Түсіндірмелер
бастапқы элемент синтезделген элемент атомдық нөмір түсі: қара=қатты
|}
Legend
primordial element synthetic element Atomic number color: black=solid
|}
3-топ – периодтық кестедегі өтпелі металдардың бірінші тобы. Бұл топ сирек кездесетін жер элементтерімен тығыз байланысты. Оның құрамында скандий (Sc), иттрий (Y), лютеций (Lu) және лоренций (Lr) төрт элементі бар. Топты скандий тобы немесе скандий отбасы деп те атайды, оның ең жеңіл мүшесінің атымен. 3-топ элементтерінің химиясы ертедегі өтпелі металдарға тән: олардың барлығы негізінен +3 тотығу күйінде болады және алдыңғы негізгі топ металдары сияқты электропозитивті, координациялық химиясы шамалы. Лантаноидтар жиырылуының әсерінен иттрий мен лютецийдің қасиеттері өте ұқсас. Иттрий мен лютеций ауыр лантаноидтардың химиялық қасиеттерін көрсетеді, бірақ скандий кішігірім мөлшеріне байланысты бірнеше айырмашылықтарды көрсетеді. Бұл ертедегі өтпелі металл топтарындағы сияқты, ең жеңіл элемент келесі екі өте ұқсас элементтен ерекшеленеді. 3-топтың барлық элементтері жұмсақ, күміс түсті ақ металл, бірақ олардың қаттылығы атомдық санымен артады. Олар ауада тез тотығады және сумен әрекеттеседі, бірақ оксид қабатының түзілуі олардың реакциялық белсенділігін азайтады. Алғашқы үшеуі табиғатта кездеседі, әсіресе иттрий мен лютецийдің химиялық қасиеттері ұқсас болғандықтан, олар лантаноидтармен байланысты болады. Лоренций күшті радиоактивті: ол табиғатта кездеспейді және жасанды түрде синтезделуі керек, бірақ оның байқалған және теориялық болжамдары лютецийдің ауыр гомологы екенін көрсетеді. 3-топ элементтерінің ешқайсысының биологиялық рөлі жоқ. Тарихи тұрғыдан алғанда, кейде лантан (La) және актиний (Ac) лютеций мен лоренцийдің орнына топқа енгізілді, өйткені көптеген сирек кездесетін жер элементтерінің электрондық конфигурациялары дұрыс емес өлшенген. Бұл топтың мұндай құрамы оқулықтарда жиі кездеседі, бірақ тақырыпты зерттеген авторлардың көпшілігі оған қарсы. Кейбір авторлар екі форматтың арасында келісімге келу үшін иттрийдің астындағы кеңістікті бос қалдыруға тырысады, бірақ бұл кванттық механикаға қайшы келеді, себебі f-блогы 14 элементке орналасуы керек болса, 15 элементке дейін кеңейеді (f-субқабықтың максималды сыйымдылығы). Мазмұны
Group 3 is the first group of transition metals in the periodic table. This group is closely related to the rare earth elements. It contains the four elements scandium (Sc), yttrium (Y), lutetium (Lu), and lawrencium (Lr). The group is also called the scandium group or scandium family after its lightest member. The chemistry of the group 3 elements is typical for early transition metals: they all essentially have only the group oxidation state of +3 as a major one, and like the preceding main group metals are quite electropositive and have a less rich coordination chemistry. Due to the effects of the lanthanide contraction, yttrium and lutetium are very similar in properties. Yttrium and lutetium have essentially the chemistry of the heavy lanthanides, but scandium shows several differences due to its small size. This is a similar pattern to those of the early transition metal groups, where the lightest element is distinct from the very similar next two. All the group 3 elements are