Группа 4 — вторая группа переходных металлов в периодической таблице. Она содержит четыре элемента: титан (Ti), цирконий (Zr), гафний (Hf) и резерфордий (Rf). Группа также называется группой титана или семейством титана по названию ее самого легкого члена.
Как это типично для ранних переходных металлов, цирконий и гафний имеют только групповую степень окисления +4 в качестве основной, и являются довольно электроположительными и имеют менее богатую координационную химию. Из-за эффектов лантаноидного сжатия они очень похожи по свойствам. Титан несколько отличается из-за своего меньшего размера: он также имеет хорошо определенное состояние +3 (хотя +4 более стабильно).
Все элементы 4-й группы — твердые, тугоплавкие металлы . Их присущая 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 встречаются в природе. Резерфордий сильно радиоактивен : он не встречается в природе и должен быть получен искусственным синтезом, но его наблюдаемые и теоретически предсказанные свойства согласуются с тем, что он является более тяжелым гомологом гафния. Ни один из них не играет никакой биологической роли.
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 содержащий циркон минеральный жаргон и обнаружил новую землю (оксид), но не смог выделить элемент из его оксида. Корнуоллский химик Хэмфри Дэви также попытался выделить этот новый элемент в 1808 году с помощью электролиза , но потерпел неудачу: он дал ему название цирконий. [2] В 1824 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус выделил неочищенную форму циркония, полученную путем нагревания смеси калия и фторида циркония калия в железной трубке. [1]
Корнуоллский минералог Уильям Грегор впервые идентифицировал титан в ильменитовом песке около ручья в Корнуолле , Великобритания, в 1791 году. [3] Проанализировав песок, он определил, что слабомагнитный песок содержит оксид железа и оксид металла, который он не смог идентифицировать. [4] В том же году минералог Франц Йозеф Мюллер получил тот же оксид металла и не смог его идентифицировать. В 1795 году химик Мартин Генрих Клапрот независимо от него заново открыл оксид металла в рутиле из венгерской деревни Бойник. [3] Он идентифицировал оксид, содержащий новый элемент, и назвал его в честь титанов греческой мифологии . [5] Берцелиус также был первым, кто приготовил металлический титан (хотя и нечисто), сделав это в 1825 году. [6]
Рентгеновская спектроскопия, проведенная Генри Мозли в 1914 году, показала прямую зависимость между спектральной линией и эффективным зарядом ядра . Это привело к тому, что заряд ядра, или атомный номер элемента, использовался для определения его места в периодической таблице. С помощью этого метода Мозли определил число лантаноидов и показал, что существует недостающий элемент с атомным номером 72. [7] Это побудило химиков искать его. [8] Жорж Урбен утверждал, что он нашел элемент 72 среди редкоземельных элементов в 1907 году и опубликовал свои результаты по целтию в 1911 году. [9] Ни спектры, ни химическое поведение, которые он утверждал, не соответствовали элементу, найденному позже, и поэтому его заявление было отклонено после давних споров. [10]
К началу 1923 года несколько физиков и химиков, таких как Нильс Бор [11] и Чарльз Рагели Бери [12], предположили, что элемент 72 должен напоминать цирконий и, следовательно, не быть частью группы редкоземельных элементов. Эти предположения основывались на теориях атома Бора, рентгеновской спектроскопии Мозли и химических аргументах Фридриха Панета . [13] [14] Воодушевленные этим, а также повторным появлением в 1922 году утверждений Урбена о том, что элемент 72 является редкоземельным элементом, открытым в 1911 году, Дирк Костер и Георг фон Хевеши были мотивированы на поиск нового элемента в циркониевых рудах. [15] Гафний был открыт ими в 1923 году в Копенгагене, Дания. [16] [17] Место, где произошло открытие, привело к тому, что элемент был назван в честь латинского названия «Копенгагена» — Хафнии , родного города Нильса Бора . [18]
