Elemento del Grupo 3
El grupo 3 es el primer grupo de metales de transición en la tabla periódica. Este grupo está estrechamente relacionado con los elementos de tierras raras. Aunque existe cierta controversia con respecto a la composición y ubicación de este grupo, generalmente se acepta entre quienes estudian el tema que este grupo contiene los cuatro elementos escandio (Sc), itrio (Y), lutecio (Lu) y lawrencio (Lr). El grupo también se denomina grupo de escandio o familia de escandio por su miembro más ligero.
La química de los elementos del grupo 3 es típica de los primeros metales de transición: todos tienen esencialmente solo el estado de oxidación del grupo de +3 como uno de los principales y, al igual que los metales del grupo principal anteriores, son bastante electropositivos y tienen una química de coordinación menos rica. Debido a los efectos de la contracción de los lantánidos, el itrio y el lutecio tienen propiedades muy similares. El itrio y el lutecio tienen esencialmente la química de los lantánidos pesados, pero el escandio muestra varias diferencias debido a su pequeño tamaño. Este es un patrón similar a los de los primeros grupos de metales de transición, donde el elemento más ligero es distinto de los dos siguientes muy similares.
Todos los elementos del grupo 3 son metales bastante blandos, de color blanco plateado, aunque su dureza aumenta con el número atómico. Se deslustran rápidamente en el aire y reaccionan con el agua, aunque su reactividad queda enmascarada por la formación de una capa de óxido. Los primeros tres ocurren naturalmente, y especialmente el itrio y el lutecio están casi invariablemente asociados con los lantánidos debido a su química similar. El laurencio es fuertemente radiactivo: no ocurre naturalmente y debe ser producido por síntesis artificial, pero sus propiedades observadas y teóricamente predichas son consistentes con que sea un homólogo más pesado del lutecio. Ninguno de ellos tiene ningún papel biológico.
Históricamente, a veces el lantano (La) y el actinio (Ac) se incluían en el grupo en lugar del lutecio y el larencio, y esta opción todavía se encuentra comúnmente en los libros de texto. Se han propuesto y utilizado algunos compromisos entre las dos opciones principales, que implican la reducción del grupo a escandio e itrio únicamente, o la inclusión de los 30 lantánidos y actínidos en el grupo también.
Historia
Descubrimientos de los elementos
El descubrimiento de los elementos del grupo 3 está indisolublemente ligado al de las tierras raras, con las que se asocian universalmente en la naturaleza. En 1787, el químico sueco a tiempo parcial Carl Axel Arrhenius encontró una roca negra pesada cerca del pueblo sueco de Ytterby, Suecia (parte del archipiélago de Estocolmo). Pensando que era un mineral desconocido que contenía el elemento tungsteno recién descubierto, lo llamó iterbita. El científico finlandés Johan Gadolin identificó un nuevo óxido o "tierra" en la muestra de Arrhenius en 1789 y publicó su análisis completo en 1794; en 1797, el nuevo óxido se denominó itria.En las décadas posteriores a que el científico francés Antoine Lavoisier desarrollara la primera definición moderna de los elementos químicos, se creía que las tierras podían reducirse a sus elementos, lo que significaba que el descubrimiento de una nueva tierra equivalía al descubrimiento del elemento interior, que en este caso hubiera sido el itrio. Hasta principios de la década de 1920, se utilizó el símbolo químico "Yt" para el elemento, después de lo cual "Y" pasó a ser de uso común. El itrio metálico, aunque impuro, se preparó por primera vez en 1828 cuando Friedrich Wöhler calentó cloruro de itrio (III) anhidro con potasio para formar itrio metálico y cloruro de potasio. De hecho, el itria de Gadolin resultó ser una mezcla de muchos óxidos metálicos, lo que inició la historia del descubrimiento de las tierras raras.
