Prvky 3. skupiny - skandium, ytrium, lantán, aktínium

Do 3. skupiny periodickej sústavy prvkov (predtým označovanej ako III.B podskupina) patria štyri prvky: skandium (Sc), ytrium (Y), lantán (La) a aktínium (Ac). Tieto prvky stoja na začiatku jednotlivých radov prechodných (d-prvkov), resp. vnútorne prechodných (f-prvkov) kovov. Skandium, ytrium a lantán spolu so štrnástimi prvkami nasledujúcimi za lantánom (lantanoidmi) tvoria širšiu skupinu označovanú ako prvky vzácnych zemín.

Atómy prvkov 3. skupiny majú valenčnú elektrónovú konfiguráciu (n−1)d¹ ns² (kde n je číslo periódy: 4 pre Sc, 5 pre Y, 6 pre La, 7 pre Ac). Majú teda tri valenčné elektróny nad konfiguráciou predchádzajúceho vzácneho plynu. Tieto tri elektróny pomerne ľahko odštepujú za tvorby stabilných katiónov M³⁺ s konfiguráciou vzácneho plynu. Preto vo svojich zlúčeninách vystupujú výlučne v oxidačnom stave +III. Svojimi vlastnosťami sa podobajú jednak katiónom M²⁺ kovov alkalických zemín, jednak katiónom M³⁺ prvkov 13. skupiny (najmä hliníku Al³⁺).

Vlastnosti prvkov 3. skupiny link

Sú to striebrolesklé, pomerne mäkké kovy s typickými kovovými vlastnosťami (kujnosť, ťažnosť, vodivosť). Patria medzi málo ušľachtilé kovy (majú záporné štandardné elektródové potenciály) a sú pomerne reaktívne. Reagujú s kyslíkom (najmä pri zahriatí), vodou (za uvoľnenia H₂) aj kyselinami.

So vzrastajúcim protónovým číslom v skupine (od Sc k Ac) stúpa atómový aj iónový polomer a hustota. Naopak, elektronegativita klesá a prvky sa stávajú neušľachtilejšími (štandardný elektródový potenciál M³⁺/M je čoraz zápornejší). Ostatné vlastnosti, ako teploty topenia, varu či prvá ionizačná energia, nevykazujú taký pravidelný trend.

Výskyt a príprava link

Prvky skupiny skandia (Sc, Y, La) sa v prírode vyskytujú rozptýlene, často spoločne s lantanoidmi v rôznych mineráloch. Medzi najdôležitejšie patria monazit (fosforečnan obsahujúci prvky vzácnych zemín a tórium), gadolinit (kremičitan obsahujúci berýlium, ytrium, železo a prvky vzácnych zemín) alebo thortveitit (kremičitan skandia a ytria). Aktínium sa v nepatrných množstvách vyskytuje v uránových rudách ako produkt rádioaktívneho rozpadu uránu.

Príprava kovov tejto skupiny sa zakladá prevažne na elektrolýze tavenín ich solí (najmä chloridov) alebo metalotermickej redukcii ich halogenidov (napr. fluoridov) kovovým vápnikom.

Aktínium (konkrétne izotop ²²⁷Ac s polčasom rozpadu 21,8 roka) sa získava ožarovaním rádia neutrónmi v jadrových reaktoroch:

\( \ce{^{226}_{88}Ra + ^{1}_{0}n -> ^{227}_{88}Ra ->[\beta^-] ^{227}_{89}Ac} \)

Využitie link

Využitie samotných kovov Sc, Y, La, Ac v čistej forme je pomerne obmedzené, častejšie sa používajú ako prísady do zliatin alebo vo forme zlúčenín. Lantán sa používa v niektorých zliatinách horčíka pre letecký priemysel. Ytrium a najmä skandium sa pridávajú do špeciálnych hliníkových zliatin na výrazné zlepšenie ich mechanických vlastností (pevnosť, zvariteľnosť).

Typy zlúčenín prvkov 3. skupiny link

Zlúčeniny prvkov 3. skupiny majú prevažne iónový charakter vzhľadom na nízku elektronegativitu týchto prvkov a podobajú sa zlúčeninám kovov alkalických zemín. Keďže stabilné ióny M³⁺ nemajú žiadne valenčné d ani f elektróny (majú konfiguráciu vzácneho plynu), ich zlúčeniny sú zvyčajne bezfarebné a diamagnetické.

Medzi najznámejšie zlúčeniny patria:

• Oxidy
• Hydroxidy
• Soli

Oxidy link

Oxidy typu M₂O₃ (Sc₂O₃, Y₂O₃, La₂O₃, Ac₂O₃) sú biele, ťažko taviteľné látky so zásadotvorným charakterom. Pripravujú sa tepelným rozkladom hydroxidov, uhličitanov alebo šťaveľanov (oxalátov):

\( \ce{M2(CO3)3(s) ->[t] M2O3(s) + 3CO2(g)} \)

Hydroxidy link

Hydroxidy typu M(OH)₃ sa získavajú zrážaním z vodných roztokov solí M³⁺ pridaním roztoku hydroxidu alkalického kovu (napr. NaOH). Sú to biele, gélovité, vo vode ťažko rozpustné zrazeniny.

\( \ce{M^{3+}(aq) + 3OH^{-}(aq) -> M(OH)3(s)} \)

Ich zásaditosť stúpa v skupine od Sc(OH)₃ k La(OH)₃ (a Ac(OH)₃) so zväčšujúcim sa iónovým polomerom.

