Elementi IVb grupe PSE

U IVb grupu ubrajamo elemente titan, cirkonijum, hafnijum i radefordijum. Pokazuju izvesne sličnosti sa elementima IIIb grupe, premda su manje reaktivni i imaju sposobnost građenja komplekasa, svojstvenu za većinu prelaznih metala. Reaktivnost im se blago povećava povećanjem atomske težine.

Titan

• atomski broj: 22
• A_r: 47,88
• grupa: 4b
• perioda: N
• blok: d
• osobine: prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 3560 K
• T.T: 1941 K
• gustina: 4,506g/cm³
• elektronegativnost: 1,5
• otkriće: William Gregor, 1791.
• lat. naziv: titanium
• oksidaciona stanja: +4, +2, +3 (u kompleksima)
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 10, 2
• elektronska konfiguracija: [Ar]3d²4s²
• atomski poluprečnik: 140 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Ti -> Ti⁺, 658
  • Ti⁺ -> Ti²⁺, 1310
  • Ti²⁺ -> Ti³⁺, 2652
  • Ti³⁺ -> Ti⁴⁺, 4175
• izotopi:
  1. Ti-46
     • zastupljenost u prirodi: 8%
     • raspad: stabilan
  2. Ti-47
     • zastupljenost u prirodi: 7,3%
     • raspad: stabilan
  3. Ti-48
     • zastupljenost u prirodi: 73,8%
     • raspad: stabilan
  4. Ti-49
     • zastupljenost u prirodi: 5,5%
     • raspad: stabilan
  5. Ti-50
     • zastupljenost u prirodi: 5,4%
     • raspad: stabilan
  6. Sintetisan je izotop titana atomske mase 44.

Cirkonijum

• atomski broj: 40
• A_r: 91,22
• grupa: 4b
• perioda: O
• blok: d
• osobine: prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4682 K
• T.T: 2125 K
• gustina: 6,52g/cm³
• elektronegativnost: 1,4
• otkriće: M. Klaproth, 1789.
• lat. naziv: zirkonium
• oksidaciona stanja: +4, +2, +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 10, 2
• elektronska konfiguracija: [Kr]4d²5s²
• atomski poluprečnik: 155 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Zr -> Zr⁺, 660
  • Zr⁺ -> Zr²⁺, 1267
  • Zr²⁺ -> Zr³⁺, 2218
  • Zr³⁺ -> Zr⁴⁺, 3313
• izotopi:
  1. Zr-90
     • zastupljenost u prirodi: 51,45%
     • raspad: stabilan
  2. Zr-91
     • zastupljenost u prirodi: 11,22%
     • raspad: stabilan
  3. Zr-92
     • zastupljenost u prirodi: 17,15%
     • raspad: stabilan
  4. Zr-94
     • zastupljenost u prirodi: 17,38%
     • raspad: stabilan
  5. Zr-96
     • zastupljenost u prirodi: 2,8%
     • raspad: dupli beta^-
     • vreme poluraspada: 3,9*10²⁰ godina
     • raspada se na: Mo-96
  6. Sintetisani su izotopi cirkonijuma atomskih masa 88, 89 i 93.

Hafnijum

• atomski broj: 72
• A_r: 178,49
• grupa: 4b
• perioda: P
• blok: d
• osobine: prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: 4876 K
• T.T: 2506 K
• gustina: 13,31g/cm³
• elektronegativnost: 1,3
• otkriće: Dirk Coster, George Hevesy, 1923.
• lat. naziv: hafnium
• oksidaciona stanja: +4, +2, +3
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 10, 2
• elektronska konfiguracija: [Xe]4f¹⁴5d²6s²
• atomski poluprečnik: 155 pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Hf -> Hf⁺, 642
  • Hf⁺ -> Hf²⁺, 1440
  • Hf²⁺ -> Hf³⁺, 2250
  • Hf³⁺ -> Hf⁴⁺, 3216
• izotopi:
  1. Hf-174
     • zastupljenost u prirodi: 0,162%
     • raspad: alfa
     • vreme poluraspada: 2*10¹⁵ godina
     • raspada se na: Yb-170
  2. Hf-176
     • zastupljenost u prirodi: 5,206%
     • raspad: stabilan
  3. Hf-177
     • zastupljenost u prirodi: 18,606%
     • raspad: stabilan
  4. Hf-178
     • zastupljenost u prirodi: 27,297%
     • raspad: stabilan
  5. Hf-179
     • zastupljenost u prirodi: 13,629%
     • raspad: stabilan
  6. Hf-180
     • zastupljenost u prirodi: 35,1%
     • raspad: stabilan
  7. Sintetisani su izotopi hafnijum atomskih masa 172 i 182.