Гафний был отделен от циркония путем повторной перекристаллизации двойных фторидов аммония или калия Вальдемаром Талем Янценом и фон Хевеши. [19] Антон Эдуард ван Аркель и Ян Хендрик де Бур были первыми, кто приготовил металлический гафний, пропуская пары тетраиодида гафния над нагретой вольфрамовой нитью в 1924 году. [20] [21] Длительная задержка между открытием двух самых легких элементов 4-й группы и открытием гафния была частично связана с редкостью гафния, а частично с чрезвычайным сходством циркония и гафния, так что все предыдущие образцы циркония на самом деле были загрязнены гафнием без чьего-либо ведома. [22]
Последний элемент группы, резерфордий , не встречается в природе и должен был быть получен путем синтеза. Первое зарегистрированное обнаружение было сделано группой из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), которая в 1964 году заявила, что получила 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 путем бомбардировки мишени калифорния -249 ионами углерода-12 . [24] Разгорелся спор о том, кто открыл элемент, и каждая группа предложила свое собственное название: группа из Дубны назвала элемент курчатовием в честь Игоря Курчатова , в то время как группа из Беркли назвала его резерфордием в честь Эрнеста Резерфорда . [25] В конце концов, совместная рабочая группа IUPAC и IUPAP , Transfermium Working Group, решила, что честь за открытие должна быть разделена. После различных попыток компромиссов в 1997 году IUPAC официально назвал элемент резерфордием, следуя американскому предложению. [26]
Как и другие группы, члены этого семейства демонстрируют закономерности в своих электронных конфигурациях, особенно самых внешних оболочек, что приводит к тенденциям в химическом поведении. Большая часть химии наблюдалась только для первых трех членов группы; химические свойства резерфордия недостаточно хорошо охарактеризованы, но то, что известно и предсказано, соответствует его положению как более тяжелого гомолога гафния. [27]
Титан, цирконий и гафний являются реактивными металлами, но это замаскировано в объемной форме, поскольку они образуют плотный оксидный слой, который прилипает к металлу и восстанавливается даже при удалении. Таким образом, объемные металлы очень устойчивы к химическому воздействию; большинство водных кислот не оказывают никакого эффекта, если их не нагревать, а водные щелочи не оказывают никакого эффекта даже в горячем состоянии. Окисляющие кислоты, такие как азотная кислота, действительно имеют тенденцию снижать реакционную способность, поскольку они вызывают образование этого оксидного слоя. Исключением является плавиковая кислота , поскольку она образует растворимые фторокомплексы металлов. При тонком измельчении их реакционная способность проявляется, поскольку они становятся пирофорными , напрямую реагируя с кислородом и водородом , и даже азотом в случае титана. Все три являются довольно электроположительными, хотя и менее электроположительными, чем их предшественники в группе 3. [ 28] Оксиды TiO 2 , ZrO 2 и HfO 2 представляют собой белые твердые вещества с высокими температурами плавления и не реагируют с большинством кислот. [29]
Химия элементов группы 4 определяется степенью окисления группы. Цирконий и гафний, в частности, чрезвычайно похожи, причем наиболее существенные различия являются скорее физическими, чем химическими (температуры плавления и кипения соединений и их растворимость в растворителях). [29] Это эффект сокращения лантанидов : ожидаемое увеличение атомного радиуса от элементов 4d к элементам 5d стирается вставкой элементов 4f до них. Титан, будучи меньше, отличается от этих двух: его оксид менее основной, чем у циркония и гафния, а его водная химия более гидролизована. [28] Резерфордий должен иметь еще более основной оксид, чем цирконий и гафний. [30]
Химия всех трех элементов определяется степенью окисления +4, хотя она слишком высока, чтобы ее можно было хорошо описать как полностью ионную. Низкие степени окисления недостаточно хорошо представлены для циркония и гафния [28] (и должны быть еще менее хорошо представлены для резерфордия); [30] степень окисления +3 циркония и гафния восстанавливает воду. Для титана эта степень окисления просто легко окисляется, образуя фиолетовый аквакатион Ti3 + в растворе. Элементы имеют значительную координационную химию: 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 пи-связь также не очень эффективна. [28]