En 1869, el químico ruso Dmitri Mendeleev publicó su tabla periódica, que tenía un espacio vacío para un elemento por encima del itrio. Mendeleev hizo varias predicciones sobre este hipotético elemento, al que llamó eka-boro. Para entonces, el itria de Gadolin ya se había dividido varias veces; primero por el químico sueco Carl Gustaf Mosander, quien en 1843 había dividido dos tierras más a las que llamó terbia y erbia (dividiendo el nombre de Ytterby tal como se había dividido itria); y luego en 1878 cuando el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac dividió la terbia y la erbia en más tierras. Entre estos estaba iterbia (un componente de la antigua erbia),que el químico sueco Lars Fredrik Nilson dividió con éxito en 1879 para revelar otro elemento nuevo. Lo llamó escandio, del latín Scandia que significa "Escandinavia". Aparentemente, Nilson no estaba al tanto de la predicción de Mendeleev, pero Per Teodor Cleve reconoció la correspondencia y notificó a Mendeleev. Los experimentos químicos con escandio demostraron que las sugerencias de Mendeleev eran correctas; junto con el descubrimiento y la caracterización del galio y el germanio, esto demostró la corrección de toda la tabla periódica y la ley periódica. El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937 mediante electrólisis de una mezcla eutéctica, a 700-800 °C, de cloruros de potasio, litio y escandio.El escandio existe en los mismos minerales en los que se descubrió el itrio, pero es mucho más raro y probablemente por esa razón no se pudo descubrir.
El componente restante de la iterbia de Marignac también resultó ser un compuesto. En 1907, el científico francés Georges Urbain, el mineralogista austriaco Baron Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James descubrieron de forma independiente un nuevo elemento dentro de ytterbia. Welsbach propuso el nombre cassiopeium para su nuevo elemento (después de Cassiopeia), mientras que Urbain eligió el nombre lutecium (del latín Lutetia, para París). La disputa sobre la prioridad del descubrimiento está documentada en dos artículos en los que Urbain y von Welsbach se acusan mutuamente de publicar resultados influenciados por las investigaciones publicadas del otro.En 1909, la Comisión de Masa Atómica, encargada de la atribución de los nombres de los nuevos elementos, concedió prioridad a Urbain y adoptó sus nombres como oficiales. Un problema obvio con esta decisión fue que Urbain era uno de los cuatro miembros de la comisión. En 1949, la ortografía del elemento 71 se cambió a lutecio. El trabajo posterior relacionado con los intentos de Urbain de dividir aún más su lutecio, sin embargo, reveló que solo contenía rastros del nuevo elemento 71, y que solo el casiopeio de von Welsbach era el elemento 71 puro. Por esta razón, muchos científicos alemanes continuaron usando el nombre casiopeio para el elemento hasta la década de 1950. Irónicamente, Charles James, que modestamente se había mantenido al margen de la discusión sobre la prioridad, trabajaba a una escala mucho mayor que los demás y, sin duda, poseía el mayor suministro de lutecio en ese momento. El lutecio fue la última de las tierras raras estables en ser descubierta. Más de un siglo de investigación había dividido el itrio original de Gadolin en itrio, escandio, lutecio y otros siete elementos nuevos.
Lawrencium es el único elemento del grupo que no ocurre naturalmente. Fue sintetizado por primera vez por Albert Ghiorso y su equipo el 14 de febrero de 1961 en el Laboratorio de Radiación Lawrence (ahora llamado Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley) en la Universidad de California en Berkeley, California, Estados Unidos. Los primeros átomos de laurencio se produjeron bombardeando un objetivo de tres miligramos que constaba de tres isótopos del elemento californio con núcleos de boro-10 y boro-11 del Acelerador lineal de iones pesados (HILAC). El nucleido 103 se informó originalmente, pero luego se reasignó a 103. El equipo de la Universidad de California sugirió el nombre lawrencium (en honor a Ernest O. Lawrence, el inventor del acelerador de partículas de ciclotrón) y el símbolo "Lw",para el nuevo elemento, pero no se adoptó "Lw" y en su lugar se aceptó oficialmente "Lr". Investigadores de física nuclear en Dubna, Unión Soviética (ahora Rusia), informaron en 1967 que no podían confirmar los datos de los científicos estadounidenses sobre 103. Dos años antes, el equipo de Dubna informó 103. En 1992, el IUPAC Trans-fermium Working Group reconoció oficialmente el elemento 103, confirmó su denominación como lawrencio, con el símbolo "Lr", y nombró a los equipos de física nuclear de Dubna y Berkeley como los co-descubridores del lawrencio.
