Élément du groupe 3 - Group 3 element
| Groupe 3 du tableau périodique | |||||||||
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 21 Métal de transition |
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 39 Métal de transition |
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 71 Lanthanide |
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Lawrencium (Lr) 103 Actinide |
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Légende
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Le groupe 3 est le premier groupe de métaux de transition du tableau périodique. Ce groupe est étroitement lié aux éléments des terres rares . Bien qu'une certaine controverse existe concernant la composition et le placement de ce groupe, il est généralement admis parmi ceux qui étudient la question que ce groupe contient les quatre éléments scandium (Sc), yttrium (Y), lutétium (Lu) et lawrencium (Lr) . Le groupe est également appelé groupe scandium ou famille scandium d' après son membre le plus léger.
La chimie des éléments du groupe 3 est typique des premiers métaux de transition : ils n'ont tous essentiellement que l' état d'oxydation de groupe de +3 comme état majeur et, comme les métaux du groupe principal précédent, sont assez électropositifs et ont une chimie de coordination moins riche. En raison des effets de la contraction des lanthanides , l'yttrium et le lutétium ont des propriétés très similaires. L'yttrium et le lutétium ont essentiellement la chimie des lanthanides lourds, mais le scandium présente plusieurs différences en raison de sa petite taille. Il s'agit d'un modèle similaire à ceux des premiers groupes de métaux de transition, où l'élément le plus léger est distinct des deux suivants, très similaires.
Tous les éléments du groupe 3 sont des métaux blancs argentés plutôt mous, bien que leur dureté augmente avec le numéro atomique. Ils se ternissent rapidement à l'air et réagissent avec l'eau, bien que leur réactivité soit masquée par la formation d'une couche d'oxyde. Les trois premiers d'entre eux se produisent naturellement, et en particulier l'yttrium et le lutétium sont presque invariablement associés aux lanthanides en raison de leur chimie similaire. Le Lawrencium est fortement radioactif : il n'existe pas naturellement et doit être produit par synthèse artificielle, mais ses propriétés observées et théoriquement prédites sont cohérentes avec le fait qu'il soit un homologue plus lourd du lutétium. Aucun d'entre eux n'a de rôle biologique.
Historiquement, le lanthane (La) et l' actinium (Ac) étaient parfois inclus dans le groupe au lieu du lutétium et du lawrencium, et cette option est encore couramment trouvée dans les manuels. Certains compromis entre les deux options principales ont été proposés et utilisés, impliquant soit la réduction du groupe au scandium et à l'yttrium uniquement, soit l'inclusion des 30 lanthanides et actinides dans le groupe également.
Histoire
Découvertes des éléments
La découverte des éléments du groupe 3 est inextricablement liée à celle des terres rares , auxquelles ils sont universellement associés dans la nature. En 1787, le chimiste suédois à temps partiel Carl Axel Arrhenius a trouvé une roche noire lourde près du village suédois d' Ytterby , en Suède (qui fait partie de l' archipel de Stockholm ). Pensant qu'il s'agissait d'un minéral inconnu contenant le tungstène , élément nouvellement découvert , il l'a nommé ytterbite . Le scientifique finlandais Johan Gadolin a identifié un nouvel oxyde ou « terre » dans l'échantillon d'Arrhenius en 1789, et a publié son analyse terminée en 1794 ; en 1797, le nouvel oxyde fut nommé yttria . Dans les décennies après que le scientifique français Antoine Lavoisier a développé la première définition moderne des éléments chimiques , on croyait que les terres pouvaient être réduites à leurs éléments, ce qui signifie que la découverte d'une nouvelle terre équivalait à la découverte de l'élément à l'intérieur, qui dans ce cas aurait été l' yttrium . Jusqu'au début des années 1920, le symbole chimique "Yt" était utilisé pour l'élément, après quoi "Y" est devenu d'usage courant. L'yttrium métal, bien qu'impur, a été préparé pour la première fois en 1828 lorsque Friedrich Wöhler a chauffé du chlorure d' yttrium (III) anhydre avec du potassium pour former de l'yttrium métallique et du chlorure de potassium . En fait, l'yttria de Gadolin s'est avéré être un mélange de nombreux oxydes métalliques, qui a commencé l'histoire de la découverte des terres rares.
