Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Группа 4 - вторая группа переходных металлов в периодической таблице. Он содержит четыре элемента: титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf) и резерфорд (Rf). Группа также называется титановой группой или семейством титана по имени самого легкого члена.

Как это типично для ранних переходных металлов, цирконий и гафний имеют только групповую степень окисления +4 в качестве основной, являются достаточно электроположительными и имеют менее богатую координационную химию. Из-за эффектов сокращения лантаноидов они очень похожи по свойствам. Титан несколько отличается из-за его меньшего размера: он также имеет четко определенное состояние +3 (хотя +4 более стабильно).

Все элементы 4 группы - твердые тугоплавкие металлы . Присущая им реакционная способность полностью маскируется из-за образования плотного оксидного слоя, который защищает их от коррозии, а также от воздействия многих кислот и щелочей. Первые три из них возникают естественным образом. Резерфордий сильно радиоактивен : он не встречается в природе и должен производиться путем искусственного синтеза, но его наблюдаемые и теоретически предсказанные свойства согласуются с тем, что он является более тяжелым гомологом гафния. Ни один из них не имеет биологической роли.

История [ править ]

Циркон был известен как драгоценный камень с древних времен [1], но не было известно, что он содержит новый элемент до работы немецкого химика Мартина Генриха Клапрота в 1789 году. Он проанализировал циркосодержащий минеральный жаргун и обнаружил новую землю (оксид ), но не смог изолировать элемент от его оксида. Корнуоллский химик Хамфри Дэви также попытался выделить этот новый элемент в 1808 году с помощью электролиза , но безуспешно: он дал ему название цирконий. [2] В 1824 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус выделил нечистую форму циркония, полученную нагреванием смеси фторида циркония и калия в железной трубке. [1]

Британский минералог Уильям Грегор впервые идентифицировал титан в ильменитовом песке у ручья в Корнуолле , Великобритания, в 1791 году. [3] После анализа песка он определил, что слабомагнитный песок содержит оксид железа и оксид металла, которые он не смог идентифицировать. . [4] В том же году минералог Франц Йозеф Мюллер произвел тот же оксид металла и не смог его идентифицировать. В 1795 году химик Мартин Генрих Клапрот независимо заново открыл оксид металла в рутиле в венгерской деревне Бойник. [3] Он определил оксид, содержащий новый элемент, и назвал его в честьТитаны из греческой мифологии . [5] Берцелиус был также первым, кто подготовил металлический титан (хотя и не безупречно), сделав это в 1825 году. [6]

Рентгеновская спектроскопия сделана Мозли в 1914 году показала прямую зависимости между спектральной линией и эффективным зарядом ядра . Это привело к тому, что ядерный заряд или атомный номер элемента использовался для определения его места в периодической таблице. С помощью этого метода Мозли определил количество лантаноидов и показал, что отсутствует элемент с атомным номером 72. [7] Это побудило химиков искать его. [8] Жорж Урбен утверждал, что он обнаружил элемент 72 в редкоземельных элементах в 1907 году, и опубликовал свои результаты по кельтию в 1911 году.[9] Ни спектры, ни химическое поведение, которое он утверждал, не соответствовали элементу, обнаруженному позже, поэтому его утверждение было отклонено после давних споров. [10]

К началу 1923 года несколько физиков и химиков, таких как Нильс Бор [11] и Чарльз Р. Бери [12], предположили, что элемент 72 должен напоминать цирконий и, следовательно, не входить в группу редкоземельных элементов. Эти предположения основывались на теории атома Бора, рентгеновской спектроскопии Мозли и химических аргументах Фридриха Панета . [13] [14] Ободренные этим, а также повторным появлением в 1922 году заявлений Урбейна о том, что элемент 72 является редкоземельным элементом, обнаруженным в 1911 году, Дирк Костер и Георг фон Хевеши были заинтересованы в поисках нового элемента в циркониевых рудах. [15] Гафнийбыл обнаружен этими двумя в 1923 году в Копенгагене, Дания. [16] [17] Место, где произошло открытие, привело к тому, что элемент получил название от латинского названия «Копенгаген», Хафния , родного города Нильса Бора . [18]

