El grupo 3 es el primer grupo de metales de transición de 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 llama 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 primeros metales de transición: todos ellos esencialmente tienen 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 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 al de los primeros grupos de metales de transición, donde el elemento más ligero se distingue 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 empañan rápidamente en el aire y reaccionan con el agua, aunque su reactividad queda enmascarada por la formación de una capa de óxido. Los tres primeros se producen de forma natural, y especialmente el itrio y el lutecio están casi invariablemente asociados 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 teóricamente predichas son consistentes con que sea un homólogo más pesado del lutecio. Ninguno de los elementos del grupo 3 tiene ningún papel biológico.
Históricamente, a veces se incluían en el grupo lantano (La) y actinio (Ac) en lugar de lutecio y lawrencio, porque las configuraciones electrónicas de muchas de las tierras raras se midieron 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 de 15 elementos de ancho en lugar de 14 (la ocupación máxima de una subcapa f).
La evidencia física, química y electrónica muestra abrumadoramente que los elementos correctos en el grupo 3 son escandio, itrio, lutecio y lawrencio: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] este es el clasificación adoptada por la mayoría de los químicos y físicos que han considerado la materia. [2] Fue respaldado por la IUPAC en un informe de 1988 [3] y reafirmado 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 históricamente medidas incorrectamente: [4] Lev Landau y Evgeny Lifshitz ya lo consideraron "incorrecto" en 1948, [5] pero la cuestión no fue llevada a un amplio debate hasta 1982 por William B. Jensen . [4]
Los espacios debajo del itrio a veces se dejan en blanco como 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 cuentan con el respaldo de 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 de los intereses deberían no tiene 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 relativistas de la mecánica cuántica de los compuestos Lu y Lr no encontraron orbitales f de valencia en ninguno de los elementos. [13] Otros autores que se centran en elementos superpesados desde entonces aclararon que la "entrada número 15 del bloque f representa la primera ranura del bloque d que queda vacante para indicar el lugar de las inserciones del bloque f", lo que implicaría que este formulario todavía tiene Lu y Lr (las entradas número 15 en cuestión) como elementos del bloque d debajo de Sc e Y. [14] De hecho, cuando las publicaciones de la IUPAC amplían la tabla a 32 columnas, lo dejan claro y colocan a Lu y Lr debajo de 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 muy 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 ocurre con el torio, que nunca se cuestiona como elemento del bloque f, [8] [4] y este argumento pasa por alto el problema del otro extremo: que las capas f se llenan completamente en el iterbio y el 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 ; esas excepciones no sólo representan una minoría de elementos (sólo 20 de 118), [18] sino que además nunca han sido consideradas relevantes para posicionar ningún otro elemento en la tabla periódica. En los átomos gaseosos, las capas d completan su llenado en cobre (3d 10 4s 1 ), paladio (4d 10 5s 0 ) y 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 zinc (3d 10 4s 2 ), cadmio (4d 10 5s 2 ) y mercurio (5d 10 6s 2 ). [9] El hecho relevante para la ubicación es que el lantano y el actinio (como el torio) tienen orbitales f de valencia que pueden ocuparse en ambientes químicos, mientras que el lutecio y el lawrencio no los tienen: [6] [19] sus capas f están en el núcleo y no se puede utilizar para reacciones químicas. [20] [21] Así, la relación entre itrio y lantano es sólo 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, compartiendo tanto el recuento de electrones de valencia como el tipo de orbital de valencia. [19]
El descubrimiento de los elementos del grupo 3 está indisolublemente ligado al de las tierras raras , con las que están universalmente asociados en la naturaleza. En 1787, el químico sueco Carl Axel Arrhenius encontró una pesada roca negra cerca del pueblo sueco de Ytterby , Suecia (parte del archipiélago de Estocolmo ). [22] Pensando que era un mineral desconocido que contenía el elemento recientemente 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 recibió el nombre de itria . [25] En las décadas posteriores al científico francés Antoine Lavoisier desarrolló la primera definición moderna de elementos químicos , se creía que las tierras podían reducirse a sus elementos, lo que significaba que el descubrimiento de una nueva tierra era equivalente al descubrimiento del elemento interno. que en este caso habría sido itrio . [b] Hasta principios de la década de 1920, el símbolo químico "Yt" se usaba 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 encima del itrio. [29] Mendeleev hizo varias predicciones sobre este elemento hipotético, al que llamó eka-boro . Para entonces, la 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 del mismo modo que se había dividido la itria); y luego en 1878, cuando el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac dividió terbia y erbia en más tierras. Entre ellos se encontraba 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". Al parecer, 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 exactitud de toda la tabla periódica y la ley periódica . [32] 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 . [33] El escandio existe en los mismos minerales en los que se descubrió el itrio, pero es mucho más raro y probablemente por esa razón había eludido el 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 austriaco 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 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 influidos por las investigaciones publicadas por el otro. [36] [37] En 1909, la Comisión de Masa Atómica, que era responsable 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. [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 sólo contenía trazas del nuevo elemento 71, y que sólo el casiopeio de von Welsbach era puro elemento 71. Por esta razón muchos alemanes Los científicos 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 la mayor reserva 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]