En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleev a publié son tableau périodique, qui comportait un espace vide pour un élément au-dessus de l'yttrium. Mendeleev a fait plusieurs prédictions sur cet élément hypothétique, qu'il a appelé eka-bore . À ce moment-là, l'yttria de Gadolin avait déjà été divisée plusieurs fois; d'abord par le chimiste suédois Carl Gustaf Mosander , qui en 1843 avait séparé deux autres terres qu'il appela terbia et erbia (divisant le nom d'Ytterby tout comme l'yttria avait été divisée) ; puis en 1878, lorsque le chimiste suisse Jean Charles Galissard de Marignac a divisé terbia et erbia eux-mêmes en plusieurs terres. Parmi ceux-ci se trouvait l'ytterbia (un composant de l'ancien erbia), que le chimiste suédois Lars Fredrik Nilson a réussi à diviser en 1879 pour révéler un autre nouvel élément. Il l'a nommé scandium, du latin Scandia signifiant « Scandinavie ». Nilson n'était apparemment pas au courant de la prédiction de Mendeleev, mais Per Teodor Cleve a reconnu la correspondance et a informé Mendeleev. Des expériences chimiques sur le scandium ont prouvé que les suggestions de Mendeleev étaient correctes ; ainsi que la découverte et la caractérisation du gallium et du germanium, cela a prouvé l'exactitude de l'ensemble du tableau périodique et de la loi périodique . Le scandium métallique a été produit pour la première fois en 1937 par électrolyse d'un mélange eutectique , à 700-800 °C, de chlorures de potassium , de lithium et de scandium . Le scandium existe dans les mêmes minerais à partir desquels l'yttrium avait été découvert, mais il est beaucoup plus rare et probablement pour cette raison avait échappé à la découverte.
La composante restante de l'ytterbie de Marignac s'est également avérée être un composite. En 1907, le scientifique français Georges Urbain , le minéralogiste autrichien le baron Carl Auer von Welsbach et le chimiste américain Charles James ont tous découvert indépendamment un nouvel élément au sein de l'ytterbie. Welsbach proposa le nom de cassiopeium pour son nouvel élément (d'après Cassiopée ), tandis qu'Urbain choisit le nom de lutecium (du latin Lutetia, pour Paris). Le différend sur la priorité de la découverte est documenté dans deux articles dans lesquels Urbain et von Welsbach s'accusent mutuellement de publier des résultats influencés par la recherche publiée de l'autre. En 1909, la Commission de la masse atomique, chargée d'attribuer les noms des nouveaux éléments, accorde la priorité à Urbain et adopte ses noms comme noms officiels. Un problème évident avec cette décision était qu'Urbain était l'un des quatre membres de la commission. En 1949, l'orthographe de l'élément 71 a été changée en lutétium. Des travaux ultérieurs liés aux tentatives d'Urbain de diviser davantage son lutécium ont cependant révélé qu'il ne contenait que des traces du nouvel élément 71 et que seul le cassiopeium de Welsbach était l'élément 71 pur. Pour cette raison, de nombreux scientifiques allemands ont continué à utiliser le nom de cassiopeium. pour l'élément jusqu'aux années 1950. Ironiquement, Charles James, qui s'était modestement tenu à l'écart de la polémique sur la priorité, travaillait à une échelle bien plus importante que les autres, et possédait sans aucun doute la plus grande réserve de lutétium à l'époque. Le lutétium a été la dernière des terres rares stables à être découverte. Plus d'un siècle de recherche avait divisé l'yttrium original de Gadolin en yttrium, scandium, lutétium et sept autres nouveaux éléments.