Radefordijum

• atomski broj: 104
• A_r: 257/261
• grupa: 4b
• perioda: Q
• blok: d
• osobine: prelazni metal
• agregatno stanje: čvrsto
• T.K: ? K
• T.T: ? K
• gustina: ?g/cm³
• elektronegativnost: ?
• otkriće: tim naučnika sa Berkeley-a
• lat. naziv: rutherfordium
• oksidaciona stanja: +4
• raspored elektrona po nivoima: 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2
• elektronska konfiguracija: [Rn]5f¹⁴6d²7s²
• atomski poluprečnik: ? pm
• energija jonizacije (kJ/mol):
  • Rf -> Rf⁺, 490
• izotopi:
  1. Rf je sintetički element. Njegov izotop sa najdužim vremenom poluraspada (13 časova) je Rf-265.

Dobijanje

Elementi IVb grupe ne nalaze se u slobodnom stanju u prirodi. Titan je četvrti najzastupljeniji element u zemljinoj kori. Tiatnove rude su ilmenit (FeTiO₃), rutil (TiO₂) i titanit (CaTiSiO₅). Najzastupljenija ruda cirkonijuma je cirkon (ZrSiO₄). Iz cirkona se uz cirkonijum dobija i hafnijum koji ga redovno prati. Svi metali IVb grupe izdvajaju se iz ruda na sličan način - obrađivanjem hlorom, a zatim redukcijom magnezijumom ili natrijumom. Nekada se primenjivala i redukcija ugljenikom koja se napušta zbog nedovoljne čistoće proizvoda (zaostaje dosta ugljenika, kao i TiC, titan-karbida).

Ti⁴⁺ + 2Cl₂ + 4e^- -> Ti⁴⁺ + 4Cl^-

TiCl₄ + 2Mg -> 2MgCl₂ + Ti

TiO₂ + 2C -> Ti + 2CO

Reakcije

Metali IVb grupe zaštićeni su tankim slojem oksida koji sprečava koroziju, ne samo kiseonikom i vodom, nego i halogenima i većinom mineralnih kiselina i alkalija. Titan i cirkonijum reaguju sa vodenom parom gradeći okside.

Ti + 2H₂O -> TiO₂ + 2H₂

Kada se zapale metali sagorevaju u okside, a titan gradi istovremeno i nitrid

Ti + O₂ -> TiO₂

2Ti + N₂ -> 2TiN

Titan je veoma otporan na dejstva halogena, a cirkonijum i hafnijum imaju nešto manju otpornost. Pri zagrevanju se reakcije ipak odvijaju:

Ti + 2F₂ -> TiF₄

Hf + 2I₂ -> HfI₄

Na cirkonijum i hafnijum neorganske kiseline imaju veoma slabo dejstvo, a na titan gotovo nikakvo. Izuzetak je HF u kojoj se metali rastvaraju gradeći komplekse. Titan gradi kompleks i sa vrelom HCl.

2Zr + 12HF -> 2[ZrF₆]^3- + 6H⁺ + 3H₂

2Ti + 12HCl -> 2[TiCl₆]^3- + 6H⁺ + 3H₂

Metali su veoma otporni i na dejstvo alkalija čak i pri zagrevanju.

Primena

Kao izvanredno otporni prema koroziji, metali IVb grupe nalaze primenu u legiranju. Cirkonijum i hafnijum legiraju se često sa gvožđem. titanom, niobijumom, tantalom... Titan pripada grupi lakih metala, te su od legura sa Fe, Mn, V, Mo i drugih daleko značajnije lake legure tipa Ti-Al-V, a ređe i Ti-Ca, Ti-Mg. Legure titana beleže godišnji porast korišćenja najveći posle polimera (7%).

Jedinjenja

Elementi IVb grupe grade okside i soli (od hlorida, sulfata... daleko veću važnost imaju nitridi, karbidi, boridi - jedinjenja sa izraženijim kovalentnim karakterom). Hidroksidi su im manje stabilni. Imaju posebno izraženu sposobnost građenja komplekasa.

Literatura:

• Mini Periodic Table
• "Hemijska čitanka", Živorad Čeković
• Periodni sistem elemenata sa Sveta hemije
• wikipedia.org