Soli link

Skandium, ytrium a lantán tvoria soli s väčšinou bežných kyselín. Rozpustnosť solí závisí od aniónu:

• Dobre rozpustné vo vode sú zvyčajne soli silných kyselín: dusičnany M(NO₃)₃, sírany M₂(SO₄)₃, chloridy MCl₃, bromidy MBr₃, jodidy MI₃. Mnohé z nich tvoria hydráty (napr. ScCl₃·6H₂O).
• Nerozpustné alebo málo rozpustné vo vode sú zvyčajne soli slabých kyselín: uhličitany M₂(CO₃)₃, fosforečnany MPO₄, šťaveľany (oxaláty) M₂(C₂O₄)₃ a tiež fluoridy MF₃.

Vybrané zlúčeniny skandia link

Oxid skanditý link

Oxid skanditý (Sc₂O₃) je najbežnejšia zlúčenina skandia. Je to biely, ťažko taviteľný prášok so zásaditým charakterom. Slúži ako východisková látka pre prípravu iných zlúčenín skandia a používa sa v niektorých keramických materiáloch a katalyzátoroch.

Jodid skanditý link

Jodid skanditý (ScI₃) je zlúčenina využívaná v osvetľovacej technike. Pridáva sa do vysokointenzívnych metalhalogenidových výbojok, kde prispieva k produkcii veľmi jasného svetla, ktoré sa svojím spektrom podobá prirodzenému slnečnému žiareniu. Tieto výbojky sa používajú napr. na osvetlenie štadiónov.

Fluorid skanditý link

Fluorid skanditý (ScF₃) je biela, vo vode nerozpustná zlúčenina. Tvorí sa napríklad pri reakcii kovového skandia s kyselinou fluorovodíkovou, kde vytvára ochrannú pasivačnú vrstvu. Používa sa ako medziprodukt pri výrobe kovového skandia metalotermickou redukciou.

Vybrané zlúčeniny ytria link

Oxid ytritý link

Oxid ytritý (Y₂O₃) je biela, ťažko taviteľná látka. Používa sa ako dôležitá súčasť niektorých vysokoteplotných supravodičov (napr. YBa₂Cu₃O₇, známy ako YBCO) a ako červený luminofor v obrazovkách (staršie CRT televízory) a úsporných žiarivkách.

Významné zlúčeniny lantánu link

Oxid lantanitý link

Oxid lantanitý (La₂O₃) je biely zásaditý prášok. Používa sa pri výrobe špeciálnych optických skiel s vysokým indexom lomu a nízkou disperziou (rozkladom svetla), ktoré sú súčasťou kvalitných šošoviek pre fotoaparáty a ďalšie optické prístroje. Slúži tiež ako katalyzátor v niektorých chemických reakciách.

Lantán-niklová zliatina link

Lantán-niklová zliatina (LaNi₅) je intermetalická zlúčenina (zlúčenina dvoch alebo viacerých kovov s definovanou štruktúrou). Je známa svojou schopnosťou absorbovať a reverzibilne uvoľňovať veľké množstvo plynného vodíka. Táto vlastnosť sa využíva pri skladovaní vodíka a ako materiál zápornej elektródy v nabíjateľných nikel-metal hydridových (NiMH) batériách.

Hexaborid lantanitý link

Hexaborid lantanitý (LaB₆) je chemicky odolný, tvrdý materiál s veľmi vysokou teplotou topenia (nad 2200 °C). Vyznačuje sa nízkou výstupnou prácou elektrónov, čo znamená, že pri zahriatí ľahko emituje elektróny. Preto sa používa ako zdroj elektrónov (katóda) v zariadeniach vyžadujúcich silný prúd elektrónov, ako sú elektrónové mikroskopy, röntgenky alebo zariadenia na zváranie elektrónovým lúčom.

Uhličitan lantanitý link

Uhličitan lantanitý (La₂(CO₃)₃) je vo vode nerozpustná soľ. V medicíne sa používa vo forme liekov ako vychytávač fosforečnanov v tráviacom trakte. Podáva sa pacientom s chronickým zlyhaním obličiek, ktorí majú problém vylučovať fosforečnany, čo vedie k nebezpečne vysokej hladine fosforečnanov v krvi (hyperfosfatémia).

Známe zlúčeniny aktínia link

Medzi známe zlúčeniny patrí biely oxid aktinitý (Ac₂O₃), ktorý slúži ako zdroj neutrónov v zmesi s berýliom, a biely fluorid aktinitý (AcF₃), používaný pri príprave kovového aktínia.

Lantanoidy a aktinoidy link

Postavenie lantánu (La) a aktínia (Ac) v periodickej tabuľke je predmetom diskusií. Podľa IUPAC patria do 3. skupiny spolu so Sc a Y, keďže ich valenčná elektrónová konfigurácia končí obsadením d-orbitálu ([Xe] 5d¹ 6s² pre La, [Rn] 6d¹ 7s² pre Ac). Avšak, v mnohých zobrazeniach periodickej tabuľky sa umiestňujú ako prvé prvky radu lantanoidov a aktinoidov, pretože práve za nimi nasleduje zapĺňanie f-orbitálov (4f pre lantanoidy, 5f pre aktinoidy). Chemicky sa La a Ac správajú veľmi podobne ako ostatné lantanoidy, resp. aktinoidy v oxidačnom stave +III.

Nasledujúca tabuľka sumarizuje kľúčové spoločné vlastnosti a rozdiely medzi sériami lantanoidov (prvky nasledujúce za La) a aktinoidov (prvky nasledujúce za Ac), ktoré sú dôležité pre pochopenie širšieho kontextu týchto prvkov.

Náhľadový obrázok: Yttrium, sublimed-dendritic and 1cm³ cube. Autor: Alchemist-hp (www.pse-mendelejew.de) / Zdroj: Vlastné dielo / Licencia: Free Art License.