Lawrencium est le seul élément du groupe qui ne se produit pas naturellement. Il a été synthétisé pour la première fois par Albert Ghiorso et son équipe le 14 février 1961, au Lawrence Radiation Laboratory (maintenant appelé Lawrence Berkeley National Laboratory ) de l' Université de Californie à Berkeley, Californie , États-Unis . Les premiers atomes de lawrencium ont été produits en bombardant une cible de trois milligrammes constituée de trois isotopes de l'élément californium avec des noyaux de bore -10 et de bore-11 de l'accélérateur linéaire d'ions lourds (HILAC). Le nucléide 257 103 a été initialement signalé, mais il a ensuite été réaffecté à 258 103. L'équipe de l'Université de Californie a suggéré le nom lawrencium (d'après Ernest O. Lawrence , l'inventeur de l' accélérateur de particules cyclotron ) et le symbole "Lw", pour le nouvel élément, mais "Lw" n'a pas été adopté, et "Lr" a été officiellement accepté à la place. Des chercheurs en physique nucléaire de Dubna , en Union soviétique (aujourd'hui la Russie ), ont signalé en 1967 qu'ils n'étaient pas en mesure de confirmer les données des scientifiques américains sur 257 103. Deux ans plus tôt, l'équipe de Dubna en avait signalé 256 103. En 1992, l' IUPAC Trans- Le groupe de travail fermium a officiellement reconnu l'élément 103, a confirmé sa dénomination en tant que lawrencium, avec le symbole "Lr", et a nommé les équipes de physique nucléaire de Dubna et de Berkeley comme co-découvreurs de lawrencium.
Litige sur la composition
Les éléments de terres rares ont historiquement donné de très nombreux problèmes pour le tableau périodique. Avec les mesures des configurations électroniques en phase gazeuse à l'état fondamental des éléments et leur adoption comme base pour le placement du tableau périodique, la forme plus ancienne du groupe 3 contenant du scandium, de l'yttrium, du lanthane et de l' actinium a pris de l'importance dans les années 1940. Les configurations à l'état fondamental du césium , du baryum et du lanthane sont [Xe]6s 1 , [Xe]6s 2 et [Xe]5d 1 6s 2 . Le lanthane émerge donc avec un électron de différenciation 5d et pour ces motifs, il a été considéré comme "dans le groupe 3 en tant que premier membre du bloc d pour la période 6". Un ensemble superficiellement cohérent de configurations électroniques a ensuite été observé dans le groupe 3 : scandium [Ar]3d 1 4s 2 , yttrium [Kr]4d 1 5s 2 , lanthane [Xe]5d 1 6s 2 et actinium [Rn]6d 1 7s 2 . Toujours dans la période 6, l' ytterbium s'est vu attribuer par erreur une configuration électronique de [Xe]4f 13 5d 1 6s 2 et de lutétium [Xe]4f 14 5d 1 6s 2 , ce qui suggérait que le lutétium était le dernier élément du bloc f. Ce format a donc pour résultat que le bloc f vient entre et sépare les groupes 3 et 4 du bloc d.
