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 . Contiene los cuatro elementos escandio (Sc), itrio (Y), lutecio (Lu) y lawrencio (Lr). El grupo también se denomina grupo del escandio o familia del escandio, en honor a su miembro más ligero.
La química de los elementos del grupo 3 es típica de los metales de transición tempranos: todos ellos tienen esencialmente solo el estado de oxidación del grupo +3 como principal 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 son muy similares en propiedades. 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 al 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 está enmascarada por la formación de una capa de óxido. Los tres primeros se producen de forma natural, y especialmente el itrio y el lutecio se asocian casi invariablemente con los lantánidos debido a su química similar. El lawrencio es fuertemente radiactivo : no se produce de forma natural y debe producirse mediante síntesis artificial, pero sus propiedades observadas y predichas teóricamente son consistentes con su condición de homólogo más pesado del lutecio. Ninguno de los elementos del grupo 3 tiene ningún papel biológico.
Históricamente, a veces se incluían en el grupo el lantano (La) y el actinio (Ac) en lugar del lutecio y el laurencio, porque las configuraciones electrónicas de muchas de las tierras raras se habían medido inicialmente de forma errónea. Esta versión del grupo 3 todavía se encuentra comúnmente en los libros de texto, pero la mayoría de los autores que se centran en el tema están en contra. Algunos autores intentan llegar a un compromiso entre los dos formatos dejando en blanco los espacios debajo del itrio, pero esto contradice la mecánica cuántica , ya que da como resultado un bloque f que tiene 15 elementos de ancho en lugar de 14 (la ocupación máxima de una subcapa f).
La evidencia física, química y electrónica muestra de manera abrumadora que los elementos correctos en el grupo 3 son escandio, itrio, lutecio y lawrencio: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] esta es la clasificación adoptada por la mayoría de los químicos y físicos que han considerado el asunto. [2] Fue apoyada por la IUPAC en un informe de 1988 [3] y reafirmada en 2021. [8] Sin embargo, muchos libros de texto muestran que el grupo 3 contiene escandio, itrio, lantano y actinio, un formato basado en configuraciones electrónicas medidas históricamente erróneamente: [4] Lev Landau y Evgeny Lifshitz ya lo consideraron "incorrecto" en 1948, [5] pero la cuestión fue llevada a un amplio debate solo en 1982 por William B. Jensen . [4]
Los espacios debajo del itrio a veces se dejan en blanco como una tercera opción, pero existe confusión en la literatura sobre si este formato implica que el grupo 3 contiene solo escandio e itrio, o si también contiene todos los lantánidos y actínidos; [8] [9] [10] [11] [12] de cualquier manera, este formato contradice la física cuántica al crear un bloque f de 15 elementos de ancho cuando solo 14 electrones pueden caber en una subcapa f. [8] Si bien el informe de la IUPAC de 2021 señaló que los bloques f de 15 elementos de ancho son apoyados por algunos profesionales de una rama especializada de la mecánica cuántica relativista que se centra en las propiedades de los elementos superpesados , la opinión del proyecto fue que tales preocupaciones dependientes del interés no deberían tener ninguna relación con la forma en que se presenta la tabla periódica a "la comunidad química y científica en general". [8] De hecho, los cálculos mecánico-cuánticos relativistas de los compuestos Lu y Lr no encontraron orbitales f de valencia en ninguno de los elementos. [13] Otros autores que se centraron en elementos superpesados aclararon desde entonces que "la entrada 15 del bloque f representa la primera ranura del bloque d que se deja vacante para indicar el lugar de las inserciones del bloque f", lo que implicaría que esta forma todavía tiene Lu y Lr (las entradas 15 en cuestión) como elementos del bloque d bajo Sc e Y. [14] De hecho, cuando las publicaciones de la IUPAC amplían la tabla a 32 columnas, lo dejan claro y colocan Lu y Lr bajo Y. [15] [16]
Como se señala en el informe de la IUPAC de 2021, Sc-Y-Lu-Lr es la única forma que permite simultáneamente la preservación de la secuencia del número atómico, evita dividir el bloque d en "dos porciones altamente desiguales" y da a los bloques los anchos correctos que exige la mecánica cuántica (2, 6, 10 y 14). [8] Si bien todavía se pueden encontrar argumentos a favor de Sc-Y-La-Ac en la literatura, muchos autores los consideran lógicamente inconsistentes. [4] [2] Por ejemplo, se ha argumentado que el lantano y el actinio no pueden ser elementos del bloque f porque sus átomos no han comenzado a llenar las subcapas f. [17] Pero lo mismo es cierto del torio, que nunca se discute como un elemento del bloque f, [8] [4] y este argumento pasa por alto el problema en el otro extremo: que las capas f se llenan completamente en iterbio y nobelio (que coincide con la forma Sc-Y-Lu-Lr), no en lutecio y lawrencio (como en Sc-Y-La-Ac). [18] El lantano, el actinio y el torio son simplemente ejemplos de excepciones a la regla de Madelung ; no solo esas excepciones representan