfetti ve 2 gram taranyum (III) yüksek saflıkta oksit hazırladı. Buna "İskandinavya" anlamına gelen Latin Scandia'dan skandiyum adını verdi. Element üzerinde yapılan kimyasal deneyler, Mendeleev'in önerisinin doğru olduğunu kanıtladı; galyum ve germanyum keşfi ve karakterizasyonu ile birlikte, bu tüm periyodik tablonun ve periyodik kanunun doğruluğunu kanıtladı. Nilson, görünüşe göre Mendeleev'in öngörüsünün farkında değildi, ancak Per Teodor Cleve yazışmaları tanıdı ve Mendeleev'e haber verdi. Metalik scandium ilk kez 1937'de ötektik bir karışımın elektrolizi, 700-800° C'de, potasyum, lityum ve scandium klorürlerle üretildi.

1751'de İsveçli mineralog Axel Fredrik Cronstedt daha sonra cerite olarak adlandırılan Bastnäs'taki madenden ağır bir mineral keşfetti. Otuz yıl sonra, onbeş yaşındaki Vilhelm Hisinger, madene sahip olan aileden bir örnek, içinde herhangi bir yeni element bulamayan Carl Scheele'ye gönderdi. 1803 yılında, Hisinger demir usta hale geldikten sonra, Jöns Jacob Berzelius ile madene geri döndü ve iki yıl önce keşfedilen cüce gezegen Ceres'den sonra ceria adını verdiği yeni bir oksit izole etti. Ceria, eş zamanlı olarak Almanya'da Martin Heinrich Klaproth tarafından izole edildi. 1839 ve 1843 arasında, seria'nın Berzelius ile aynı evde yaşayan İsveçli cerrah ve kimyager Carl Gustaf Mosander tarafından bir oksit karışımı olduğu gösterildi: lanthana ve didymi olarak adlandırdığı diğer iki oksidi ayırdı. Havaya kavuşturarak ve ardından elde edilen oksiti seyreltik nitrik asit ile işleme tabi tutarak bir seryum nitrat örneğini kısmen ayrıştırdı. Lantan'ın özellikleri, seryumun özelliklerinden sadece biraz farklı olduğundan ve bununla birlikte tuzlarında oluştuğundan, onu Eski Yunan λανθάνειν [lantanin] (gizli kalması için) olarak adlandırdı. Nispeten saf lantan metali ilk olarak 1923'te izole edilmiştir.

Lutetium, 1907 yılında, Fransız bilim adamı Georges Urbain, Avusturyalı mineralog Baron Carl Auer von Welsbach ve Amerikalı kimyager Charles James tarafından, çoğu kimyacının tamamen iterbiyumdan oluştuğu düşünülen mineral cevherlerinde kirlilik olarak algılandı. Welsbach, yterbiyumun yeni adı için 71 numaralı (takımyıldızdan sonra) ve aldebaranium (Aldebaran yıldızından sonra) için yutiyopya isimlerini önerdi, ancak 1950'lerde birçok Alman bilim insanı, 71 cassiopeium olarak adlandırılan Alman bilim insanlarına rağmen reddedildi. Urbain, yeni öğe için ytterbium ve lutecium (neotterbium için Latince) ve yeni terim için lutecium'u seçti. Keşif önceliği konusundaki anlaşmazlık, Urbain ve von Welsbach'ın birbirlerini yayımlanan diğer araştırmalardan etkilenen sonuçları yayınlamakla suçladığı iki makalede belgelenmiştir. Yeni öğelerin adlarının verilmesinden sorumlu olan Atomik Kütle Komisyonu, ihtilafı Urbain'e öncelik vererek ve isimlerini resmi olarak kabul ederek 1909'da çözmüştür. Bu karardaki bariz bir problem, Urbain'in komisyonun dört üyesinden biri olmasıydı. Lutetiumun yterbiyumdan ayrılması ilk önce Urbain tarafından tarif edildi ve adlandırma onuru bu nedenle ona gitti, fakat neoitterbiyum nihayetinde yteribuma geri döndü ve 1949'da element 71'in yazımı lutetium olarak değiştirildi. İronik olarak, mütevazı olarak önceliğe dayanan argümanların dışında kalan Charles James, diğerlerinden çok daha büyük bir ölçekte çalıştı ve hiç şüphesiz o sırada en büyük lutetium arzına sahipti.