Гафний был отделен от циркония путем многократной перекристаллизации двойных фторидов аммония или калия Вальдемаром Талом Янценом и фон Хевеши. [19] Антон Эдуард ван Аркель и Ян Хендрик де Бур были первыми, кто приготовил металлический гафний, пропуская пары тетраиодида гафния через нагретую вольфрамовую нить в 1924 году. [20] [21]Длительная задержка между открытием двух самых легких элементов группы 4 и гафния отчасти объяснялась редкостью гафния, а отчасти - чрезвычайным сходством циркония и гафния, так что все предыдущие образцы циркония в действительности были загрязнены. с гафнием без ведома никого. [22]

Последний элемент группы, резерфордий , не встречается в природе и должен быть получен путем синтеза. Первое зарегистрированное обнаружение было сделано группой из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), которая в 1964 году заявила, что произвела новый элемент путем бомбардировки мишени плутония- 242 ионами неона- 22, хотя позже это было поставлено под сомнение. [23] Более убедительные доказательства были получены исследователями из Калифорнийского университета в Беркли , которые синтезировали элемент 104 в 1969 году, бомбардируя мишень из калифорния- 249 ионами углерода-12 . [24] спорывспыхнул от того, кто открыл элемент, и каждая группа предложила свое собственное название: группа из Дубны назвала элемент курчатовий в честь Игоря Курчатова , а группа из Беркли назвала его резерфордием в честь Эрнеста Резерфорда . [25] В конце концов совместная рабочая группа IUPAC и IUPAP , Рабочая группа Transfermium, решила, что признание открытия должно быть разделено. После попыток компромисса в 1997 году ИЮПАК официально назвал элемент резерфордий в соответствии с американским предложением. [26]

Характеристики [ править ]

Химическая [ править ]

Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в своих электронных конфигурациях, особенно на самых внешних оболочках, что приводит к тенденциям в химическом поведении. Большая часть химии наблюдалась только у первых трех членов группы; химические свойства резерфордия недостаточно хорошо изучены, но то, что известно и предсказано, соответствует его положению в качестве более тяжелого гомолога гафния. [27]

Титан, цирконий и гафний являются химически активными металлами, но они маскируются в объемной форме, потому что они образуют плотный оксидный слой, который прилипает к металлу и восстанавливается, даже если его удалить. Таким образом, металлы в массе очень устойчивы к химическому воздействию; большинство водных кислот не действуют без нагревания, а водные щелочи не действуют даже в горячем состоянии. Окисляющие кислоты, такие как азотная кислота, действительно имеют тенденцию к снижению реакционной способности, поскольку они вызывают образование этого оксидного слоя. Исключение составляет фтористоводородная кислота , так как она образует растворимые фторокомплексы металлов. Когда тонкодисперсный, их реакционная способность показывает , как они становятся пирофорными, непосредственно реагировать с кислородом и водородом , и даже азотомв случае титана. Все трое достаточно электроположительны, хотя и в меньшей степени, чем их предшественники в группе 3 . [28] Оксиды TiO 2 , ZrO 2 и HfO 2 представляют собой твердые вещества белого цвета с высокими температурами плавления и не реагируют с большинством кислот. [29]

В химии элементов 4 группы преобладает степень окисления группы. Цирконий и гафний, в частности, чрезвычайно похожи, причем наиболее существенные различия являются скорее физическими, чем химическими (точки плавления и кипения соединений и их растворимость в растворителях). [29] Это эффект сжатия лантаноидов : ожидаемое увеличение атомного радиуса от 4d к 5d элементам нивелируется вставкой 4f элементов раньше. Титан, будучи меньше по размеру, отличается от этих двух: его оксид менее основной, чем оксид циркония и гафния, а его водный химический состав более гидролизован. [28] Резерфордий должен иметь еще более основной оксид, чем цирконий и гафний. [30]