rather soft, silvery white metals, although their hardness increases with atomic number. They quickly tarnish in air and react with water, though their reactivity is masked by the formation of an oxide layer. The first three of them occur naturally, and especially yttrium and lutetium are almost invariably associated with the lanthanides due to their similar chemistry. Lawrencium is strongly radioactive: it does not occur naturally and must be produced by artificial synthesis, but its observed and theoretically predicted properties are consistent with it being a heavier homologue of lutetium. None of the group 3 elements have any biological role. Historically, sometimes lanthanum (La) and actinium (Ac) were included in the group instead of lutetium and lawrencium, because the electron configurations of many of the rare earths were initially measured wrongly. This version of group 3 is still commonly found in textbooks, but most authors focusing on the subject are against it. Some authors attempt to compromise between the two formats by leaving the spaces below yttrium blank, but this contradicts quantum mechanics as it results in an f block that is 15 elements wide rather than 14 (the maximum occupancy of an f subshell). TOC
Құрамы
Физикалық, химиялық және электрондық дәлелдер 3-топтағы дұрыс элементтердің скандий, иттрий, лютеций және лоренций екенін нақты көрсетеді: бұл жіктеуді осы мәселені қарастырған көптеген химиктер мен физиктер қабылдаған. Қалай болғанда да, бұл формат кванттық физикаға қайшы келеді, себебі ол 15 элементтен тұратын f блогын құрайды, ал f субқабығына бар болғаны 14 электрон сыяды. Супержұрт элементтерге назар аударған басқа авторлар бұл қақтығысты түсіндіріп, «f блогының 15-ші жазбасы d блогының бос қалған бірінші ұясын көрсетеді, ол f блогының орналасуын білдіреді» деп мәлімдеді. Бұл жағдайда Lu және Lr (сұрақ тудырған 15-ші жазбалар) Sc және Y астындағы d блогы элементтері болып табылады. Шындығында, IUPAC жарияланымдары кестеді 32 бағанға дейін кеңейткенде, оны нақты көрсетеді және Lu мен Lr-ді Y астына орналастырады. 2021 жылғы IUPAC есебінде айтылғандай, Sc Y Lu Lr форматы ғана атомдық нөмірдің тізбесін сақтап, d блогын «өте тең емес екі бөлікке» бөлуден сақтайды және кванттық механика талап ететін дұрыс енді (2, 6, 10 және 14) қамтамасыз етеді. Sc Y La Ac пікірлері әлі де әдебиеттерде кездеседі, бірақ көптеген авторлар оларды логикалық тұрғыдан дұрыс емес деп санайды. Алайда, торийдің f блогының элементі екендігі ешқандай дау тудырмайды, лантан, актиний және торий Маделунг ережесінен туындаған ерекшеліктердің мысалы ғана; мұндай ерекшеліктер элементтердің аз бөлігін құрайды (барлығы 118 элементтің ішінде тек 20-сы ғана). Орналасу үшін маңызды факт – лантан мен актинийдің (торий сияқты) химиялық ортада толуы мүмкін валентті f орбиталдары бар, ал лютеций мен лоренцийде мұндай орбиталдар жоқ: Сондықтан иттрий мен лантан арасындағы қарым-қатынас – бірдей валентті электрон санына ие, бірақ әртүрлі валентті орбиталдары бар элементтер арасындағы екіншілік қарым-қатынас, мысалы, хром мен уран арасындағыдай; ал иттрий мен лютеций арасындағы қарым-қатынас – біріншілік, олар екеуі де валентті электрон саны мен валентті орбитал түрі бойынша ортақ нәрсеге ие.