Disputa sobre composición
Sc, Y, La, Ac
| Hidrógeno | Helio | ||||||||||||||||||||||||||||||
| Litio | Berilio | Boro | Carbón | Nitrógeno | Oxígeno | Flúor | Neón | ||||||||||||||||||||||||
| Sodio | Magnesio | Aluminio | Silicio | Fósforo | Azufre | Cloro | Argón | ||||||||||||||||||||||||
| Potasio | Calcio | Escandio | Titanio | Vanadio | Cromo | Manganeso | Hierro | Cobalto | Níquel | Cobre | Zinc | Galio | Germanio | Arsénico | Selenio | Bromo | Criptón | ||||||||||||||
| Rubidio | Estroncio | Itrio | Circonio | Niobio | Molibdeno | tecnecio | Rutenio | Rodio | Paladio | Plata | Cadmio | indio | Estaño | Antimonio | Telurio | Yodo | Xenón | ||||||||||||||
| Cesio | Bario | Lantano | Cerio | Praseodimio | neodimio | Prometeo | Samario | europio | gadolinio | Terbio | disprosio | holmio | erbio | Tulio | Iterbio | lutecio | Hafnio | tantalio | Tungsteno | renio | Osmio | iridio | Platino | Oro | Mercurio (elemento) | talio | Guiar | Bismuto | Polonio | astato | Radón |
| francio | Radio | Actinio | torio | Protactinio | Uranio | Neptunio | Plutonio | Americio | Curio | Berkelio | Californio | einstenio | fermio | Mendelevio | Nobelio | Lawrence | Rutherfordio | dubnio | seaborgio | Bohrio | Hassio | meitnerio | Darmstadtio | Roentgenio | Copernicio | nihonio | Flerovio | moscovio | Livermorio | Tennessee | Oganesson |
Históricamente, los elementos de tierras raras dieron muchos problemas a la tabla periódica. En 1871, el químico ruso Dmitri Mendeleev (inventor de la tabla periódica) intentó colocarlos en los mismos grupos que otros elementos, pero una investigación más profunda de las tierras raras dejó en claro que no mostraban las valencias necesarias para que esas ubicaciones tuvieran sentido.. En 1902, el químico checo Bohuslav Brauner sugirió que todas las tierras raras pertenecían a un solo lugar en la tabla periódica: llamó a esto la "hipótesis de los asteroides", ya que así como entre Marte y Júpiter hay un cinturón de asteroides en lugar de un planeta, así abajo itrio habría todos los lantánidos en lugar de un solo elemento.
Con las mediciones de las configuraciones electrónicas de fase gaseosa en estado fundamental de los elementos, y su adopción como base para la ubicación en la tabla periódica, la forma más antigua del grupo 3 que contiene escandio, itrio, lantano y actinio ganó prominencia en la década de 1940. Las configuraciones del estado fundamental de cesio, bario y lantano son [Xe]6s, [Xe]6s y [Xe]5d 6s. El lantano emerge así con un electrón de diferenciación 5d y, por este motivo, se consideró que estaba "en el grupo 3 como el primer miembro del bloque d para el período 6". Luego se observó un conjunto superficialmente consistente de configuraciones electrónicas en el grupo 3: escandio [Ar]3d 4s, itrio [Kr]4d 5s, lantano [Xe]5d 6s y actinio [Rn]6d 7s. Todavía en el período 6, al iterbio se le asignó erróneamente una configuración electrónica de [Xe]4f 5d 6s y al lutecio [Xe]4f 5d 6s, lo que sugería que el lutecio era el último elemento del bloque f. Este formato da como resultado que el bloque f se interponga entre los grupos 3 y 4 del bloque d y los separe.Sc, Y, Lu, Lr
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Sin embargo, trabajos espectroscópicos posteriores encontraron que la configuración electrónica correcta del iterbio era, de hecho, [Xe]4f 6s. Esto significaba que el iterbio y el lutecio, el último con [Xe]4f 5d 6s, tenían 14 electrones f, "dando como resultado un electrón diferenciador d- en lugar de f-" para el lutecio y convirtiéndolo en un "candidato igualmente válido" con [Xe]5d 6s lantano, para la posición de la tabla periódica del grupo 3 por debajo del itrio. Esto daría como resultado un grupo 3 con escandio, itrio, lutecio y laurencio. Los primeros en señalar estas implicaciones fueron los físicos rusos Lev Landau y Evgeny Lifshitz en 1948: su libro de texto Course of Theoretical Physicsdeclaró: "En los libros de química, el lutecio también se coloca con los elementos de tierras raras. Esto, sin embargo, es incorrecto, ya que la capa 4f está completa en lutecio". Después de que Landau y Lifshitz hicieran su declaración, muchos físicos también apoyaron el cambio en las décadas de 1960 y 1970, centrándose en muchas propiedades, como la estructura cristalina, los puntos de fusión, la estructura de la banda de conducción y la superconductividad en la que el lutecio coincide con el comportamiento del escandio y el itrio. pero el lantano es distinto. Este formulario no requiere bloques divididos.