В химическом составе всех трех доминирует степень окисления +4, хотя она слишком высока, чтобы ее можно было назвать полностью ионной. Низкие степени окисления плохо представлены для циркония и гафния [28] (и должны быть еще менее хорошо представлены для резерфордия); [30] +3 степень окисления циркония и гафния восстанавливает воду. Для титана эта степень окисления просто легко окисляется, образуя в растворе водный катион Ti 3+ фиолетового цвета . Элементы обладают значительной координационной химией: цирконий и гафний достаточно велики, чтобы легко поддерживать координационное число 8. Однако все три металла образуют слабые сигма-связи с углеродом, и, поскольку у них мало d-электронов, обратная связь pi также не очень эффективна.[28]

Физический [ править ]

Тенденции в группе 4 следуют тенденциям других ранних групп d-блоков и отражают добавление заполненной f-оболочки в ядро ​​при переходе от пятого к шестому периоду. Все стабильные члены группы - серебристые тугоплавкие металлы , хотя примеси углерода , азота и кислорода делают их хрупкими. [31] Все они кристаллизуются в гексагональной плотноупакованной структуре при комнатной температуре [32], и ожидается, что резерфорд будет делать то же самое. [33] При высоких температурах титан, цирконий и гафний превращаются в объемно-центрированные кубическиеструктура. Хотя они лучше проводят тепло и электричество, чем их предшественники из группы 3, они все еще хуже по сравнению с большинством металлов. Это, наряду с более высокими температурами плавления и кипения, а также энтальпиями плавления, испарения и атомизации, отражает дополнительный d-электрон, доступный для металлической связи. [32]

В таблице ниже представлены основные физические свойства элементов группы 4. Четыре значения, отмеченные вопросительным знаком, экстраполируются. [34]

Производство [ править ]

Само производство металлов затруднено из-за их реакционной способности. Чтобы получить пригодные для обработки металлы, необходимо избегать образования оксидов , нитридов и карбидов ; Обычно это достигается с помощью процесса Кролла . Оксиды (MO 2 ) реагируют с углем и хлором с образованием хлоридов (MCl 4 ). Затем хлориды металлов реагируют с магнием с образованием хлорида магния и металлов.

Дальнейшая очистка осуществляется с помощью химической транспортной реакции, разработанной Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Боером . В закрытом сосуде металл реагирует с йодом при температуре выше 500 ° C с образованием йодида металла (IV); при температуре около 2000 ° C вольфрамовой нити происходит обратная реакция, и йод и металл освобождаются. Металл образует твердое покрытие на вольфрамовой нити, а йод может вступать в реакцию с дополнительным металлом, что приводит к устойчивому обороту. [29] [21]

M + 2 I 2 (низкая температура) → MI 4
MI 4 (высокая температура) → M + 2 I 2

Возникновение [ править ]

Тяжелые минералы (темные) в кварцевом песке пляжа ( Ченнаи , Индия).

Содержание металлов 4 группы уменьшается с увеличением атомной массы. Титан является седьмым по содержанию металлом в земной коре и имеет содержание 6320 частей на миллион, в то время как цирконий имеет содержание 162 частей на миллион, а гафний - только 3 частей на миллион. [35]

Все три стабильных элемента встречаются в рудных месторождениях тяжелых минеральных песков , которые представляют собой россыпные месторождения, сформированные, чаще всего в прибрежной среде, путем концентрации из-за удельного веса минеральных зерен эрозионного материала из основных и ультраосновных пород . Минералы титана - это в основном анатаз и рутил , а цирконий встречается в минерале цирконе . Из-за химического сходства до 5% циркония в цирконе заменяется гафнием. Крупнейшие производители элементов группы 4 - Австралия , ЮАР и Канада.. [36] [37] [38] [39] [40]