Physical, chemical, and electronic evidence overwhelmingly shows that the correct elements in group 3 are scandium, yttrium, lutetium, and lawrencium: this is the classification adopted by most chemists and physicists who have considered the matter. either way, this format contradicts quantum physics by creating a 15 element wide f block when only 14 electrons can fit in an f subshell. Other authors focusing on superheavy elements since clarified that the "15th entry of the f block represents the first slot of the d block which is left vacant to indicate the place of the f block inserts", which would imply that this form still has Lu and Lr (the 15th entries in question) as d block elements under Sc and Y. Indeed, when IUPAC publications expand the table to 32 columns, they make this clear and place Lu and Lr under Y. As noted by the 2021 IUPAC report, Sc Y Lu Lr is the only form that simultaneously allows for the preservation of the sequence of atomic number, avoids splitting the d block into "two highly uneven portions", and gives the blocks the correct widths quantum mechanics demands (2, 6, 10, and 14). While arguments in favour of Sc Y La Ac can still be found in the literature, many authors consider them to be logically inconsistent. But the same is true of thorium which is never disputed as an f block element, Lanthanum, actinium, and thorium are simply examples of exceptions to the Madelung rule; not only do those exceptions represent a minority of elements (only 20 out of 118), The relevant fact for placement is that lanthanum and actinium (like thorium) have valence f orbitals that can become occupied in chemical environments, whereas lutetium and lawrencium do not: Thus the relationship between yttrium and lanthanum is only a secondary relationship between elements with the same number of valence electrons but different kinds of valence orbitals, such as that between chromium and uranium; whereas the relationship between yttrium and lutetium is primary, sharing both valence electron count and valence orbital type.
Тарих
3-топ элементтерінің ашылуы, олар табиғатта әдетте сирек кездесетін жерлермен байланысты. 1787 жылы швед химигі Карл Аксель Аррений Швецияның Йтерби ауылының (Стокгольм архипелагының бөлігі) жанында ауыр қара тасты тапты. Ол бұл тасты жаңадан ашылған вольфрамды қамтитын белгісіз минерал деп ойлап, оны иттербит деп атады. Фин ғалымы Йохан Гадолин 1789 жылы Арренийдің үлгісінде жаңа оксид немесе "жер" анықтады және 1794 жылы толық талдауын жариялады; 1797 жылы жаңа оксид иттрия деп аталды. Француз ғалымы Антуан Лавуазье химиялық элементтердің қазіргі заманғы алғашқы анықтамасын жасағаннан кейін, "жерлерді" олардың құрамындағы элементтерге дейін азайтуға болады деп саналды, яғни жаңа "жердің" ашылуы оның құрамындағы элементтің ашылуымен теңестірілді, бұл жағдайда – иттрий. 