Elementi del gruppo 3

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Gruppo 3
Periodo
4 21
Sc
5 39
Y
6 57
La
7 89
Ac
Scandio sublimato puro al 99,998%, vicino ad un cubo di 1 cm3 di scandio fuso con un arco elettrico.
Ittrio sublimato puro al 99,99%, vicino ad un cubo di 1 cm3 di ittrio fuso con un arco elettrico.
Un pezzo di lantanio puro delle dimensioni di circa 1 cm.

Gli elementi del gruppo 3 sono spesso considerati scandio (Sc), ittrio (Y), lantanio (La) e attinio (Ac), anche se alcuni autori hanno optato diversamente. Il gruppo 3 fa parte del blocco d della tavola periodica e i suoi componenti sono metalli di transizione. A temperatura ambiente questi elementi sono tutti solidi. L'attinio è un elemento radioattivo presente in tracce nei minerali di uranio.[1] Nella nomenclatura precedente questo gruppo era denominato IIIA o IIIB a seconda di diverse convenzioni usate rispettivamente in Europa e negli Stati Uniti.

Legenda dei colori della tabella a destra: Metalli di transizione

Composizione del gruppo 3[modifica | modifica wikitesto]

Il genere si considera che il gruppo 3 debba constare di quattro elementi, in analogia con tutti gli altri gruppi del blocco d (gruppi 3-12). Scandio e ittrio sono universalmente indicati come i primi due elementi del gruppo, mentre non esiste un accordo generale su quali siano gli elementi successivi. Testi classici di chimica inorganica considerano che gli altri due elementi siano lantanio e attinio,[2][3][4][5] mentre alcune fonti recenti preferiscono considerare lutezio e laurenzio.[1][6][7][8] Meno frequentemente si considera che il gruppo 3 sia espanso a 32 elementi includendo anche lantanoidi e attinoidi.[9] La IUPAC finora non si è espressa in proposito, ma nel 2015 ha dato vita ad un progetto per arrivare ad una raccomandazione su quali siano gli elementi costituenti del gruppo 3.[10] In attesa di un parere ufficiale della IUPAC, si considera qui che al gruppo 3 appartengano scandio, ittrio, lantanio e attinio.

Fonti[modifica | modifica wikitesto]

Lo scandio è poco comune sulla crosta terrestre, essendo il 35esimo elemento per abbondanza. È distribuito in forma molto diffusa e quindi difficile da ricavare; uno dei pochi minerali sfruttati commercialmente è la thortveitite, (Sc,Y)2Si2O7, ma la maggior parte dello scandio si ottiene come Sc2O3 dalla lavorazione dei minerali di uranio. Si producono poche tonnellate all'anno di Sc2O3, e solo l'1% è convertito a metallo. L'ittrio è il 28esimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre, dove si trova in vari minerali sfruttabili commercialmente come xenotime-(Y), monazite, bastnäsite-(Y), fergusonite-(Y) e samarskite-(Y). Annualmente si producono 9000 tonnellate all'anno di Y2O3 e solo poche tonnellate di ittrio metallico. Il lantanio è il 28esimo elemento per abbondanza sulla crosta terrestre, dove si trova sempre assieme ai lantanoidi in vari minerali come monazite e bastnasite. Si producono più di 30000 tonnellate all'anno di ossido di lantanio, La2O3. L'attinio si può estrarre da minerali di uranio come attinio-227, ma in genere questo nuclide è prodotto artificialmente bombardando radio-226 con neutroni.[1]

Tossicità e ruolo biologico[modifica | modifica wikitesto]

Nessuno di questi metalli ha un ruolo biologico; l'attinio è molto pericoloso per la sua radioattività. Un corpo umano contiene circa 0,2 mg di scandio, circa 0,5 mg di ittrio, e meno di mg di lantanio. A parte l'attinio, gli altri metalli del gruppo sono in genere poco pericolosi. Tuttavia alcuni dei composti dello scandio sono sospetti cancerogeni, e i composti di ittrio solubili sono considerati leggermente tossici.[1]