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 являются серебристыми тугоплавкими металлами , хотя примеси углерода , азота и кислорода делают их хрупкими. [31] Все они кристаллизуются в гексагональной плотноупакованной структуре при комнатной температуре, [32] и ожидается, что резерфордий сделает то же самое. [33] При высоких температурах титан, цирконий и гафний преобразуются в объемно-центрированную кубическую структуру. Хотя они являются лучшими проводниками тепла и электричества, чем их предшественники из группы 3, они все еще плохие 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 приведена сводка основных физических свойств элементов группы 4. Четыре вопросительных значения экстраполированы. [34]
Как металл , титан известен своим высоким отношением прочности к весу . [35] Это прочный металл с низкой плотностью , который является довольно пластичным (особенно в бескислородной среде), [36] блестящим и имеет металлически-белый цвет . [37] Из-за своей относительно высокой температуры плавления (1668 °C или 3034 °F) его иногда описывают как тугоплавкий металл , но это не так. [38] Он парамагнитен и имеет довольно низкую электро- и теплопроводность по сравнению с другими металлами. [36] Титан становится сверхпроводящим при охлаждении ниже своей критической температуры 0,49 К. [39] [40]
Цирконий — блестящий , серовато-белый, мягкий, пластичный, ковкий металл, который тверд при комнатной температуре, хотя он твердый и хрупкий при меньшей чистоте. [2] В порошкообразной форме цирконий легко воспламеняется, но в твердом виде гораздо менее склонен к возгоранию. Цирконий очень устойчив к коррозии под воздействием щелочей, кислот, соленой воды и других агентов. [ 1] Однако он растворяется в соляной и серной кислоте , особенно в присутствии фтора . [41] Сплавы с цинком магнитны при температуре ниже 35 К. [1]
Гафний — блестящий, серебристый, пластичный металл , устойчивый к коррозии и химически схожий с цирконием [42], поскольку они имеют одинаковое количество валентных электронов и находятся в одной группе. Кроме того, их релятивистские эффекты схожи: ожидаемое расширение атомных радиусов от периода 5 до 6 почти полностью компенсируется сжатием лантанидов . Гафний переходит из своей альфа-формы, гексагональной плотноупакованной решетки, в свою бета-форму, объемно-центрированную кубическую решетку, при 2388 К. [43] Физические свойства образцов металлического гафния заметно зависят от примесей циркония, особенно от ядерных свойств, поскольку эти два элемента являются одними из самых трудноразделимых из-за их химического сходства. [42]
Ожидается, что резерфордий будет твердым веществом при нормальных условиях и будет иметь гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру ( c / a = 1,61), похожую на его более легкий родственник гафний. [33] Он должен быть металлом с плотностью ~17 г/см 3 . [44] [45] Ожидается, что атомный радиус резерфордия составит ~150 пм . Из-за релятивистской стабилизации 7s-орбитали и дестабилизации 6d-орбитали ионы Rf + и Rf 2+ , как предсказывают, отдадут 6d-электроны вместо 7s-электронов, что противоположно поведению его более легких гомологов. [34] Под высоким давлением (по-разному рассчитываемым как 72 или ~50 ГПа ) резерфордий , как ожидается, перейдет в объемно-центрированную кубическую кристаллическую структуру; Гафний переходит в эту структуру при 71±1 ГПа, но имеет промежуточную ω-структуру, в которую он переходит при 38±8 ГПа, чего должно быть недостаточно для резерфордия. [46]
Производство самих металлов затруднено из-за их реакционной способности. Для получения пригодных для обработки металлов необходимо избегать образования оксидов , нитридов и карбидов ; обычно это достигается с помощью процесса Кролла . Оксиды (MO2 ) реагируют с углем и хлором, образуя хлориды (MCl4 ) . Хлориды металлов затем реагируют с магнием, образуя хлорид магния и металлы.