1920 жылдардың басына дейін элементтің химиялық символы "Yt" болды, кейін "Y" жиі қолданыла бастады. Иттрий металлын, таза болмаса да, алғаш рет 1828 жылы Фридрих Вёлер сусыз иттрий(III) хлоридін калиймен қыздырып, металл иттрий мен калий хлоридін алғанда синтездеді. Гадолиннің иттриясы көптеген металл оксидтерінің қоспасы екені шықты, осылай сирек кездесетін жерлерді ашу тарихы басталды. Менделеев осы гипотетикалық элемент туралы бірнеше болжам жасады, оны ол эка-бор деп атады. Сол кезде Гадолиннің иттриясы бірнеше рет бөлінді: алдымен швед химигі Карл Густав Мосандер 1843 жылы тербия және эрбия деп атаған екі "жерді" бөліп шығарды (иттрияны бөліп, Иттерби атын да бөліп алды); содан кейін 1878 жылы швейцар химигі Жан Шарль Галиссард де Мариньяк тербия мен эрбияны тағы да көп "жерлерге" бөлді. Олардың арасында иттербия (ербияның бұрынғы құрамының бір бөлігі) болды. Ол оны скандия деп атады, латын тіліндегі "Scandinavia" сөзінен шыққан. Нильсон Менделеевтің болжамын білмеген сияқты, бірақ Пер Теодор Клив оның сәйкестігін анықтап, Менделеевке хабарлады. Скандийге жасалған химиялық тәжірибелер Менделеевтің ұсыныстарының дұрыс екенін дәлелдеді; галлий мен германийді табу және сипаттаумен бірге, бұл бүкіл периодтық кесте мен периодтық заңның дұрыстығын растады. Металл скандийді алғаш рет 1937 жылы 700–800 °C температурада калий, литий және скандий хлоридтерінің эвтектикалық қоспасын электролиз арқылы өндірді. Скандий иттрий табылған кендерде де кездеседі, бірақ ол одан әлдеқайда сирек, және осы себепті, мүмкін, оның ашылуы кешікті. Австриялық минералог Карл Ауэр фон Велсбах бароны мен американдық химик Чарльз Джеймс екеуі де дербес түрде иттербияда жаңа элемент тапты. Велсбах өзінің жаңа элементіне кассиопей деп атау ұсынды (Кассиопея жұлдыз шоқшасының құрметіне), ал Урбайн лютецийді таңдады (латынша Lutetia, Париж). Ашылудың басымдығы туралы дау екі мақалада жазылған, онда Урбайн мен фон Велсбах бір-бірін екіншісінің жарияланған зерттеулеріне әсер еткен нәтижелерді жариялауда айыптады. 1909 жылы жаңа элементтерге атау беруге жауапты Атомдық масса жөніндегі комиссия Урбайнға басымдық берді және оның атауын ресми атау ретінде бекітті. Бұл шешімнің мәселесі – Урбайн комиссия мүшелерінің бірі болды. 1949 жылы 71-ші элементтің жазылуы лютецийге өзгертілді. Кейінірек Урбайнның лютецийді одан әрі бөлу әрекеттерімен байланысты жұмыстар оның тек 71-ші жаңа элементтің іздерін ғана қамтығанын көрсетті, ал Велсбахтың кассиопейі ғана 71-ші таза элемент болды. Осы себепті көптеген неміс ғалымдары 1950 жылдарға дейін элемент үшін кассиопейім атауын қолдануды жалғастырды. Айырықша жағдай, Чарльз Джеймс, басымдық туралы даудан тартынып, басқалардан гөрі әлдеқайда үлкен масштабта жұмыс істеді және сол кезде лютецийдің ең көп мөлшерін иеленді. Лютеций – тұрақты сирек кездесетін жерлердің соңғысы. Бір ғасырдан астам зерттеулер Гадолиннің бастапқы иттрийін иттрий, скандий, лютеций және тағы жеті жаңа элементке бөлді. 257103 нуклиді алғашқыда хабарланды. Калифорния университетінің тобы 1967 жылы лоуренций (циклотрон бөлшектер үдеткішін ойлап тапқан Эрнест О. Лоуренс) және "Lw" символын ұсынды, бірақ американдық ғалымдардың 257103 туралы деректерін растай алмадық және жаңа элемент үшін "рутерфордий" атауын ұсынды. Дубна тобы Беркли тобының ашылуын IUPAC-тың мақұлдауын асығыс деп сынға алды, онда Беркли мен Дубнадан алынған барлық бұрынғы нәтижелер расталды, бірақ 1961 жылы Берклиде тіркелген 257103 изотопы 258103 екені анықталды. 1992 жылы IUPAC Трансфермий жұмыс тобы ...