Fransız bir kimyager olan André-Louis Debierne, 1899'da aktinyumun keşfini açıkladı. Radyum çıkardıktan sonra Marie ve Pierre Curie tarafından bırakılan pitchblende kalıntılarından ayrıldı. 1899'da Debierne, maddeyi titanyuma benzer ve (1900'de) toryuma benzer olarak tanımlamıştır. Friedrich Oskar Giesel, 1902'de bağımsız bir şekilde, lantan ile benzer bir madde olarak aktiniyum keşfetti ve 1904'te "emanyum" olarak nitelendirdi. 1904'te Debierne, Hariett Brooks ve 1905'te Otto Hahn ve Otto Sackur tarafından belirlenen yarı ömürlerin karşılaştırılmasından sonra, Debierne'nin yeni element için seçtiği isim, element için talep ettiği çelişkili kimyasal özelliklere rağmen, farklı zamanlarda, kıdeme sahip olduğu için muhafaza edildi.

Özellikleri

Kimyasal

Grup 3 elementlerin elektron konfigürasyonları

Z	Element	Elektron konfigürasyonu
21	skandiyum	2, 8, 9, 2
39	itriyum	2, 8, 18, 9, 2
57	lantan	2, 8, 18, 18, 9, 2
89	aktinyum	2, 8, 18, 32, 18, 9, 2

Diğer gruplar gibi, bu ailenin üyeleri de elektron konfigürasyonlarında, özellikle de en dıştaki kabuklarda desenler gösterir, bu da kimyasal davranış eğilimlerine neden olur. Bununla birlikte, lawrencium bir istisnadır, çünkü son elektronu göreceli etkilerden dolayı 7p1 / 2 alt kabuğuna aktarılır.

Kimyanın çoğu sadece grubun ilk üç üyesi için gözlendi; Hem aktinyum hem de özellikle lawrencium'nin kimyasal özellikleri iyi tanımlanmamıştır. Grubun kalan elementleri (skandiyum, itriyum, lutetium) yüksek erime noktalı reaktif metallerdir (sırasıyla 1541° C, 1526° C, 1652° C). Sodyum, itriyum ve lantan düşük oksidasyon durumları oluşturabilseler de, genellikle +3 oksidasyon durumuna oksitlenirler. Elementlerin, özellikle itriyumun reaktivitesi, daha fazla reaksiyonu önleyen stabil bir oksit tabakasının oluşumu nedeniyle her zaman açık değildir. Skandiyum (III) oksit, itriyum (III) oksit, lantan (III) oksit ve lutetium (III) oksit beyaz yüksek sıcaklıkta eriyen katılardır. İtriyum (III) oksit ve lutetium (III) oksit, zayıf bazik özellik gösterir, ancak skandiyum (III) oksit, amfoteriktir. Lantan (III) oksit kuvvetle baziktir

Fiziksel

Soygazın elektronik konfigürasyonlu tripositik iyonları gösteren elementler (skandiyum, itriyum, lantan, aktinyum) sertlik gibi fiziksel özelliklerinde açık bir eğilim göstermektedir. Aynı zamanda, 3. gruba lutetium ve lawrencium ile devam edilirse, birkaç eğilim kırılır. Örneğin, skandiyum ve itriyum hem yumuşak metallerdir. Lantan da yumuşaktır; Tüm bu elementlerin çekirdek yüklerine kıyasla çekirdekten oldukça uzaktaki en dış elektronları vardır. Lantanid büzülmesinden ötürü, lantanid serisindeki son lutetium, önemli ölçüde daha küçük bir atom yarıçapına ve daha yüksek bir çekirdek yüküne sahiptir, böylece metallerin metal bağını daha zor hale getirmesi ve böylece metalin daha sert hale getirilmesi için elektronların atomdan ekstraksiyonu yapılır. Ancak lütetiyum, erime ve kaynama noktaları gibi diğer bazı özelliklerde önceki öğelere daha iyi uyar. Lawrencium hakkında çok az şey bilinmektedir ve fiziksel özelliklerinin hiçbiri doğrulanmamıştır.