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Lo scandio è utilizzato soprattutto in leghe speciali. Una aggiunta di 0,5% di scandio all'alluminio rende il materiale molto più duro e ne alza il punto di fusione di 800 °C; leghe di questo tipo sono usate in aeronautica. L'aggiunta di ioduro di scandio ScI3 nelle lampade a vapore di mercurio permette di ottenere una fonte di illuminazione molto simile alla luce solare. L'ittrio è usato per ottenere leghe speciali a grana fine e per produrre molti granati cristallini artificiali con particolari proprietà ottiche e magnetiche. Ad esempio il granato di ittrio e alluminio noto come YAG (yttrium-aluminium garnet) è usato nel laser Nd:YAG. L'ossido di ittrio è usato in superconduttori come l'YBCO. L'ossisolfuro di ittrio Y2O2S drogato con europio è il fosforo rosso usato nei vecchi televisori a colori. Il lantanio metallico è usato in leghe particolari come LaNi5, che è in grado di assorbire idrogeno gassoso, e negli elettrodi per lampade ad arco per accrescere la luminosità dell'arco. È inoltre presente nelle batterie nichel-metallo idruro usate nei veicoli ibridi; un'auto ibrida può contenere 10 kg di lantanio. L'ossido di lantanio è aggiunto ai vetri per ottenere lenti con alto indice di rifrazione, mentre il fluoruro di lantanio LaF3 è usato in fibre ottiche per trasmissione dati. L'attinio è usato in piccolissime quantità solo nella ricerca scientifica come sorgente di neutroni.[1]

Proprietà degli elementi[modifica | modifica wikitesto]

In questa tavola periodica il numero di isotopi stabili di ciascun elemento è denotato con un diverso colore. Gli elementi con numeri atomici dispari hanno soltanto uno o due isotopi stabili, mentre gli elementi con numeri atomici pari hanno tutti tre o più isotopi stabili, eccetto i primi tre: elio, berillio e carbonio.
Punti di fusione degli elementi dei periodi 4-6 della tavola periodica.

Gli elementi del gruppo 3 hanno tutti numero atomico dispari e quindi hanno pochi isotopi stabili (vedi figura). Sono metalli relativamente teneri, lucidi e argentei. Come ci si può aspettare sono meno elettropositivi dei metalli alcalino terrosi che li precedono, e più elettropositivi dei metalli di transizione che li seguono nel blocco d. La presenza di un elettrone d fa crescere la forza del legame metallico, e quindi rispetto ai metalli alcalino terrosi crescono le entalpie di fusione, di vaporizzazione e di atomizzazione; ciò è segnalato dai punti di fusione (figura e tabella), che sono in crescita rispetto al gruppo 2.[2][5]

Tabella 1. Alcune proprietà degli elementi del gruppo 3[2]
Proprietà Scandio Ittrio Lantanio Attinio
Peso atomico (u) 44,9559 88,9058 138,9055 227,0277
Configurazione elettronica [Ar] 3d1 4s2 [Kr] 4d1 5s2 [Xe] 5d1 6s2 [Rn] 6d1 7s2
Punto di fusione (°C) 1539 1530 920 817
Punto di ebollizione (°C) 2748 3264 3420 2470
Densità (g/cm3a 25 °C) 3,0 4,5 6,17 -
Raggio metallico (pm) 162 180 187 -
Raggio ionico M(III) (pm) 74,5 90,0 103,2 112
Elettronegatività (Pauling) 1,3 1,2 1,1 1,1
E0 M3+/0 (V) –2,03 –2,37 –2,37 –2,6
Entalpia di fusione (kJ·mol−1) 15,77 11,5 8,5 10,5
Entalpia di vaporizzazione (kJ·mol−1) 332 367 402 293
Entalpia di atomizzazione (kJ·mol−1) 376 425 423 -
Resistività elettrica a 20 °C (Ω·m·108) 50-61 57-70 57-80 -

Reattività chimica e andamenti nel gruppo[2][5][11][modifica | modifica wikitesto]

Questi elementi hanno tre elettroni nel livello elettronico esterno, al pari degli elementi del gruppo 13, ma la configurazione elettronica è diversa, essendo d1s2 per il gruppo 3 e s2p1 per il gruppo 13. Di conseguenza, al di là del comune stato di ossidazione +3, le similitudini sono poche; ad esempio l'ossido Sc2O3 è anfotero come Al2O3.