The discovery of the group 3 elements is inextricably tied to that of the rare earths, with which they are universally associated in nature. In 1787, Swedish part time chemist Carl Axel Arrhenius found a heavy black rock near the Swedish village of Ytterby, Sweden (part of the Stockholm Archipelago). Thinking that it was an unknown mineral containing the newly discovered element tungsten, he named it ytterbite. Finnish scientist Johan Gadolin identified a new oxide or "earth" in Arrhenius' sample in 1789, and published his completed analysis in 1794; in 1797, the new oxide was named yttria. In the decades after French scientist Antoine Lavoisier developed the first modern definition of chemical elements, it was believed that earths could be reduced to their elements, meaning that the discovery of a new earth was equivalent to the discovery of the element within, which in this case would have been yttrium. Until the early 1920s, the chemical symbol "Yt" was used for the element, after which "Y" came into common use. Yttrium metal, albeit impure, was first prepared in 1828 when Friedrich Wöhler heated anhydrous yttrium(III) chloride with potassium to form metallic yttrium and potassium chloride. In fact, Gadolin's yttria proved to be a mixture of many metal oxides, that started the history of the discovery of the rare earths. Mendeleev made several predictions on this hypothetical element, which he called eka boron. By then, Gadolin's yttria had already been split several times; first by Swedish chemist Carl Gustaf Mosander, who in 1843 had split out two more earths which he called terbia and erbia (splitting the name of Ytterby just as yttria had been split); and then in 1878 when Swiss chemist Jean Charles Galissard de Marignac split terbia and erbia themselves into more earths. Among these was ytterbia (a component of the old erbia), He named it scandium, from the Latin Scandia meaning "Scandinavia". Nilson was apparently unaware of Mendeleev's prediction, but Per Teodor Cleve recognized the correspondence and notified Mendeleev. Chemical experiments on scandium proved that Mendeleev's suggestions were correct; along with discovery and characterization of gallium and germanium this proved the correctness of the whole periodic table and periodic law. Metallic scandium was produced for the first time in 1937 by electrolysis of a eutectic mixture, at 700–800 °C, of potassium, lithium, and scandium chlorides. Scandium exists in the same ores that yttrium had been discovered from, but is much rarer and probably for that reason had eluded discovery. Austrian mineralogist Baron Carl Auer von Welsbach, and American chemist Charles James all independently discovered a new element within ytterbia. Welsbach proposed the name cassiopeium for his new element (after Cassiopeia), whereas Urbain chose the name lutecium (from Latin Lutetia, for Paris). The dispute on the priority of the discovery is documented in two articles in which Urbain and von Welsbach accuse each other of publishing results influenced by the published research of the other. In 1909, the Commission on Atomic Mass, which was responsible for the attribution of the names for the new elements, granted priority to Urbain and adopting his names as official ones. An obvious problem with this decision was that Urbain was one of the four members of the commission. In 1949, the spelling of element 71 was changed to lutetium. Later work connected with Urbain's attempts to further split his lutecium however revealed that it had only contained traces of the new element 71, and that it was only von Welsbach's cassiopeium that was pure element 71. For this reason many German scientists continued to use the name cassiopeium for the element until the 1950s. Ironically, Charles James, who had modestly stayed out of the argument as to priority, worked on a much larger scale than the others, and undoubtedly possessed the largest supply of lutetium at the time. Lutetium was the last of the stable rare earths to be discovered. Over a century of research had split the original yttrium of Gadolin into yttrium, scandium, lutetium, and seven other new elements. The nuclide 257103 was originally reported. The team at the University of California suggested the name lawrencium (after Ernest O. Lawrence, the inventor of cyclotron particle accelerator) and the symbol "Lw", in 1967, they reported that they were not able to confirm American scientists' data on 257103, and proposed the name "rutherfordium" for the new element. The Dubna group criticised the IUPAC approval of the Berkeley group's discovery as having been hasty. in which all previous results from Berkeley and Dubna were confirmed, except that the initial 257103 isotope reported at Berkeley in 1961 turned out to have been 258103. In 1992, the IUPAC Trans fermium Working Group named the nuclear physics teams at Dubna and Berkeley as the co discoverers of element 103. When IUPAC made the final decision of the naming of the elements beyond 100 in 1997, it decided to keep the name "lawrencium" and symbol "Lr" for element 103 as it had been in use for a long time by that point. The name "rutherfordium" was assigned to the following element 104, which the Berkeley team had proposed it for.