Cependant, des travaux spectroscopiques ultérieurs ont révélé que la configuration électronique correcte de l'ytterbium était en fait [Xe]4f 14 6s 2 . Cela signifiait que l'ytterbium et le lutétium - ce dernier avec [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2 - avaient tous deux 14 électrons f, "donnant lieu à un d- plutôt qu'un électron de différenciation" pour le lutétium et en faisant un "tout aussi valable candidat" avec [Xe]5d 1 6s 2 lanthane, pour la position du tableau périodique du groupe 3 en dessous de l'yttrium. Il en résulterait un groupe 3 avec scandium, yttrium, lutétium et lawrencium. Les premiers à souligner ces implications furent les physiciens russes Lev Landau et Evgeny Lifshitz en 1948 : leur manuel Course of Theoretical Physics déclarait « Dans les livres de chimie, le lutétium est également placé avec les éléments des terres rares. la coque 4f est complète en lutétium." Après Landau et Lifshitz ont fait leur déclaration, de nombreux physiciens ont également soutenu le changement dans les années 1960 et 1970, en se concentrant sur de nombreuses propriétés telles que la structure cristalline, les points de fusion, la structure de la bande de conduction et la supraconductivité dans laquelle le lutétium correspond au comportement du scandium et de l'yttrium, mais le lanthane est distinct. Ce formulaire ne nécessite aucun bloc fractionné. (Certains chimistes comme Alfred Werner avaient placé le lanthane dans une colonne différente du scandium et de l'yttrium, en raison de son comportement chimique distinct, avant même la découverte du lutétium.) Certains chimistes sont également arrivés à cette conclusion par d'autres moyens, comme le chimiste soviétique Chistiakov, qui a noté en 1968 que la périodicité secondaire n'était remplie dans le groupe 3 que si le lutécium y était inclus plutôt que le lanthane. Cependant, la communauté chimique a largement ignoré ces conclusions. Le philosophe des sciences Eric Scerri suggère qu'un facteur peut avoir été que plusieurs auteurs qui ont proposé ce changement étaient des physiciens.
Le chimiste américain William B. Jensen rassemblé bon nombre des arguments ci-dessus dans un plaidoyer concerté de 1982 aux chimistes pour qu'ils modifient leurs tableaux périodiques et placent le lutétium et le lawrencium dans le groupe 3. Outre ces arguments physiques et chimiques, il a également souligné que le les configurations de lanthane et d'actinium sont mieux considérées comme irrégulières, de la même manière que le thorium était déjà traité de manière universelle. Le thorium n'a pas d'électrons f dans son état fondamental (étant [Rn]6d 2 7s 2 ), mais était et est universellement placé comme un élément de bloc f avec une configuration irrégulière en phase gazeuse à l'état fondamental remplaçant l'idéal [Rn]5f 2 7s 2 . Le lanthane et l'actinium pourraient alors être considérés comme des cas similaires où une configuration idéale f 1 s 2 est remplacée par une configuration ad 1 s 2 à l'état fondamental. Étant donné que la plupart des éléments f-block ont en fait une configuration f n s 2 , et non une configuration f n−1 d 1 s 2 , la première est fortement suggérée comme la configuration générale idéale pour les éléments f-block. Cette réaffectation crée de même une série homologue de configurations dans le groupe 3 : en particulier, l'ajout d'un f-shell rempli au noyau passant de l'yttrium au lutétium est exactement analogue à ce qui se passe dans tous les autres groupes de blocs d.
Dans tous les cas, les configurations en phase gazeuse à l'état fondamental ne considèrent que les atomes isolés par opposition aux atomes de liaison dans les composés (ce dernier étant plus pertinent pour la chimie), qui présentent souvent des configurations différentes. L'idée de configurations irrégulières est soutenue par des états excités à basse altitude : bien qu'il n'ait pas d'électron f dans son état fondamental, le lanthane a néanmoins des orbitales f d'énergie suffisamment basse pour qu'elles puissent être utilisées pour la chimie, ce qui affecte les propriétés physiques qui avait été produit comme preuve de la réaffectation proposée. (Le scandium, l'yttrium et le lutétium n'ont pas de telles orbitales f disponibles à basse altitude.) La configuration irrégulière du lawrencium ([Rn]5f 14 7s 2 7p 1 plutôt que [Rn]5f 14 6d 1 7s 2 ) peut également être rationalisée comme une autre anomalie (quoique unique) due à des effets relativistes qui deviennent importants pour les éléments les plus lourds. Ces configurations irrégulières dans les éléments 4f sont le résultat d'une forte répulsion interélectronique dans la coque compacte 4f, avec pour résultat que lorsque la charge ionique est faible, un état d'énergie plus faible est obtenu en déplaçant certains électrons vers les orbitales 5d et 6s qui ne souffrent d'une telle répulsion interélectronique, même si le niveau d'énergie 4f est normalement inférieur à celui de 5d ou de 6s : un effet similaire se produit au début de la série 5f.