Приложения [ править ]

Металлический титан и его сплавы имеют широкий спектр применений, где важны коррозионная стойкость, термостойкость и низкая плотность (легкий вес). В первую очередь коррозионно-стойкие гафний и цирконий используются в ядерных реакторах. Цирконий имеет очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов, а гафний - высокое . Таким образом, цирконий ( в основном в качестве циркалоя ) используется в качестве облицовки из топливных стержней в ядерных реакторах , [41] в то время как гафний используется в управляющих стержней для ядерных реакторов , поскольку каждый атом гафния может поглотить несколько нейтронов. [42] [43]

Меньшие количества гафния [44] и циркония используются в суперсплавах для улучшения свойств этих сплавов. [45]

Биологические явления [ править ]

Элементы группы 4 не участвуют в биологической химии каких-либо живых систем. [46] Это твердые тугоплавкие металлы с низкой растворимостью в воде и низкой доступностью для биосферы. Титан - один из немногих переходных металлов первого ряда d-блока, биологическая роль которого неизвестна. Радиоактивность резерфордия сделает его токсичным для живых клеток.

Меры предосторожности [ править ]

Титан не токсичен даже в больших дозах и не играет естественной роли в организме человека . [46] Циркониевый порошок может вызвать раздражение, но только при попадании в глаза требуется медицинская помощь. [47] Рекомендации OSHA для циркония: средневзвешенный по времени предел 5 мг / м 3 и предел кратковременного воздействия 10 мг / м 3 . [48] О токсикологии гафния существуют лишь ограниченные данные. [49]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Лиде, Дэвид Р., изд. (2007–2008). "Цирконий". CRC Справочник по химии и физике . 4 . Нью-Йорк: CRC Press. п. 42. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  2. ^ Emsley 2001 , стр. 506–510
  3. ^ а б Эмсли 2001 , стр. 452
  4. ^ Barksdale 1968 , стр. 732
  5. ^ Недели, Мэри Эльвира (1932). «III. Некоторые металлы восемнадцатого века». Журнал химического образования . 9 (7): 1231–1243. Bibcode : 1932JChEd ... 9.1231W . DOI : 10.1021 / ed009p1231 .
  6. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 954
  7. ^ Хейлброн, Джон Л. (1966). "Работа HGJ Moseley". Исида . 57 (3): 336. DOI : 10,1086 / 350143 .
  8. ^ Хайман, П. М. (1967). «Мозли и Целций: поиск недостающего элемента». Анналы науки . 23 (4): 249–260. DOI : 10.1080 / 00033796700203306 .
  9. Перейти ↑ Urbain, MG (1911). "Sur un nouvel élément qui сопровождает лютециум и скандий данс лес земли гадолинита: le celtium (О новом элементе, который сопровождает лютеций и скандий в гадолините: целций)" . Comptes Rendus (на французском языке): 141 . Проверено 10 сентября 2008 .
  10. ^ Мельников, ВП (1982). «Некоторые подробности в предыстории открытия элемента 72». Центавр . 26 (3): 317–322. Bibcode : 1982Cent ... 26..317M . DOI : 10.1111 / j.1600-0498.1982.tb00667.x .
  11. ^ Бор, Нильс. Теория спектров и строения атома: три очерка . п. 114 . ISBN 978-1-4365-0368-6.
  12. ^ Бери, Чарльз Р. (1921). "Теория Ленгмюра расположения электронов в атомах и молекулах" . Варенье. Chem. Soc . 43 (7): 1602–1609. DOI : 10.1021 / ja01440a023 .