Algunos autores también habían llegado a esta conclusión por otros medios. En 1905, antes de que se descubriera el lutecio, el químico suizo Alfred Werner ya colocó el lantano en una columna diferente a la del escandio y el itrio debido a su comportamiento químico distinto. El ingeniero francés Charles Janet también había colocado lutecio bajo itrio en 1928. El químico soviético Chistyakov señaló en 1968 que la periodicidad secundaria se cumplía en el grupo 3 solo si se incluía lutecio en lugar de lantano. Sin embargo, la comunidad química ignoró en gran medida estas conclusiones. El filósofo de la ciencia Eric Scerri sugiere que un factor puede haber sido que varios autores que propusieron este cambio fueran físicos.
El químico estadounidense William B. Jensen recopiló muchos de los argumentos anteriores en un pedido concertado de 1982 a los químicos para que cambiaran sus tablas periódicas y colocaran el lutecio y el larencio en el grupo 3. Además de esos argumentos físicos y químicos, también señaló que las configuraciones del lantano y el actinio se consideran mejor como irregulares, de forma similar a cómo se trataba universalmente al torio incluso entonces. El torio no tiene electrones f en su estado fundamental (siendo [Rn]6d 7s), pero se colocó y se coloca universalmente como un elemento de bloque f con una configuración irregular de fase gaseosa en estado fundamental que reemplaza al [Rn]5f 7s ideal. El lantano y el actinio podrían entonces considerarse casos similares en los que una configuración f s ideal se reemplaza por ad sconfiguración en el estado fundamental. Dado que la mayoría de los elementos del bloque f tienen de hecho una configuración f s y no una configuración f d s, se recomienda encarecidamente la primera como la configuración general ideal para los elementos del bloque f. Esta reasignación crea de manera similar una serie homóloga de configuraciones en el grupo 3: en particular, la adición de una capa f llena al núcleo que pasa de itrio a lutecio es exactamente análoga a lo que sucede en cualquier otro grupo de bloques d.