Lawrencium es el único elemento del grupo que no se produce 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 ) de la Universidad de California en Berkeley, California , Estados Unidos . Los primeros átomos de lawrencio se produjeron bombardeando un objetivo de tres miligramos compuesto por 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 se informó originalmente. El equipo de la Universidad de California sugirió el nombre lawrencium (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 propuso el nombre "rutherfordio" para el nuevo elemento. [46] El grupo 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 257 103 inicial informó 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 en Dubna y Berkeley como codescubridores del elemento 103. Cuando la IUPAC tomó la decisión final de Al nombrar los elementos más allá de 100 en 1997, decidió mantener el nombre "lawrencium" y el símbolo "Lr" para el elemento 103, ya que ya se había utilizado durante mucho tiempo. El nombre de "rutherfordio" se asignó al siguiente elemento 104 , para el cual 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 resulta en tendencias en el comportamiento químico. Debido a efectos relativistas que se vuelven importantes para números atómicos altos, la configuración de lawrencium 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 tiene suficiente energía para que no se observa ni se espera ninguna diferencia significativa con el resto del grupo. [51] [52]
La mayor parte de la química se ha observado sólo en los tres primeros miembros del grupo; Las propiedades químicas del lawrencio no están bien caracterizadas, pero lo que se sabe y predice coincide con su posición como homólogo más pesado del lutecio. El resto de elementos 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 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. En este sentido 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] Los elementos estables del grupo 3, por lo tanto, a menudo se agrupan con los elementos 4f como las llamadas tierras raras . [53]
Las propiedades típicas de los metales de transición están prácticamente ausentes en este grupo, como lo están para los elementos más pesados de los grupos 4 y 5: sólo 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 3+ ). Dicho esto, se pueden preparar compuestos de bajo estado de oxidación y se conoce cierta química del ciclopentadienilo . 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 una tierra rara intermedia 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 como una tierra rara menos básica que incluso el lutecio. [57] El óxido de escandio es anfótero ; El óxido de lutecio es más básico (aunque difícilmente se puede conseguir 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 tempranos del bloque d y reflejan la adición de una capa f llena al 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 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 lawrencium, pero los cálculos sugieren que continúa la tendencia de sus congéneres más ligeros hacia una densidad cada vez mayor. [62] [63]
El escandio, el itrio y el lutecio cristalizan en la estructura hexagonal compacta a temperatura ambiente, [64] y se espera que el lawrencio haga lo mismo. [65] Se sabe que los miembros estables del grupo cambian de estructura a altas temperaturas. 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 los enlaces metálicos. [64]
El escandio, el itrio y el lutecio tienden a encontrarse junto con 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 más abundante el itrio con una abundancia de aproximadamente 30 partes por millón (ppm); la abundancia de escandio es de 16 ppm, mientras que la del lutecio es de aproximadamente 0,5 ppm. A modo de comparación, la abundancia de cobre es de 50 ppm, la de cromo es de 160 ppm y la de molibdeno es de 1,5 ppm. [68]
El escandio se distribuye escasamente y se encuentra en pequeñas cantidades en muchos minerales . [69] Minerales raros de Escandinavia [70] y Madagascar [71] como la gadolinita , la euxenita y la tortveitita son las únicas fuentes concentradas conocidas de este elemento; esta última contiene hasta un 45% de escandio en forma de escandio (III). óxido . [70] El itrio tiene la misma tendencia en los lugares de ocurrencia; También se encuentra en muestras de rocas lunares recolectadas durante el Proyecto Apolo estadounidense en un contenido relativamente alto. [72]
El principal mineral comercialmente viable de lutecio es la monacita , mineral de fosfato de tierras raras , (Ce,La,etc.)PO4 , 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 alrededor de 10.000 dólares EE.UU./kg, o alrededor de una cuarta parte del precio del oro . [73] [74]
El elemento más disponible del grupo 3 es el itrio, con una producción anual de 8.900 toneladas en 2010. El itrio se produce principalmente en forma de óxido en 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 del orden de 10 kg por año; [77] [78] La producción de lutecio no se calcula, 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. [79] Los fluoruros resultantes se reducen con metales alcalinotérreos o aleaciones de los metales; El calcio metálico se utiliza con mayor frecuencia. [79] Por ejemplo:
Los metales del grupo 3 tienen baja disponibilidad para la biosfera. El escandio, el itrio y el lutecio no tienen ningún papel biológico documentado en los organismos vivos. La alta radiactividad del lawrencium lo haría altamente tóxico para las células vivas, provocando envenenamiento por radiación.
El escandio se concentra en el hígado y representa 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 sólo en pequeñas cantidades; 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 mayores concentraciones en las partículas del suelo, los animales y los humanos. El escandio es especialmente peligroso en el entorno laboral, debido al hecho de que la humedad y los gases se pueden inhalar con el aire. Esto puede causar embolias pulmonares, especialmente durante una exposición prolongada. Se sabe que el elemento daña las membranas celulares de los animales acuáticos, provocando varios efectos negativos 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 humanos. [81] Normalmente, se encuentra 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), siendo el repollo el que 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 causan 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 las dietas humanas, por lo que no se sabe cuánto ingiere el ser humano promedio, pero las estimaciones muestran que la cantidad es solo de unos pocos microgramos por año, todos provenientes de pequeñas cantidades consumidas por las plantas. Las sales solubles de lutecio son levemente tóxicas, pero las insolubles no lo son. [83]
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