una minoría de elementos (solo 20 de 118), [18] sino que tampoco nunca se han considerado relevantes para ubicar a ningún otro elemento en la tabla periódica. En los átomos gaseosos, las capas d completan su llenado en el cobre (3d 10 4s 1 ), el paladio (4d 10 5s 0 ) y el oro (5d 10 6s 1 ), pero los químicos aceptan universalmente que estas configuraciones son excepcionales y que el bloque d realmente termina de acuerdo con la regla de Madelung en el zinc (3d 10 4s 2 ), el cadmio (4d 10 5s 2 ) y el mercurio (5d 10 6s 2 ). [9] El hecho relevante para la colocación es que el lantano y el actinio (como el torio) tienen orbitales f de valencia que pueden ocuparse en entornos químicos, mientras que el lutecio y el lawrencio no: [6] [19] sus capas f están en el núcleo y no se pueden usar para reacciones químicas. [20] [21] Por lo tanto, la relación entre el itrio y el lantano es solo una relación secundaria entre elementos con el mismo número de electrones de valencia pero diferentes tipos de orbitales de valencia, como la que existe entre el cromo y el uranio; mientras que la relación entre el itrio y el lutecio es primaria, ya que comparten tanto el recuento de electrones de valencia como el tipo de orbital de valencia. [19]
El descubrimiento de los elementos del grupo 3 está inextricablemente ligado al de las tierras raras , con las que se asocian universalmente en la naturaleza. En 1787, el químico sueco Carl Axel Arrhenius encontró una roca negra pesada cerca del pueblo sueco de Ytterby , Suecia (parte del archipiélago de Estocolmo ). [22] Pensando que era un mineral desconocido que contenía el elemento recién descubierto tungsteno , [23] lo llamó iterbita . [a] 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; [24] en 1797, el nuevo óxido fue nombrado itria . [25] En las décadas posteriores a que el científico francés Antoine Lavoisier desarrollara la primera definición moderna de elementos químicos , se creía que las tierras podían reducirse a sus elementos, lo que significa que el descubrimiento de una nueva tierra era equivalente al descubrimiento del elemento dentro de ella, que en este caso habría sido el itrio . [b] 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. [26] 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 . [27] [28] De hecho, la itria de Gadolin resultó ser una mezcla de muchos óxidos metálicos, lo que inició la historia del descubrimiento de las tierras raras. [25]
En 1869, el químico ruso Dmitri Mendeleev publicó su tabla periódica, que tenía un espacio vacío para un elemento por encima del itrio. [29] Mendeleev hizo varias predicciones sobre este elemento hipotético, al que llamó eka-boro . Para entonces, la itria de Gadolin ya había sido dividida 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 la itria); y luego en 1878 cuando el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac dividió la terbia y la erbia en más tierras. Entre estas estaba la iterbia (un componente de la antigua erbia), [22] que el químico sueco Lars Fredrik Nilson dividió con éxito en 1879 para revelar otro elemento nuevo. [30] [31] Lo llamó escandio, del latín Scandia que significa "Escandinavia". Nilson aparentemente desconocía la predicción de Mendeleev, pero Per Teodor Cleve reconoció la correspondencia y se lo 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 exactitud de toda la tabla periódica y la ley periódica . [32] El escandio metálico se produjo por primera vez en 1937 por electrólisis de una mezcla eutéctica , a 700–800 °C, de cloruros de potasio , litio y escandio . [33] El escandio existe en los mismos minerales de los que se había descubierto el itrio, pero es mucho más raro y probablemente por esa razón había eludido su descubrimiento. [25]
El componente restante de la iterbia de Marignac también resultó ser un compuesto. En 1907, el científico francés Georges Urbain , [34] el mineralogista austríaco Barón Carl Auer von Welsbach y el químico estadounidense Charles James [35] descubrieron de forma independiente un nuevo elemento dentro de la iterbia. Welsbach propuso el nombre de casiopeio para su nuevo elemento (en honor a Cassiopeia ), mientras que Urbain eligió el nombre de lutecio (del latín Lutetia, por 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 la investigación publicada del otro. [36] [37] En 1909, la Comisión de Masa Atómica, que era responsable de la atribución de los nombres de los nuevos elementos, otorgó 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. [38] En 1949, la ortografía del elemento 71 se cambió a lutecio. [39] [40] Sin embargo, trabajos posteriores relacionados con los intentos de Urbain de dividir aún más su lutecio revelaron que solo contenía trazas 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, trabajó en una escala mucho mayor que los demás y, sin duda, poseía el mayor suministro de lutecio en ese momento. [41] 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. [22]