En cualquier caso, las configuraciones de fase gaseosa en estado fundamental consideran solo átomos aislados en lugar de átomos enlazantes en compuestos (siendo estos últimos más relevantes para la química), que a menudo muestran configuraciones diferentes. La idea de configuraciones irregulares está respaldada por estados excitados bajos: a pesar de no tener un electrón f en su estado fundamental, el lantano tiene orbitales f de energía lo suficientemente baja como para que puedan usarse para la química, y esto afecta las propiedades físicas que se había aducido como prueba de la reasignación propuesta. (El escandio, el itrio y el lutecio no tienen orbitales f disponibles tan bajos). La configuración irregular del laurencio ([Rn]5f 7s 7p en lugar de [Rn]5f 6d 7s) puede racionalizarse de manera similar como otra anomalía (aunque única) debido a los efectos relativistas que se vuelven importantes para los elementos más pesados. Estas configuraciones irregulares en los elementos 4f son el resultado de una fuerte repulsión interelectrónica en la capa compacta 4f, con el resultado de que cuando la carga iónica es baja, se obtiene un estado de menor energía al mover algunos electrones a los orbitales 5d y 6s que no sufren una repulsión interelectrónica tan grande, a pesar de que el nivel de energía de 4f es normalmente más bajo que el de 5d o el de 6s: un efecto similar ocurre al principio de la serie 5f.SC, Y
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| Litio | Berilio | Boro | Carbón | Nitrógeno | Oxígeno | Flúor | Neón | |||||||||||||||||||||||||
| Sodio | Magnesio | Aluminio | Silicio | Fósforo | Azufre | Cloro | Argón | |||||||||||||||||||||||||
| Potasio | Calcio | Escandio | Titanio | Vanadio | Cromo | Manganeso | Hierro | Cobalto | Níquel | Cobre | Zinc | Galio | Germanio | Arsénico | Selenio | Bromo | Criptón | |||||||||||||||
| Rubidio | Estroncio | Itrio | Circonio | Niobio | Molibdeno | tecnecio | Rutenio | Rodio | Paladio | Plata | Cadmio | indio | Estaño | Antimonio | Telurio | Yodo | Xenón | |||||||||||||||
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En 1988, se publicó un informe de la IUPAC que tocaba el tema. Si bien escribió que las configuraciones electrónicas estaban a favor de la nueva asignación del grupo 3 con lutecio y laurencio, en cambio decidió un compromiso en el que los puntos inferiores del grupo 3 se dejaron en blanco, porque la forma tradicional con lantano y actinio seguía siendo popular. Esto podría interpretarse como la reducción del grupo 3 a escandio e itrio únicamente, o como la inclusión de todos los lantánidos y actínidos en el grupo 3; la última interpretación es, en efecto, un regreso a la hipótesis del asteroide de Brauner.En cualquier caso, el bloque f aparece con 15 elementos, a pesar de que la mecánica cuántica dicta que debería tener 14. Esta tabla aparece en muchas publicaciones de la IUPAC; a pesar de estar comúnmente etiquetado como "tabla periódica IUPAC", en realidad no cuenta con el respaldo oficial de IUPAC. El siguiente Libro Rojo de la IUPAC (una colección de reglas de nomenclatura para la química inorgánica) de 1990 mostraba la tabla periódica en tres formatos, 8 columnas (basado en el original de Mendeleev), 18 columnas y 32 columnas; los dos primeros mostraron el compromiso con todos los lantánidos y actínidos en el grupo 3, pero el tercero mostró lutecio y laurencio solos bajo itrio en el grupo 3. En 2005, los formularios de 8 y 32 columnas se eliminaron del Libro Rojo de la IUPAC, dejando sólo la versión de compromiso en formato de 18 columnas.Sc, Y, Ln (15), An (15)
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Este compromiso no detuvo el debate. Aunque algunos químicos fueron convencidos por los argumentos para reasignar el lutecio al grupo 3, muchos continuaron mostrando lantano en el grupo 3, ya sea porque no conocían los argumentos o porque no les convencieron. La mayoría de las investigaciones sobre el tema tendieron a apoyar la reasignación propuesta de lutecio al grupo 3. Sin embargo, en los libros de texto de química, la forma tradicional siguió siendo la más popular hasta la década de 2010, aunque gradualmente perdió algo de terreno frente a la nueva forma con lutecio y la forma de compromiso. Algunos libros de texto incluso mostraron de manera inconsistente diferentes formas en diferentes lugares.Laurence Lavelle fue más allá, defendiendo la forma tradicional con lantano en el grupo 3 sobre la base de que ni el lantano ni el actinio tienen electrones f de valencia en el estado fundamental, lo que dio lugar a un acalorado debate. Jensen luego refutó esto señalando la inconsistencia de los argumentos de Lavelle (ya que lo mismo era cierto para el torio y el lutecio, que Lavelle colocó en el bloque f) y la evidencia de configuraciones irregulares.Scerri, quien ha publicado extensamente sobre este tema, ha señalado que el caso de Jensen basado en las propiedades físicas y químicas no es concluyente debido a su selectividad, señalando otras opciones de propiedades que parecen respaldar al lantano en el grupo 3 en lugar del lutecio. No obstante, también ha apoyado consistentemente el lutecio en el grupo 3 sobre la base de evitar una división en el bloque d, y también se ha referido al hecho de que las configuraciones electrónicas son aproximaciones y al problema del torio.