En 1988, un rapport IUPAC a été publié qui a abordé la question. Alors qu'il écrivait que les configurations électroniques étaient en faveur de la nouvelle affectation du groupe 3 avec le lutétium et le lawrencium, il décida plutôt d'un compromis où les points inférieurs du groupe 3 étaient plutôt laissés en blanc, car la forme traditionnelle avec le lanthane et l'actinium restait populaire. Cela pourrait être interprété soit comme un rétrécissement du groupe 3 au scandium et à l'yttrium uniquement, soit comme incluant tous les lanthanides et actinides dans le groupe 3, mais dans les deux cas, le bloc f apparaît avec 15 éléments, malgré la mécanique quantique dictant qu'il devrait en avoir 14. Un tel tableau apparaît dans de nombreuses publications IUPAC; bien qu'il soit communément étiqueté "tableau périodique IUPAC", il n'est pas réellement pris en charge officiellement par l'IUPAC.
Ce compromis n'a pas arrêté le débat. Bien que certains chimistes aient été convaincus par les arguments de réaffecter le lutétium au groupe 3, beaucoup ont continué à montrer le lanthane dans le groupe 3, soit parce qu'ils ne connaissaient pas les arguments, soit parce qu'ils n'étaient pas convaincus par eux. La plupart des recherches sur le sujet tendaient à soutenir la réaffectation proposée du lutécium au groupe 3. Cependant, dans les manuels de chimie, la forme traditionnelle a continué d'être la plus populaire jusqu'aux années 2010, bien qu'elle ait progressivement perdu du terrain à la fois à la nouvelle forme avec lutétium et la forme de compromis. Certains manuels montraient même de manière incohérente des formes différentes à différents endroits. Laurence Lavelle est allée plus loin en défendant la forme traditionnelle avec le lanthane dans le groupe 3 au motif que ni le lanthane ni l'actinium n'avaient d'électrons de valence f à l'état fondamental, suscitant de vifs débats. Jensen a réfuté plus tard cela en soulignant l'incohérence des arguments de Lavelle (puisque la même chose était vraie pour le thorium et le lutécium, que Lavelle a placés dans le bloc f) et la preuve de configurations irrégulières. Scerri, qui a beaucoup publié sur cette question, a noté que le cas de Jensen basé sur les propriétés physiques et chimiques n'est pas concluant en raison de sa sélectivité, pointant vers d'autres choix de propriétés qui semblent soutenir le lanthane dans le groupe 3 au lieu du lutétium. Néanmoins, il a également soutenu de manière cohérente le lutétium dans le groupe 3 sur la base d'éviter une scission dans le bloc d, et a également évoqué le fait que les configurations électroniques sont des approximations et le problème du thorium.
En décembre 2015, un projet IUPAC , présidé par Scerri et comprenant (entre autres) Jensen et Lavelle, a été mis en place pour faire une recommandation sur la question. Son rapport préliminaire a été publié en janvier 2021. Il a conclu qu'aucun des critères précédemment invoqués dans le débat ne permettait de résoudre clairement la question et qu'en fin de compte, la question reposait sur une convention plutôt que sur quelque chose qui était objectivement scientifiquement décidable. En tant que tel, il a suggéré "un degré de convention" à utiliser pour "sélectionner un tableau périodique qui peut être présenté comme le meilleur tableau de compromis qui combine des facteurs objectifs ainsi que la dépendance des intérêts", pour présentation à "le public le plus large possible de chimistes , professeurs de chimie et étudiants en chimie". Trois desiderata ont été donnés : (1) tous les éléments doivent être affichés par ordre de numéro atomique croissant, (2) le bloc d ne doit pas être divisé en « deux portions très inégales », et (3) les blocs doivent avoir les largeurs 2 , 6, 10 et 14 conformément à la base de la mécanique quantique du tableau périodique. L'affectation des blocs a été admise comme approximative, tout comme l'affectation des configurations électroniques : le cas du thorium a été spécifiquement évoqué. Ces trois desiderata ne sont remplis que par le tableau avec lutétium et lawrencium du groupe 3 ; la forme traditionnelle du groupe 3 avec le lanthane viole (2), et la forme de compromis du groupe 3 avec tous les lanthanides et actinides viole (3). En tant que telle, la forme avec le lutétium du groupe 3 a été suggérée comme compromis.
