Gruppo 4 (Ti, Zr, Hf, Rf): proprietà

Il gruppo 4 è costituito da titanio, zirconio, afnio e rutherfordio ovvero metalli che appartengono al blocco d. Il  rutherfordio è un elemento sintetico altamente radioattivo e il suo isotopo più stabile ha un tempo di dimezzamento inferiore a 70 secondi.

Si dispone pertanto delle proprietà fisiche e chimiche dei primi tre elementi.

Numero di ossidazione degli elementi del gruppo 4

A causa della loro affinità con l’ossigeno gli elementi del gruppo 4 si trovano sotto forma di ossidi con numero di ossidazione +4. Ad esempio il titanio si trova sotto forma di ossido di ferro (II) e titanio (IV).

Da questo ossido, per ottenere il metallo si procede prima alla sua trasformazione in tetracloruro di titanio secondo la reazione:
2 FeTiO3(s)  +6 C(s) + 7 Cl2(s) → 2 TiCl4(g)+ 2 FeCl3(g) + 6 CO(g)

Il tetracloruro di titanio viene ridotto a titanio metallico per reazione con magnesio fuso:
TiCl4+ 2 Mg → Ti + 2 MgCl2

Dei tre metalli del gruppo solo il titanio può presentare numero di ossidazione +3 e +2 infatti lo ione Ti2+ è un forte riducente.

Proprietà periodiche degli elementi del gruppo 4

In tabella vengono riportate alcune caratteristiche di questi elementi:

Elemento Z Configurazione Elettronegatività Raggio atomico (pm) Temperatura di fusione °C Densità g/cm3
Titanio 22 4s2 3d2 1.54 147 1668 4.51
Zirconio 40 5s2 4d2 1.33 160 1855 6.52
Afnio 72 5s2 4d2 1.30 159 2233 13.3

 

Le proprietà degli elementi del gruppo 4 seguono quelle previste infatti la densità e la temperatura di fusione aumentano scendendo lungo il gruppo mentre l’elettronegatività diminuisce.

Il raggio atomico dell’afnio è più piccolo a causa della contrazione lantanoidea.

I metalli reagiscono con gli alogeni per formare tetraalogenuri mentre il titanio può formare anche dialogenuri e trialogenuri.

I metalli del gruppo 4 reagiscono, oltre che con l’ossigeno, anche con l’idrogeno per formare idruri come TiH2, nitruri come TiN, carburi come TiC e boruri come TiB2 che si presentano solidi, duri e con elevata temperatura di fusione.

Proprietà degli elementi del gruppo 4

Titanio

Il titanio è il primo e il più noto degli elementi del gruppo 4 che si presenta un metallo leggero, resistente, di colore bianco metallico che in presenza di ossigeno dà luogo al fenomeno della passivazione ricoprendosi di una patina di ossido e pertanto non viene attaccato da acidi, dalle basi e da agenti ossidanti.

Per la sua resistenza alla corrosione e il basso peso specifico  è largamente usato nelle leghe  ed in particolare in leghe utilizzate in campo aerospaziale per la realizzazione di componenti per turbine, motori per jet, strutture aeree, nell’ambito dell’edilizia, per ottenere attrezzature sportive, veicoli blindati, giubbotti corazzati, caschi, gioielli, occhiali da vista, biciclette, mazze da golf.

E’ usato nell’ambito dell’implantologia dentale a causa della sua elevata biocompatibilità

Zirconio

E’ resistente alla corrosione, duttile e malleabile di colore bianco-grigio dall’aspetto simile a quello del titanio e, se ridotto in polvere, è piroforico alle alte temperature. Nel 1789 il chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth scoprì lo zirconio nell’ambito dei suoi studi sul minerale zircone costituito da silicato di zirconio ZrSiO4.

Tra i composti dello zirconio che hanno applicazioni industriali si ha il biossido di zirconio che è un solido bianco o giallo e un elevato punto di fusione.Esso è  utilizzato nell’ambito della produzione di ceramiche , abrasivi, smalti, refrattario nell’isolamento termico, in campo odontoiatrico,nelle protesi ortopediche

A temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca e oltre i 2370°C assume una struttura cristallina cubica denominata zirconia. Quest’ultima  presenta un aspetto simile al diamante che, con l’uso di appropriati dopanti assume varie colorazioni.

Un altro composto importante dello zirconio è il tetracloruro ZnCl4 che costituisce l’intermedio per ottenere lo zirconio da ossido di zirconio che costituisce la forma più frequente presente in natura.

Afnio

Come lo zirconio  è duttile, di colore argenteo ed è resistente alla corrosione e se ridotto in polvere sottile è piroforico.  L’unica differenza importante rispetto allo zirconio è la maggiore densità.

E’ utilizzato in filamenti per lampadine, in apparecchiature elettroniche e come catodo ma il suo maggior utilizzo è nella costruzione di barre di controllo dei reattori nucleari per l’elevata sezione di cattura per i neutroni ed è preferito al boro per la maggiore resistenza alla corrosione. È usato in lega con altri metalli quali ferro, niobio, tantalio e titanio; le leghe afnio-niobio sono resistenti al calore e sono utilizzate in applicazioni aerospaziali.

 

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