En diciembre de 2015 se estableció un proyecto de la IUPAC, presidido por Scerri y que incluye (entre otros) a Jensen y Lavelle, para hacer una recomendación al respecto. Su informe preliminar se publicó en enero de 2021. Concluyó que ninguno de los criterios invocados anteriormente en el debate dio una resolución clara de la pregunta y que, en última instancia, la pregunta se basaba en una convención en lugar de ser algo objetivamente decidible científicamente. Como tal, sugirió "un grado de convención" para "seleccionar una tabla periódica que pueda presentarse como la mejor tabla de compromiso que combina factores objetivos así como la dependencia de intereses", para su presentación a "la audiencia más amplia posible de químicos"., profesores de química y estudiantes de química". tres deseosse dieron: (1) todos los elementos deben mostrarse en orden creciente de número atómico, (2) el bloque d no debe dividirse en "dos porciones muy desiguales", y (3) los bloques deben tener los anchos 2, 6, 10 y 14 de acuerdo con la base mecánica cuántica de la tabla periódica. Se admitió que la asignación de bloques era aproximada, al igual que la asignación de configuraciones electrónicas: se comentó específicamente el caso del torio. Estos tres desiderata solo los cumple la mesa con lutecio y laurencio en el grupo 3; la forma tradicional del grupo 3 con lantano viola (2), y la forma de compromiso del grupo 3 con todos los lantánidos y actínidos viola (3). Como tal, se sugirió como compromiso la forma con lutecio en el grupo 3.
El proyecto finalizó en diciembre de 2021. Actualmente, el sitio web de la IUPAC sobre la tabla periódica todavía muestra el compromiso de 1988, pero menciona el problema del grupo 3 y el proyecto para resolverlo, y escribe "Stay tune [d]".
Características
Químico
| Configuraciones electrónicas de los elementos del grupo 3 | |||
|---|---|---|---|
| Z | Elemento | Configuración electronica | |
| 21 | SC, escandio | 2, 8, 9, 2 | [Ar] 3d 4s |
| 39 | Y, itrio | 2, 8, 18, 9, 2 | [Kr] 4d 5s |
| 71 | Lu, lutecio | 2, 8, 18, 32, 9, 2 | [X] 4f 5d 6s |
| 103 | Lr, laurencio | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 | [Rn] 5f 6d 7s 7p |
Al igual que otros grupos, los miembros de esta familia muestran patrones en sus configuraciones electrónicas, especialmente en las capas más externas, lo que da como resultado tendencias en el comportamiento químico. Debido a los efectos relativistas que se vuelven importantes para números atómicos altos, la configuración de lawrencio tiene una ocupación irregular de 7p en lugar de la esperada 6d, pero la configuración regular [Rn]5f 6d 7s resulta ser lo suficientemente baja en energía como para que no haya una diferencia significativa con el resto. del grupo es observado o esperado.
La mayor parte de la química se ha observado solo para los primeros tres miembros del grupo; Las propiedades químicas del laurencio no están bien caracterizadas, pero lo que se sabe y se predice coincide con su posición como un homólogo más pesado del lutecio. Los elementos restantes del grupo (escandio, itrio, lutecio) son bastante electropositivos. Son metales reactivos, aunque esto no es evidente debido a la formación de una capa de óxido estable que impide reacciones posteriores. Los metales se queman fácilmente para dar los óxidos, que son sólidos blancos de alto punto de fusión. Por lo general, se oxidan al estado de oxidación +3, en el que forman compuestos mayoritariamente iónicos y tienen una química acuosa mayoritariamente catiónica. De esta manera son similares a los lantánidos,aunque carecen de la participación de los orbitales f que caracteriza la química de los elementos 4f del lantano al iterbio. Por lo tanto, los elementos estables del grupo 3 se agrupan a menudo con los elementos 4f como las llamadas tierras raras.