Дальнейшая очистка осуществляется с помощью химической реакции переноса, разработанной Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Буром . В закрытом сосуде металл реагирует с йодом при температуре выше 500 °C, образуя йодид металла (IV); при температуре вольфрамовой нити около 2000 °C происходит обратная реакция, и йод и металл освобождаются. Металл образует твердое покрытие на вольфрамовой нити, и йод может реагировать с дополнительным металлом, что приводит к устойчивому обороту. [29] [21]
Распространенность металлов группы 4 уменьшается с увеличением атомной массы. Титан является седьмым по распространенности металлом в земной коре и имеет распространенность 6320 ppm, в то время как цирконий имеет распространенность 162 ppm, а гафний имеет распространенность только 3 ppm. [47]
Все три стабильных элемента встречаются в тяжелых минеральных песчаных рудных месторождениях , которые представляют собой россыпные месторождения , образованные, чаще всего в пляжных условиях, путем концентрации из- за удельного веса минеральных зерен эрозионного материала из основных и ультраосновных пород . Минералы титана в основном представляют собой анатаз и рутил , а цирконий встречается в минерале цирконе . Из-за химического сходства до 5% циркония в цирконе заменяется гафнием. Крупнейшими производителями элементов группы 4 являются Австралия , Южная Африка и Канада . [48] [49] [50] [51] [52]
Титановый металл и его сплавы имеют широкий спектр применения, где коррозионная стойкость, термостойкость и низкая плотность (легкий вес) являются преимуществом. Наиболее коррозионно-стойкий гафний и цирконий использовались в ядерных реакторах. Цирконий имеет очень низкое, а гафний — высокое сечение захвата тепловых нейтронов . Поэтому цирконий (в основном как циркалои ) используется в качестве оболочки топливных стержней в ядерных реакторах , [42] в то время как гафний используется в регулирующих стержнях для ядерных реакторов , потому что каждый атом гафния может поглощать несколько нейтронов. [53] [54]
Меньшие количества гафния [55] и циркония используются в суперсплавах для улучшения свойств этих сплавов. [56]
Элементы группы 4 — это твердые тугоплавкие металлы с низкой растворимостью в воде и низкой доступностью для биосферы. Титан и цирконий относительно распространены, тогда как гафний и резерфордий редки или отсутствуют в окружающей среде.
Титан не играет никакой известной роли в биологии какого-либо организма. Однако многие исследования показывают, что титан может быть биологически активным. Большая часть титана на Земле хранится в нерастворимых минералах, поэтому маловероятно, что он будет частью какой-либо биологической системы, несмотря на то, что он потенциально биологически активен. [57]
Цирконий не играет известной роли в какой-либо биологической системе, [58] но распространен в биологических системах. Некоторые антиперспирантные продукты используют тетрахлоргидрекс глицин алюминия циркония для блокирования потовых пор в коже. [59]
Гафний не играет известной роли ни в одной биологической системе и имеет низкую токсичность. [60]
Резерфордий — синтетический, дорогой и радиоактивный: наиболее стабильные изотопы имеют период полураспада менее часа. Мало химических свойств и нет известных биологических функций.
Титан нетоксичен даже в больших дозах и не играет никакой естественной роли в организме человека . [61] По оценкам, ежедневно человек потребляет около 0,8 миллиграмма титана, но большая его часть проходит через него, не всасываясь в ткани. [61] Однако иногда он биоаккумулируется в тканях, содержащих кремний . Одно исследование указывает на возможную связь между титаном и синдромом желтых ногтей . [62]
Циркониевый порошок может вызывать раздражение, но только при попадании в глаза требуется медицинская помощь. [63] Рекомендации OSHA для циркония составляют 5 мг/м 3 средневзвешенного по времени предела и 10 мг/м 3 предела кратковременного воздействия. [64]
Существуют лишь ограниченные данные о токсикологии гафния. [65] Необходимо соблюдать осторожность при обработке гафния, поскольку он является пирофорным — мелкие частицы могут самопроизвольно воспламеняться при контакте с воздухом. Соединения, содержащие этот металл, редко встречаются большинству людей. Чистый металл не считается токсичным, но с соединениями гафния следует обращаться так, как если бы они были токсичными, поскольку ионные формы металлов обычно подвержены наибольшему риску токсичности, и для соединений гафния проводились ограниченные испытания на животных. [65]