El lawrencio es el único elemento del grupo que no se encuentra de forma natural. Probablemente 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 lawrencio se produjeron bombardeando un objetivo de tres miligramos que consistía en tres isótopos del elemento californio con núcleos de boro -10 y boro-11 del Acelerador Lineal de Iones Pesados (HILAC). [42] El nucleido 257 103 fue reportado originalmente. El equipo de la Universidad de California sugirió el nombre lawrencio (en honor a Ernest O. Lawrence , el inventor del acelerador de partículas ciclotrón ) y el símbolo "Lw", [42] para el nuevo elemento; la IUPAC aceptó su descubrimiento, pero cambió el símbolo a "Lr". [43] En 1965, investigadores de física nuclear en Dubna , Unión Soviética (ahora Rusia ) informaron 256 103, [44] en 1967, informaron que no podían confirmar los datos de los científicos estadounidenses sobre 257 103, [45] y propusieron el nombre "rutherfordio" para el nuevo elemento. [46] El grupo de Dubna criticó la aprobación de la IUPAC del descubrimiento del grupo de Berkeley por haber sido apresurada. [47] En 1971, el grupo de Berkeley realizó toda una serie de experimentos destinados a medir las propiedades de desintegración nuclear de los isótopos del elemento 103, [48] en los que se confirmaron todos los resultados anteriores de Berkeley y Dubna, excepto que el isótopo inicial 257 103 informado en Berkeley en 1961 resultó haber sido 258 103. [47] En 1992, el Grupo de Trabajo de Transfermio de la IUPAC nombró a los equipos de física nuclear de Dubna y Berkeley como los codescubridores del elemento 103. Cuando la IUPAC tomó la decisión final de la denominación de los elementos posteriores al 100 en 1997, decidió mantener el nombre "lawrencio" y el símbolo "Lr" para el elemento 103, ya que se había utilizado durante mucho tiempo en ese momento. El nombre "rutherfordio" se asignó al siguiente elemento 104 , para el que lo había propuesto el equipo de Berkeley. [43]
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 los números atómicos altos, la configuración del laurencio tiene una ocupación irregular de 7p en lugar de la esperada 6d, [49] [50] pero la configuración regular [Rn]5f 14 6d 1 7s 2 es lo suficientemente baja en energía como para que no se observe ni se espere ninguna diferencia significativa con el resto del grupo. [51] [52]
La mayor parte de la química se ha observado solo para los primeros tres miembros del grupo; las propiedades químicas del lawrencio no están bien caracterizadas, pero lo que se conoce y 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 obvio debido a la formación de una capa de óxido estable que evita reacciones posteriores. Los metales se queman fácilmente para dar los óxidos, [53] que son sólidos blancos de alto punto de fusión. Por lo general, se oxidan al estado de oxidación +3, en el que forman compuestos principalmente iónicos y tienen una química acuosa principalmente catiónica. De esta manera, son similares a los lantánidos, [53] aunque carecen de la participación de los orbitales f que caracteriza la química de los elementos 4f del lantano al iterbio. [54] [55] Por ello, los elementos estables del grupo 3 suelen agruparse con los elementos 4f como las denominadas tierras raras . [53]
Las propiedades típicas de los metales de transición están en su mayoría ausentes en este grupo, como ocurre con 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 al gran tamaño de los iones M 3+ ). Dicho esto, se pueden preparar compuestos de bajo estado de oxidación y se conoce cierta química del ciclopentadienilo . Por lo tanto, las químicas de los elementos del grupo 3 se distinguen principalmente por sus radios atómicos: [53] el itrio y el lutecio son muy similares, [56] pero el escandio se destaca como el menos básico y el mejor agente complejante, acercándose al aluminio en algunas propiedades. [53] Naturalmente ocupan su lugar junto con las tierras raras en una serie de elementos trivalentes: el itrio actúa como un intermedio de tierras raras entre el disprosio y el holmio en basicidad; el lutecio es menos básico que los elementos 4f y el menos básico de los lantánidos; y el escandio es una tierra rara menos básica que incluso el lutecio. [57] El óxido de escandio es anfótero ; el óxido de lutecio es más básico (aunque es difícil lograr que muestre algunas propiedades ácidas) y el óxido de itrio es aún más básico. [58] Las sales con ácidos fuertes de estos metales son solubles, mientras que aquellas con ácidos débiles (por ejemplo, fluoruros, fosfatos, oxalatos) son escasamente solubles o insolubles. [53]
Las tendencias en el grupo 3 siguen las de los otros grupos del bloque d temprano y reflejan la adición de una capa f llena 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 , el aumento esperado en el radio atómico del itrio al lutecio se invierte; los átomos de lutecio son ligeramente más pequeños que los átomos de itrio, pero son más pesados y tienen una carga nuclear más alta. [59] [60] 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. [61] Se sabe muy poco sobre el laurencio, pero los cálculos sugieren que continúa la tendencia de sus congéneres más ligeros hacia el aumento de la densidad. [62] [63]
El escandio, el itrio y el lutecio cristalizan en la estructura compacta hexagonal a temperatura ambiente [64] y se espera que el laurencio haga lo mismo [65] . 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 de calor y electricidad debido al bajo número de electrones disponibles para el enlace metálico [64] .