  13. ^ Панет, FA (1922). "Das periodische System (Периодическая система)". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1 (на немецком языке). п. 362.
  14. ^ Fernelius, WC (1982). «Гафний» (PDF) . Журнал химического образования . 59 (3): 242. Bibcode : 1982JChEd..59..242F . DOI : 10.1021 / ed059p242 .
  15. Перейти ↑ 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» [Серия L от лютеция до иттербия и идентификация элемента 72 целций]. Comptes Rendus (на французском). 174 : 1347 . Проверено 30 октября 2008 .
  16. ^ Костер, D .; Хевеши, Г. (1923). «О недостающем элементе атомного числа 72». Природа . 111 (2777): 79. Bibcode : 1923Natur.111 ... 79C . DOI : 10.1038 / 111079a0 .
  17. ^ Хевеши, Г. (1925). «Открытие и свойства гафния». Химические обзоры . 2 : 1–41. DOI : 10.1021 / cr60005a001 .
  18. ^ Шерри, Эрик Р. (1994). «Предсказание природы гафния из химии, теории Бора и квантовой теории». Анналы науки . 51 (2): 137–150. DOI : 10.1080 / 00033799400200161 .
  19. ^ ван Аркель, AE; де Бур, JH (1924). "Die Trennung von Zirkonium und Hafnium durch Kristallisation ihrer Ammoniumdoppelfluoride (Разделение циркония и гафния путем кристаллизации двойных фторидов аммония)". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (на немецком языке). 141 : 284–288. DOI : 10.1002 / zaac.19241410117 .
  20. ^ ван Аркель, AE; де Бур, JH (1924). "Die Trennung des Zirkoniums von anderen Metallen, einschließlich Hafnium, durch fraktionierte Distillation (Разделение циркония и гафния фракционной перегонкой)". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (на немецком языке). 141 : 289–296. DOI : 10.1002 / zaac.19241410118 .
  21. ^ а б ван Аркель, AE; де Бур, JH (1925). «Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- и Thoriummetall (Производство чистого титана, циркония, гафния и металлического тория)». Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (на немецком языке). 148 : 345–350. DOI : 10.1002 / zaac.19251480133 .
  22. Barksdale, Jelks (1968). «Титан». В Hampel, Клиффорд А. (ред.). Энциклопедия химических элементов . Скоки, Иллинойс: Книжная корпорация Рейнхольда. С. 732–738. LCCN 68-29938 . 
  23. ^ Барбер, RC; Гринвуд, штат Нью-Йорк; Hrynkiewicz, AZ; Жаннин Ю.П .; Лефорт, М .; Sakai, M .; Ulehla, I .; Wapstra, AP; Уилкинсон, Д.Х. (1993). «Открытие элементов трансфермиума. Часть II: Введение в профили открытия. Часть III: Профили открытия элементов трансфермиума». Чистая и прикладная химия . 65 (8): 1757–1814. DOI : 10,1351 / pac199365081757 . S2CID 195819585 . 
  24. ^ Ghiorso, A .; Nurmia, M .; Харрис, Дж .; Эскола, К .; Эскола, П. (1969). "Положительная идентификация двух изотопов элемента 104, излучающих альфа-частицы" (PDF) . Письма с физическим обзором . 22 (24): 1317–1320. Bibcode : 1969PhRvL..22.1317G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.22.1317 .
  25. ^ "Резерфордий" . Rsc.org . Проверено 4 сентября 2010 .
  26. ^ «Названия и символы элементов трансфермиума (Рекомендации ИЮПАК 1997 г.)». Чистая и прикладная химия . 69 (12): 2471–2474. 1997. DOI : 10,1351 / pac199769122471 .
  27. ^ Nagame, Y .; и другие. (2005). «Химические исследования резерфордия (Rf) в JAERI» (PDF) . Radiochimica Acta . 93 (9-10_2005): 519. DOI : 10,1524 / ract.2005.93.9-10.519 . S2CID 96299943 . Архивировано из оригинального (PDF) 28 мая 2008 года.  