3 Grub elementin özellikleri

Adı	Skandiyum	İtriyum	lantan	Aktinyum
Erime noktası	1814 K, 1541 °C	1799 K, 1526 °C	1193 K, 920 °C	1323 K, 1050 °C
Kaynama noktası	3109 K, 2836 °C	3609 K, 3336 °C	3737 K, 3464 °C	3471 K, 3198 °C
Yoğunluk	2.99 g·cm−3	4.47 g·cm−3	6.162 g·cm−3	10 g·cm−3
Görünüm	Gümüş metalik	gümüş beyaz	gri	gümüşi
Atom yarıçapı	162 pm	180 pm	187 pm	215 pm

Grup 3'ün bileşimi

Lantan ve aktinyumun lutetium ve lawrencium yerine 3. gruba dahil edilip edilmemesi gerektiği tartışmalıdır. Diğer d-blok grupları dört geçiş metalden oluşur ve grup 3'ün bazen uygun olduğu düşünülür. Skandiyum ve itriyum her zaman grup 3 element olarak sınıflandırılır, ancak grup 3, lantan ve aktinyum veya lutetium ve lawrencium içinde hangi elementlerin onları takip etmesi gerektiği tartışmalıdır. Scerri, bu tartışmaya 32 sütunlu bir tabloya geçme ve hangi seçeneğin sürekli bir atom sayısı artışı dizisi ile sonuçlanacağına dayanarak bir çözüm önerisinde bulundu. Böylece 3. grubun Sc, Y, Lu, Lr'den oluşması gerektiğini bulur. "Lantanoid" teriminin mevcut IUPAC tanımı, hem lantan hem lutetium içeren onbeş element içerir ve "geçiş elementi" nin ifadesi, Aufbau prensibini doğru bir şekilde takip etmediği için lanthanum ve aktinyum için ve ayrıca lutetiuma uygulanır. Normalde, 103 elektronu d-subshell'e girer, ancak kuantum mekanik araştırmalar göreceli etkilerden dolayı konfigürasyonun aslında [Rn]7s²5f¹⁴7p¹ olduğunu bulmuştur. Böylece IUPAC, satır içi f bloğu periyodik tablosu için belirli bir format önermemiş ve anlaşmazlığı açık bırakmıştır.

Bulunuşu

Skandiyum, itriyum, lantan ve lityum, yer kabuğunda diğer lantanitlerle (prometyum hariç) birlikte olma eğilimindedir ve genellikle cevherlerinden elde etmek daha zordur. Dünya'nın kabuğundaki grup 3'teki elementlerin bolluğu oldukça düşüktür - gruptaki tüm elementler nadirdir, en bol olanı milyonda yaklaşık 30 parça (ppm); skandiyum bolluğu 16 ppm, lutetium ise yaklaşık 0.5 ppm'dir. Lantan'ın bolluğu, yaklaşık 35 ppm'dir. Karşılaştırma için, bakırın bolluğu 50 ppm, kromun değeri 160 ppm ve molibdenin değeri 1,5 ppm'dir.

Skandiyum seyrek dağılır ve birçok mineralde eser miktarda oluşur. İskandinavya ve Madagaskar gibi gadolinit, öjenit ve tortveitit gibi nadir mineraller, bu elementin bilinen tek konsantre kaynağıdır; ikincisi, skandiyum (III) oksit formunda %45'e varan skandiyum içermektedir. İtriyum oluşum yerlerinde de aynı eğilime sahiptir; Amerikan Apollo Projesi sırasında toplanan ay kayası örneklerinde de nispeten yüksek bir içerikte bulunur.

Ticari olarak uygulanabilir lutetium cevherinin başlıca cevheri, elementin %0.003'ünü içeren nadir toprak fosfat mineral monazitidir (Ce,La,vb.)PO₄. Ana madencilik alanları Çin, Amerika Birleşik Devletleri, Brezilya, Hindistan, Sri Lanka ve Avustralya'dır. Saf lutetium metali, nadir bulunan metallerden biridir ve nadir bulunan metallerin en pahalısıdır ve fiyatı yaklaşık 10.000 ABD Doları/kg veya altının dörtte biri kadardır. Lantan, çok daha yaygındır, ikinci en bol bulunan nadir topraktır ve monazite ek olarak, bastnäsite'den ekonomik olarak da çıkarılabilir.

Üretim

Grup 3'teki en uygun element, 2010 yılında yıllık 8.900 ton üretim ile itriyumdur. İtriyum çoğunlukla tek bir ülke olan Çin (%99) tarafından oksit olarak üretilmektedir. Lutetium ve scandium ayrıca çoğunlukla oksitler olarak elde edilir ve 2001 yılına kadar yıllık üretimi sırasıyla yaklaşık 10 ve 2 ton olmuştur.