Las propiedades típicas de los metales de transición están mayormente ausentes de este grupo, como lo están para los elementos más pesados de los grupos 4 y 5: solo hay un estado de oxidación típico y la química de coordinación no es muy rica (aunque los números de coordinación altos son comunes debido a la gran tamaño de los iones M). Dicho esto, se pueden preparar compuestos en un estado de oxidación bajo y se conoce algo de la química del ciclopentadienilo. Las químicas de los elementos del grupo 3 se distinguen principalmente por sus radios atómicos: el itrio y el lutecio son muy similares, pero el escandio se destaca como el menos básico y el mejor agente complejante, acercándose al aluminio en algunas propiedades.Ocupan naturalmente su lugar junto con las tierras raras en una serie de elementos trivalentes: el itrio actúa como una tierra rara intermedia entre el disprosio y el holmio en basicidad; lutecio como menos básico que los elementos 4f y el menos básico de los lantánidos; y el escandio como una tierra rara menos básica incluso que el lutecio. El óxido de escandio es anfótero; el óxido de lutecio es más básico (aunque difícilmente puede hacerse que presente algunas propiedades ácidas), y el óxido de itrio es aún más básico. Las sales con ácidos fuertes de estos metales son solubles, mientras que las que tienen ácidos débiles (p. ej., fluoruros, fosfatos, oxalatos) son escasamente solubles o insolubles.
Físico
Las tendencias en el grupo 3 siguen las de los otros primeros grupos de bloques d y reflejan la adición de un caparazón f lleno en el núcleo al pasar del quinto al sexto período. Por ejemplo, el escandio y el itrio son metales blandos. Pero debido a la contracción de los lantánidos, se invierte el aumento esperado en el radio atómico de itrio a lutecio; Los átomos de lutecio son ligeramente más pequeños que los átomos de itrio, pero son más pesados y tienen una carga nuclear más alta. Esto hace que el metal sea más denso y también más duro porque la extracción de los electrones del átomo para formar enlaces metálicos se vuelve más difícil. Los tres metales tienen puntos de fusión y ebullición similares. Se sabe muy poco sobre el laurencio, pero los cálculos sugieren que continúa la tendencia de sus congéneres más ligeros hacia una densidad creciente.
El escandio, el itrio y el lutecio cristalizan en la estructura compacta hexagonal a temperatura ambiente, y se espera que el laurencio haga lo mismo. Se sabe que los miembros estables del grupo cambian de estructura a alta temperatura. En comparación con la mayoría de los metales, no son muy buenos conductores del calor y la electricidad debido al bajo número de electrones disponibles para los enlaces metálicos.
| Nombre | SC, escandio | Y, itrio | Lu, lutecio | Lr, laurencio |
|---|---|---|---|---|
| Punto de fusion | 1814 K, 1541 °C | 1799 K, 1526 °C | 1925 K, 1652 °C | 1900 K, 1627 °C |
| Punto de ebullición | 3109 K, 2836 °C | 3609 K, 3336 °C | 3675 K, 3402 °C | ? |
| Densidad | 2,99 g·cm | 4,47 g·cm | 9,84 g·cm | ? 14,4 g·cm |
| Apariencia | plateado metalizado | blanco plateado | gris-plata | ? |
| Radio atómico | 162 horas | 180 horas | 174 horas | ? |
Ocurrencia
El escandio, el itrio y el lutecio tienden a ocurrir junto con los otros lantánidos (excepto el prometio de vida corta) en la corteza terrestre y, a menudo, son más difíciles de extraer de sus minerales. La abundancia de elementos en la corteza terrestre para el grupo 3 es bastante baja: todos los elementos del grupo son poco comunes, siendo el itrio el más abundante con una abundancia de aproximadamente 30 partes por millón (ppm); la abundancia de escandio es de 16 ppm, mientras que la de lutecio es de alrededor de 0,5 ppm. A modo de comparación, la abundancia de cobre es de 50 ppm, la del cromo es de 160 ppm y la del molibdeno es de 1,5 ppm.