Caractéristiques
Chimique
| Configurations électroniques des éléments du groupe 3 | |||
|---|---|---|---|
| Z | Élément | Configuration électronique | |
| 21 | Sc, scandium | 2, 8, 9, 2 | [Ar] 3d 1 4s 2 |
| 39 | Y, yttrium | 2, 8, 18, 9, 2 | [Kr] 4d 1 5s 2 |
| 71 | Lu, lutécium | 2, 8, 18, 32, 9, 2 | [Xe] 4f 14 5d 1 6s 2 |
| 103 | Lr, lawrencium | 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 | [Rn] 5f 14 6d 0 7s 2 7p 1 |
Comme d'autres groupes, les membres de cette famille présentent des modèles dans leurs configurations électroniques, en particulier les coquilles les plus externes, ce qui entraîne des tendances dans le comportement chimique. En raison d' effets relativistes qui deviennent importants pour les nombres atomiques élevés, la configuration de lawrencium a une occupation irrégulière de 7p au lieu du 6d attendu, mais la configuration régulière [Rn]5f 14 6d 1 7s 2 s'avère être suffisamment faible en énergie pour qu'aucune différence significative du reste du groupe est observé ou attendu.
La plupart de la chimie n'a été observée que pour les trois premiers membres du groupe; les propriétés chimiques du lawrencium ne sont pas bien caractérisées, mais ce qui est connu et prédit correspond à sa position en tant qu'homologue plus lourd du lutétium. Les éléments restants du groupe (scandium, yttrium, lutétium) sont assez électropositifs. Ce sont des métaux réactifs, bien que cela ne soit pas évident en raison de la formation d'une couche d'oxyde stable qui empêche d'autres réactions. Les métaux brûlent facilement pour donner les oxydes, qui sont des solides blancs à point de fusion élevé. Ils sont généralement oxydés à l'état d'oxydation +3, dans lequel ils forment principalement des composés ioniques et ont une chimie aqueuse principalement cationique. De cette manière, ils sont similaires aux lanthanides, bien qu'ils n'aient pas l'implication des orbitales f qui caractérise la chimie des éléments 4f du lanthane à l'ytterbium. Les éléments stables du groupe 3 sont ainsi souvent regroupés avec les éléments 4f sous le nom de terres rares .
Les propriétés stéréotypées des métaux de transition sont pour la plupart absentes de ce groupe, comme elles le sont pour les éléments les plus lourds des groupes 4 et 5 : il n'y a qu'un seul état d'oxydation typique et la chimie de coordination n'est pas très riche (bien que des nombres de coordination élevés soient courants en raison de la grande taille des ions M 3+ ). Ceci dit, des composés à faible état d'oxydation peuvent être préparés et une certaine chimie du cyclopentadiényle est connue. Les chimies des éléments du groupe 3 se distinguent ainsi majoritairement par leurs rayons atomiques : l'yttrium et le lutétium sont très proches, mais le scandium s'impose comme le moins basique et le meilleur complexant, se rapprochant de l' aluminium dans certaines propriétés. Ils prennent naturellement place avec les terres rares dans une série d'éléments trivalents : l'yttrium agit comme une terre rare intermédiaire entre le dysprosium et l' holmium en basicité ; le lutétium comme moins basique que les éléments 4f et le moins basique des lanthanides ; et le scandium en tant que terre rare moins basique que même le lutétium. L'oxyde de scandium est amphotère ; l'oxyde de lutétium est plus basique (bien qu'on puisse difficilement lui faire montrer certaines propriétés acides), et l'oxyde d'yttrium est encore plus basique. Les sels contenant des acides forts de ces métaux sont solubles, tandis que ceux contenant des acides faibles (par exemple les fluorures, les phosphates, les oxalates) sont peu solubles ou insolubles.