Пайда болуы
Скандий, иттрий және лютеций басқа лантаноидтармен бірге (қысқа ғұмырлы прометийден басқа) Жер қабығында кездеседі және оларды кендерінен бөліп алу көбінесе қиынға соғады. 3-топ элементтерінің Жер қыртысындағы мөлшері өте аз – топтағы барлық элементтер сирек, ең көп таралғаны – шамамен миллионға 30 бөлік (ppm) иттрий; скандийдің мөлшері 16 ppm, ал лютецийдің шамамен 0,5 ppm. Салыстыру үшін, мыстың мөлшері 50 ppm, хромның мөлшері 160 ppm, ал молибденнің мөлшері 1,5 ppm. Скандий сирек таралған және көптеген минералдарда аз мөлшерде кездеседі. Скандинавия мен Мадагаскардан табылған гадолинит, эузенит және тортвеит сияқты сирек минералдар осы элементтің белгілі шоғырланған көздері болып табылады, соңғысында скандийдің 45%-ға дейін скандий(III) оксиді түрінде кездеседі. Лютецийдің негізгі коммерциялық тұрғыдан пайдалы кені – сирек кездесетін фосфат минералы монацит (Ce,La,etc.)PO4, оның құрамында 0,003% элемент бар. Басты кен өндіру аймақтары – Қытай, АҚШ, Бразилия, Үндістан, Шри-Ланка және Австралия. Таза лютеций металлы – сирек және ең қымбат сирек металдардың бірі, оның бағасы шамамен 10 000 АҚШ доллары/кг, яғни алтын бағасының төрттен бірі.
Scandium, yttrium, and lutetium tend to occur together with the other lanthanides (except short lived promethium) in the Earth's crust, and are often harder to extract from their ores. The abundance of elements in Earth's crust for group 3 is quite low—all the elements in the group are uncommon, the most abundant being yttrium with abundance of approximately 30 parts per million (ppm); the abundance of scandium is 16 ppm, while that of lutetium is about 0.5 ppm. For comparison, the abundance of copper is 50 ppm, that of chromium is 160 ppm, and that of molybdenum is 1.5 ppm. Scandium is distributed sparsely and occurs in trace amounts in many minerals. Rare minerals from Scandinavia and Madagascar such as gadolinite, euxenite, and thortveitite are the only known concentrated sources of this element, the latter containing up to 45% of scandium in the form of scandium(III) oxide. The principal commercially viable ore of lutetium is the rare earth phosphate mineral monazite, (Ce,La,etc. )PO4, which contains 0.003% of the element. The main mining areas are China, United States, Brazil, India, Sri Lanka and Australia. Pure lutetium metal is one of the rarest and most expensive of the rare earth metals with the price about US$10,000/kg, or about one fourth that of gold.
Биологиялық химия
3-топ металдары биосферада сирек кездеседі. Скандий, иттрий және лютецийдің тірі организмдерде ешқандай биологиялық рөлі анықталмаған. Лоренцийдің жоғары радиоактивтілігі тірі жасушалар үшін өте зиянды, радиациялық улануға алып келуі мүмкін. Скандий бауырда жинақталады және оған қауіпті; оның кейбір қосылыстары қатерлі ісік тудыруы мүмкін, бірақ скандий жалпы алғанда уытты емес. Скандий тағам тізбегіне өте аз мөлшерде ғана түскені белгілі; әдетте адам күніне 0,1 микрограмнан кем мөлшерде қабылдайды. Адам денесінде әдетте 0,5 миллиграммға дейін болады; ана сүтінде 4 ppm құрамында кездеседі. Ағаш тәрізді өсімдіктердің тұқымдарында 700 ppm-ге дейін ең жоғары концентрация байқалады.
Group 3 metals have low availability to the biosphere. Scandium, yttrium, and lutetium have no documented biological role in living organisms. The high radioactivity of lawrencium would make it highly toxic to living cells, causing radiation poisoning. Scandium concentrates in the liver and is a threat to it; some of its compounds are possibly carcinogenic, even though in general scandium is not toxic. Scandium is known to have reached the food chain, but in trace amounts only; a typical human takes in less than 0.1 micrograms per day. There is normally as little as 0.5 milligrams found within the entire human body; human breast milk contains 4 ppm. With up to 700 ppm, the seeds of woody plants have the highest known concentrations.