  28. ^ a b c d Гринвуд и Эрншоу, стр. 958–61.
  29. ^ a b c Холлеман, Арнольд Ф .; Виберг, Эгон; Виберг, Нильс (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (на немецком языке) (91–100 изд.). Вальтер де Грюйтер. С. 1056–1057. ISBN 3-11-007511-3.
  30. ^ a b Плакат с периодической таблицей А. В. Кульши и Т. А. Колевич
  31. ^ Гринвуд и Эрншоу, стр. 956-8
  32. ^ a b Гринвуд и Эрншоу, стр. 946–8.
  33. ^ Östlin, A .; Витос, Л. (2011). «Расчет из первых принципов структурной устойчивости 6d переходных металлов». Physical Review B . 84 (11). Bibcode : 2011PhRvB..84k3104O . DOI : 10.1103 / PhysRevB.84.113104 .
  34. ^ Хоффман, Дарлин С .; Ли, Диана М .; Першина, Валерия (2006). «Трансактиниды и элементы будущего». In Morss; Эдельштейн, Норман М .; Фугер, Жан (ред.). Химия элементов актинидов и трансактинидов (3-е изд.). Дордрехт, Нидерланды: Springer Science + Business Media . ISBN 1-4020-3555-1.
  35. ^ «Изобилие в земной коре» . WebElements.com. Архивировано из оригинала на 2008-05-23 . Проверено 14 апреля 2007 .
  36. ^ "Факты о проекте Dubbo Zirconia" (PDF) . Alkane Resources Limited. Июнь 2007. Архивировано из оригинального (PDF) 28 февраля 2008 года . Проверено 10 сентября 2008 .
  37. ^ "Цирконий и гафний" (PDF) . Обзоры минерального сырья . Геологическая служба США: 192–193. Январь 2008 . Проверено 24 февраля 2008 .
  38. ^ Каллаган, Р. (21 февраля 2008 г.). «Статистика и информация по цирконию и гафнию» . Геологическая служба США . Проверено 24 февраля 2008 .
  39. ^ "Сводки по сырьевым товарам Ежегодника минералов 2009: Титан" (PDF) . Геологическая служба США. Май 2009 . Проверено 24 февраля 2008 .
  40. ^ Gambogi, Джозеф (январь 2009). «Статистика и информация о титане и диоксидах титана» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 24 февраля 2008 .
  41. ^ Schemel, JH (1977). Руководство ASTM по цирконию и гафнию . ASTM International. С. 1–5. ISBN 978-0-8031-0505-8.
  42. ^ Хедрик, Джеймс Б. "Гафний" (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 10 сентября 2008 .
  43. ^ Спинк, Дональд (1961). «Реактивные металлы. Цирконий, гафний и титан». Промышленная и инженерная химия . 53 (2): 97–104. DOI : 10.1021 / ie50614a019 .
  44. Перейти ↑ Hebda, John (2001). «Ниобиевые сплавы и применение при высоких температурах» (PDF) . CBMM. Архивировано из оригинального (PDF) 17 декабря 2008 года . Проверено 4 сентября 2008 .
  45. ^ Доначи, Мэтью Дж. (2002). Суперсплавы . ASTM International. С. 235–236. ISBN 978-0-87170-749-9.
  46. ^ a b Эмсли, Джон (2001). «Титан». Природа Строительные блоки: AZ Руководство по элементам . Оксфорд, Англия, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. С.  457–458 . ISBN 978-0-19-850341-5.[ требуется проверка ]
  47. ^ «Цирконий» . База данных Международной карты химической безопасности . Международная организация труда. Октябрь 2004 . Проверено 30 марта 2008 .
  48. ^ «Соединения циркония» . Национальный институт охраны труда и техники безопасности. 2007-12-17 . Проверено 17 февраля 2008 .
  49. ^ «Управление по охране труда и здоровья: гафний» . Министерство труда США. Архивировано из оригинала на 2008-03-13 . Проверено 10 сентября 2008 .

Библиография [ править ]

  • Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.