I potenziali standard di riduzione degli elementi del gruppo 3 sono alquanto negativi e quindi questi metalli anneriscono all’aria e bruciano formando l’ossido M2O3. Reagiscono anche con l'acqua e gli acidi sviluppando idrogeno. Anche se scandio, ittrio e lantanio sono i primi membri delle tre serie di transizione d, la loro chimica non è quella tipica degli elementi di transizione. Infatti:

  • Non sono possibili vari stati di ossidazione. In questi elementi si osserva solo lo stato di ossidazione +3, che porta a composti per lo più ionici. Gli ioni M3+, avendo configurazione d0, sono naturalmente incolori e diamagnetici.
  • All'interno del gruppo le differenze di comportamento chimico sono principalmente dovute alla diversa dimensione degli ioni M3+. Lo ione più piccolo si ha nell'elemento più leggero; lo ione Sc(III) (r = 74,5 pm) mostra proprietà simili alla specie Al(III) (r = 53,5 pm). Lantanio e attinio hanno proprietà simili al calcio.
  • Non hanno una spiccata tendenza a formare composti di coordinazione, nonostante la carica +3. Ciò sembra dovuto alle dimensioni alquanto elevate (siamo all'inizio del blocco d) per cui la densità di carica dello ione è in effetti ridotta. Lo ione Sc(III), essendo lo ione più piccolo del gruppo, forma complessi più facilmente dei congeneri più pesanti, di solito con numero di coordinazione sei e struttura ottaedrica. Date le dimensioni maggiori, Y(III) e La(III) preferiscono invece numeri di coordinazione maggiori: 8, 9 e 10.
  • Nel formare complessi, gli ioni M3+ si comportano da acidi hard e prediligono leganti donatori all'ossigeno, meglio se chelanti (ad esempio, C2O43+, acac).

Note[modifica | modifica wikitesto]

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • (EN) P. W. Atkins e L. Jones, Chemical Principles: The Quest for Insight, 4ª ed., New York, W. H. Freeman, 2007, ISBN 9781429209656.
  • (EN) P. Atkins, T. Overton, J. Rourke, M. Weller, F. Armstrong e M. Hagerman, Shriver & Atkins' Inorganic Chemistry, 5ª ed., Oxford University Press, 2010, ISBN 978-0199599608.
  • F. A. Cotton, G. Wilkinson e P. L. Gaus, Principi di chimica inorganica, Milano, Casa Editrice Ambrosiana, 1991.
  • (EN) F. A. Cotton, G. Wilkinson, C. A. Murillo e M. Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry, 6ª ed., Wiley-Interscience, 1999, ISBN 978-0471199571.
  • (EN) J. Emsley, Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements (New ed.), New York, Oxford University Press, 2011, ISBN 978-0-19-960563-7.
  • (EN) N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the elements, 2ª ed., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4.
  • (DE) A. F. Holleman e N. Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Berlino, Walter de Gruyter, 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  • (EN) C. E. Housecroft e A. G. Sharpe, Inorganic chemistry, 3ª ed., Harlow (England), Pearson Education Limited, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6.
  • IUPAC, Project No.: 2015-039-2-200 - The constitution of group 3 of the periodic table, IUPAC, 2015. URL consultato il 18 novembre 2016.
  • (EN) D. W. Oxtoby, H. P. Gillis e A. Campion, Principles of Modern Chemistry, Belmont, CA, Thomson/Brooks Cole, 2007, ISBN 978-0534493660.
  • (EN) E. Scerri, Mendeleev's Periodic Table Is Finally Completed and What To Do about Group 3?, in Chemistry International, vol. 34, nº 4, 2012, pp. 28-31.

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