El escandio, el itrio y el lutecio tienden a aparecer junto con los demás lantánidos (excepto el prometio, de vida corta ) en la corteza terrestre y, a menudo, son más difíciles de extraer de sus menas. 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 más abundante el itrio con una abundancia de aproximadamente 30 partes por millón (ppm); la abundancia del escandio es de 16 ppm, mientras que la del lutecio es de aproximadamente 0,5 ppm. A modo de comparación, la abundancia del cobre es de 50 ppm, la del cromo es de 160 ppm y la del molibdeno es de 1,5 ppm. [68]
El escandio se distribuye escasamente y se presenta en cantidades traza en muchos minerales . [69] Los minerales raros de Escandinavia [70] y Madagascar [71] como la gadolinita , la euxenita y la thortveitita son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento, esta última contiene hasta un 45% de escandio en forma de óxido de escandio (III) . [70] El itrio tiene la misma tendencia en los lugares de aparición; se encuentra en muestras de rocas lunares recolectadas durante el Proyecto Apolo estadounidense en un contenido relativamente alto también. [72]
El principal mineral comercialmente viable de lutecio es el mineral de fosfato de tierras raras monacita , (Ce, La, etc.)PO4 , que contiene 0,003% del elemento. Las principales áreas mineras son China , Estados Unidos , Brasil , India , Sri Lanka y Australia . El metal de lutecio puro es uno de los metales de tierras raras más raros y más caros, con un precio de aproximadamente US$10.000/kg, o aproximadamente una cuarta parte del del oro . [73] [74]
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 , por un solo país, China (99%). [75] El lutecio y el escandio también se obtienen principalmente como óxidos, y su producción anual en 2001 fue de aproximadamente 10 y 2 toneladas, respectivamente. [76]
Los elementos del grupo 3 se extraen únicamente como subproducto de la extracción de otros elementos. [77] No suelen producirse como metales puros; la producción de itrio metálico es de unas pocas toneladas y la de escandio es del orden de 10 kg por año; [77] [78] no se calcula la producción de lutecio, pero es ciertamente 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. [79] Los fluoruros resultantes se reducen con metales alcalinotérreos o aleaciones de los metales; el calcio metálico es el que se utiliza con mayor frecuencia. [79] Por ejemplo:
Los metales del grupo 3 tienen una 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 volvería 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. [80] Se sabe que el escandio ha llegado a la cadena alimentaria, pero solo en cantidades mínimas; un ser humano típico ingiere menos de 0,1 microgramos por día. [80] Una vez liberado al medio ambiente, el escandio se acumula gradualmente en los suelos, lo que conduce a un aumento de las concentraciones en partículas del suelo, animales y humanos. El escandio es principalmente peligroso en el entorno laboral, debido al hecho de que la humedad 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, lo que causa varias influencias negativas en la reproducción y en las funciones del sistema nervioso. [80]
El itrio tiende a concentrarse en el hígado, los riñones, el bazo, los pulmones y los huesos de los seres humanos. [81] Normalmente, se encuentran tan solo 0,5 miligramos en todo el cuerpo humano; la leche materna humana contiene 4 ppm. [82] El itrio se puede encontrar en plantas comestibles en concentraciones entre 20 ppm y 100 ppm (peso fresco), y el repollo tiene la mayor cantidad. [82] Con hasta 700 ppm, las semillas de plantas leñosas tienen las concentraciones más altas conocidas. [82]
El lutecio se concentra en los huesos y, en menor medida, en el hígado y los riñones. [83] Se sabe que las sales de lutecio provocan 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. [83] No se ha monitoreado el contenido de lutecio en la dieta humana, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es de solo unos pocos microgramos por año, todos provenientes de pequeñas cantidades ingeridas por las plantas. Las sales solubles de lutecio son levemente tóxicas, pero las insolubles no lo son. [83]
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