Physique
Les tendances du groupe 3 suivent celles des autres premiers groupes de blocs d et reflètent l'ajout d'une coque f remplie dans le noyau en passant de la cinquième à la sixième période. Par exemple, le scandium et l'yttrium sont tous deux des métaux mous. Mais à cause de la contraction des lanthanides , l'augmentation attendue du rayon atomique de l'yttrium au lutétium est en fait plus qu'annulée ; les atomes de lutétium sont légèrement plus petits que les atomes d'yttrium, mais sont plus lourds et ont une charge nucléaire plus élevée. Cela rend le métal plus dense, et aussi plus dur car l'extraction des électrons de l'atome pour former une liaison métallique devient plus difficile. Les trois métaux ont des points de fusion et d'ébullition similaires. On sait très peu de choses sur le lawrencium, mais les calculs suggèrent qu'il poursuit la tendance de ses congénères plus légers vers une densité croissante.
Le scandium, l'yttrium et le lutétium cristallisent tous dans la structure hexagonale compacte à température ambiante, et le lawrencium devrait faire de même. Les membres stables du groupe sont connus pour changer de structure à haute température. En comparaison avec la plupart des métaux, ils ne sont pas de très bons conducteurs de chaleur et d'électricité en raison du faible nombre d'électrons disponibles pour la liaison métallique.
| Nom | Sc, scandium | Y, yttrium | Lu, lutécium | Lr, lawrencium |
|---|---|---|---|---|
| Point de fusion | 1814 K, 1541 °C | 1799 K, 1526 °C | 1925 K, 1652 °C | 1900 K, 1627 °C |
| Point d'ébullition | 3109 K, 2836 °C | 3609 K, 3336 °C | 3675 K, 3402 °C | ? |
| Densité | 2,99 g·cm -3 | 4,47 g·cm -3 | 9,84 g·cm -3 | ? 14,4 g·cm -3 |
| Apparence | argent métallique | blanc argenté | Gris argent | ? |
| Rayon atomique | 162 h | 180h | 174h | ? |
Occurrence
Le scandium, l'yttrium et le lutétium ont tendance à se produire avec les autres lanthanides (à l'exception du prométhium à courte durée de vie ) dans la croûte terrestre et sont souvent plus difficiles à extraire de leurs minerais. L' abondance des éléments dans la croûte terrestre pour le groupe 3 est assez faible - tous les éléments du groupe sont rares, le plus abondant étant l'yttrium avec une abondance d'environ 30 parties par million (ppm); l'abondance du scandium est de 16 ppm, tandis que celle du lutétium est d'environ 0,5 ppm. A titre de comparaison, l'abondance du cuivre est de 50 ppm, celle du chrome est de 160 ppm et celle du molybdène est de 1,5 ppm.
Le scandium est peu répandu et se trouve en quantités infimes dans de nombreux minéraux . Des minéraux rares de Scandinavie et de Madagascar tels que la gadolinite , l' euxénite et la thortveitite sont les seules sources concentrées connues de cet élément, ce dernier contenant jusqu'à 45 % de scandium sous forme d' oxyde de scandium(III) . Yttrium a la même tendance dans les lieux d'occurrence; il se trouve également dans des échantillons de roche lunaire collectés pendant le projet américain Apollo dans une teneur relativement élevée.
Le principal minerai commercialement viable de lutétium est la terre rare phosphate minéral monazite , (Ce, La, etc.) PO 4 , qui contient 0,003% de l'élément. Les principales régions minières sont la Chine , les États-Unis , le Brésil , l' Inde , le Sri Lanka et l' Australie . Pur lutécium métal est l' un des plus rare et le plus cher des métaux des terres rares avec le prix d' environ 10 000 US $ / kg, soit environ un quart de celle de l' or .