El escandio se distribuye escasamente y se encuentra en pequeñas cantidades en muchos minerales. Los minerales raros de Escandinavia y Madagascar, como la gadolinita, la euxenita y la tortveitita, son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento; este último contiene hasta un 45 % de escandio en forma de óxido de escandio (III). El itrio tiene la misma tendencia en los lugares de ocurrencia; también se encuentra en muestras de rocas lunares recolectadas durante el Proyecto American Apollo en un contenido relativamente alto.
El principal mineral comercialmente viable de lutecio es el mineral de fosfato de tierras raras monacita, (Ce,La,etc.)PO 4, que contiene 0,003% del elemento. Las principales zonas mineras son China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia. El lutecio puro es uno de los metales de tierras raras más raros y caros, con un precio de unos 10.000 dólares EE.UU./kg, o alrededor de una cuarta parte del precio del oro.
Producción
El elemento más disponible en el grupo 3 es el itrio, con una producción anual de 8.900 toneladas en 2010. El itrio se produce principalmente como óxido en un solo país, China (99%). El lutecio y el escandio también se obtienen principalmente como óxidos, y su producción anual en 2001 fue de unas 10 y 2 toneladas, respectivamente.
Los elementos del grupo 3 se extraen solo como un subproducto de la extracción de otros elementos. A menudo no se producen como metales puros; la producción de itrio metálico es de unas pocas toneladas y la de escandio del orden de 10 kg al año; no se calcula la producción de lutecio, pero ciertamente es pequeña. Los elementos, después de la purificación de otros metales de tierras raras, se aíslan como óxidos; los óxidos se convierten en fluoruros durante las reacciones con ácido fluorhídrico. Los fluoruros resultantes se reducen con metales alcalinotérreos o aleaciones de los metales; el calcio metálico se usa con más frecuencia. Por ejemplo:Sc 2 O 3 + 3 HF → 2 ScF 3 + 3 H 2 O2 ScF 3 + 3 Ca → 3 CaF 2 + 2 Sc
Química biológica
Los metales del grupo 3 tienen baja disponibilidad para la biosfera. El escandio, el itrio y el lutecio no tienen un papel biológico documentado en los organismos vivos. La alta radiactividad del laurencio lo haría altamente tóxico para las células vivas, causando envenenamiento por radiación.
El escandio se concentra en el hígado y es una amenaza para él; algunos de sus compuestos son posiblemente cancerígenos, aunque en general el escandio no es tóxico. Se sabe que el escandio llegó a la cadena alimentaria, pero solo en cantidades mínimas; un ser humano típico toma menos de 0,1 microgramos por día. Una vez que se libera en el medio ambiente, el escandio se acumula gradualmente en los suelos, lo que conduce a un aumento de las concentraciones en las partículas del suelo, los animales y los seres humanos. El escandio es principalmente peligroso en el entorno de trabajo, debido al hecho de que las humedades y los gases pueden inhalarse con el aire. Esto puede causar embolias pulmonares, especialmente durante la exposición a largo plazo. Se sabe que el elemento daña las membranas celulares de los animales acuáticos, causando varias influencias negativas en la reproducción y en las funciones del sistema nervioso.
El itrio tiende a concentrarse en el hígado, los riñones, el bazo, los pulmones y los huesos de los seres humanos. Normalmente se encuentran tan solo 0,5 miligramos en todo el cuerpo humano; la leche materna humana contiene 4 ppm. El itrio se puede encontrar en plantas comestibles en concentraciones entre 20 ppm y 100 ppm (peso fresco), siendo la col la que tiene la mayor cantidad. Con hasta 700 ppm, las semillas de plantas leñosas tienen las concentraciones más altas conocidas.
El lutecio se concentra en los huesos y, en menor medida, en el hígado y los riñones. Se sabe que las sales de lutecio causan el metabolismo y se encuentran junto con otras sales de lantánidos en la naturaleza; el elemento es el menos abundante en el cuerpo humano de todos los lantánidos. Las dietas humanas no han sido monitoreadas para determinar el contenido de lutecio, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es solo de varios microgramos por año, todos provenientes de pequeñas cantidades tomadas por las plantas. Las sales de lutecio solubles son levemente tóxicas, pero las insolubles no lo son.
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