Grup 3 elementleri, sadece diğer elementlerin çıkarılmasından elde edilen yan ürün olarak çıkarılır. Metalik elementler oldukça nadirdir; metalik itriyum üretimi yaklaşık birkaç tondur ve skandiyum üretimi yılda 10 kg civarındadır; lutetium üretimi hesaplanmaz, ancak kesinlikle küçüktür. Diğer nadir toprak metallerinden arındırıldıktan sonra elementler oksit olarak izole edilir; oksitler hidroflorik asit ile reaksiyonlar sırasında floritlere dönüştürülür. Elde edilen floritler toprak alkali metallerle veya metallerin alaşımlarıyla azaltılır; metalik kalsiyum en sık kullanılır. Örneğin:

Sc₂O₃ + 3 HF → 2 ScF₃ + 3 H₂O

2 ScF₃ + 3 Ca → 3 CaF₂ + 2 Sc

Biyolojik kimya

Grup 3 elementleri genellikle düşük sulu çözünürlüğe sahip sert metallerdir ve biyosferde düşük kullanılabilirliğe sahiptir. Hiçbir grup 3 elementin canlı organizmalarda belgelenmiş herhangi bir biyolojik rolü yoktur. Aktinitlerin radyoaktivitesi genellikle onları canlı hücrelere karşı yüksek oranda toksik hale getirir ve radyasyon zehirlenmesine neden olur.

Skandiyumun biyolojik rolü yoktur, ancak canlı organizmalarda bulunur. Bir insana ulaştığında, skandiyum karaciğerde konsantre olur ve bunun için tehlikedir; Bazı bileşikler muhtemelen kanserojendir, genel olarak skandiyum yoluyla bile toksik değildir. Skandiyumun besin zincirine ulaştığı bilinmektedir, ancak sadece eser miktarda; Tipik bir insan günde 0.1 mikrogramdan az alır. Çevreye bırakıldığında, skandiyum kademeli olarak topraklarda birikir ve bu da toprak parçacıklarında, hayvanlarda ve insanlarda artan konsantrasyonlara neden olur. Skandiyum ve gazların hava ile solunabilmesi nedeniyle çalışma ortamında skandiyum çoğunlukla tehlikelidir. Bu, özellikle uzun süreli maruz kalma sırasında akciğer embolilerine neden olabilir. Elementin su hayvanlarının hücre zarlarına zarar verdiği, üreme ve sinir sisteminin fonksiyonları üzerinde birkaç olumsuz etkiye neden olduğu bilinmektedir.

Yttrium'un bilinen hiçbir biyolojik rolü yoktur, ancak hepsinde olmasa da çoğu organizmada bulunur ve karaciğerde, böbreklerde, dalakta, akciğerlerde ve insan kemiklerinde yoğunlaşma eğilimindedir. Tüm insan vücudunda normal olarak 0,5 miligram kadar az bulunur; insan anne sütü 4 ppm içerir. Yttrium, yenilebilir bitkilerde, 20 ppm ile 100 ppm (taze ağırlık) arasındaki konsantrasyonlarda bulunur, lahana en büyük miktara sahiptir. 700 ppm'e kadar, odunsu bitki tohumları bilinen en yüksek konsantrasyonlara sahiptir.

Lütetiumun biyolojik bir rolü de yoktur, ancak bilinen en yüksek organizmada, insanlarda, kemiklerde yoğunlaşmış halde ve karaciğerde ve böbreklerde daha az miktarda bulunur. Lutetium tuzlarının metabolizmaya neden olduğu bilinmektedir ve doğadaki diğer lantanit tuzlarıyla birlikte bulunurlar; element tüm lantanitlerin insan vücudunda en az bulunanıdır. İnsan diyetleri lutetium içeriği açısından izlenmemiştir, bu nedenle ortalama bir insanın ne kadar içerdiği bilinmemektedir, ancak tahminler miktarın sadece bitkiler tarafından alınan küçük miktarlardan gelen yılda sadece birkaç mikrogram olduğunu göstermektedir. Çözünebilir lutetium tuzları hafif toksiktir, fakat çözünmeyen olanlar değildir. Lantan insanlar için gerekli değildir ve düşük ila orta derecede toksisite seviyesine sahiptir. Bununla birlikte, metanotrofik bakteri Methylacidiphilum fumariolicum SolV için esastır, ancak nadir toprakların genel benzerliği, başka herhangi bir erken lantanitin bazı kötü etkileri olmayan ikame edilebileceği anlamına gelir.

Lawrencium'nin yüksek radyoaktivitesi onu canlı hücrelere karşı toksik hale getirerek radyasyon zehirlenmesine neden olur. Aynısı aktinyum için de geçerlidir.