Production
L'élément le plus disponible du groupe 3 est l'yttrium, avec une production annuelle de 8 900 tonnes en 2010. L'yttrium est principalement produit sous forme d' oxyde , par un seul pays, la Chine (99 %). Le lutétium et le scandium sont également principalement obtenus sous forme d'oxydes, et leur production annuelle en 2001 était d'environ 10 et 2 tonnes, respectivement.
Les éléments du groupe 3 sont extraits uniquement en tant que sous-produit de l'extraction d'autres éléments. Ils ne sont pas souvent produits sous forme de métaux purs ; la production d'yttrium métallique est de l'ordre de quelques tonnes, et celle de scandium est de l'ordre de 10 kg par an ; la production de lutétium n'est pas calculée, mais elle est certainement faible. Les éléments, après purification des autres terres rares, sont isolés sous forme d'oxydes ; les oxydes sont transformés en fluorures lors des réactions avec l'acide fluorhydrique. Les fluorures résultants sont réduits avec des métaux alcalino-terreux ou des alliages de métaux ; le calcium métallique est utilisé le plus fréquemment. Par exemple:
- Sc 2 O 3 + 3 HF → 2 ScF 3 + 3 H 2 O
- 2 ScF 3 + 3 Ca → 3 CaF 2 + 2 Sc
Chimie biologique
Les métaux du groupe 3 ont une faible disponibilité dans la biosphère. Le scandium, l'yttrium et le lutétium n'ont aucun rôle biologique documenté dans les organismes vivants. La radioactivité élevée du lawrencium le rendrait hautement toxique pour les cellules vivantes, provoquant un empoisonnement par rayonnement.
Le scandium se concentre dans le foie et constitue une menace pour celui-ci ; certains de ses composés sont peut-être cancérigènes , même si en général le scandium n'est pas toxique. Le scandium est connu pour avoir atteint la chaîne alimentaire, mais en quantités infimes seulement; un humain typique consomme moins de 0,1 microgramme par jour. Une fois libéré dans l'environnement, le scandium s'accumule progressivement dans les sols, ce qui entraîne une augmentation des concentrations dans les particules du sol, les animaux et les humains. Le scandium est surtout dangereux dans l'environnement de travail, en raison du fait que l'humidité et les gaz peuvent être inhalés avec l'air. Cela peut provoquer des embolies pulmonaires, en particulier lors d'une exposition à long terme. L'élément est connu pour endommager les membranes cellulaires des animaux aquatiques, provoquant plusieurs influences négatives sur la reproduction et sur les fonctions du système nerveux.
L'yttrium a tendance à se concentrer dans le foie, les reins, la rate, les poumons et les os des humains. Il n'y a normalement que 0,5 milligramme dans l'ensemble du corps humain; le lait maternel humain contient 4 ppm. L'yttrium peut être trouvé dans les plantes comestibles à des concentrations comprises entre 20 ppm et 100 ppm (poids frais), le chou ayant la plus grande quantité. Avec jusqu'à 700 ppm, les graines de plantes ligneuses ont les concentrations connues les plus élevées.
Le lutétium se concentre dans les os et, dans une moindre mesure, dans le foie et les reins. Les sels de lutétium sont connus pour provoquer le métabolisme et ils se produisent avec d'autres sels de lanthanide dans la nature ; l'élément est le moins abondant dans le corps humain de tous les lanthanides. L'alimentation humaine n'a pas été surveillée pour la teneur en lutétium, on ne sait donc pas combien l'humain moyen en absorbe, mais les estimations montrent que la quantité n'est que de quelques microgrammes par an, provenant toutes de petites quantités prises par les plantes. Les sels de lutétium solubles sont légèrement toxiques, mais pas les sels insolubles.
Remarques
Les références
Bibliographie
- Emsley, John (2001). Les éléments constitutifs de la nature : un guide de A à Z sur les éléments . États-Unis : Oxford University Press. ISBN 0-19-850341-5.
- Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Chimie des éléments (2e éd.). Butterworth-Heinemann . ISBN 978-0-08-037941-8.