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그룹 3 원소

Group 3 element
이전에 그룹 III(boron 그룹)로 명명된 다른 그룹의 경우 그룹 13 요소를 참조하십시오.
주기율표의 그룹 3
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손
알칼리성 토금속 ← → 그룹 4
IUPAC 그룹 번호 3
요소별 이름 스칸듐군
CAS그룹번호
(미국, 패턴 A-B-A)
 IIIB
구 IUPAC 번호
(유럽, 패턴 A-B)
 IIIA
↓ 기간
4
Image: Scandium crystals
스칸듐(Sc)
21전환 금속
5
Image: Yttrium crystals
이트리움(Y)
39전환 금속
6
Image: Lutetium crystals
루테튬(Lu)
71란타니데
7 로렌슘(Lr)
103액티나이드

레전설

원초 원소
합성 원소
원자 번호 색상:
흑색=고체

그룹 3은 주기율표의 첫 번째 전환 금속 그룹이다.이 집단은 희토류 원소와 밀접한 관련이 있다.이 집단의 구성과 배치에 대해서는 일부 논란이 있지만, 이 집단이 4요소 스칸듐(Sc), 이트리움(Y), 루테튬(Lu), 로렌슘(Lrr)을 함유하고 있다는 것은 연구자들 사이에서 대체로 동의하고 있다.이 그룹은 가장 가벼운 멤버의 이름을 따서 스칸듐 그룹 또는 스칸듐 계열이라고도 불린다.

그룹 3 원소의 화학은 초기 전이 금속의 전형이다: 그들 모두는 본질적으로 주요 금속으로서 그룹 산화 상태 +3만 가지고 있으며, 앞의 주요 그룹 금속과 마찬가지로 상당히 전기성이 있고 조정 화학이 덜 풍부하다.란타니드 수축의 영향으로 이티움과 루테튬은 성질이 매우 유사하다.이트륨과 루테튬은 본질적으로 중란탄화물의 화학성을 가지고 있지만 스칸디움은 크기가 작기 때문에 여러 가지 차이를 보인다.이것은 가장 가벼운 원소가 매우 유사한 다음 두 개의 요소와 구별되는 초기 전이 금속 그룹의 그것들과 유사한 패턴이다.

비록 원자 숫자에 따라 경도가 증가하지만, 모든 그룹 3 원소는 다소 부드럽고 은백색의 금속이다.산화층 형성에 의해 반응성이 가려지지만 공기 중에 빠르게 변색되고 물과 반응한다.그 중 처음 세 가지는 자연적으로 발생하며, 특히 이티움과 루테튬은 화학 작용이 비슷하여 거의 변함없이 란타니드와 연관되어 있다.로렌슘은 강한 방사능을 가지고 있다: 자연적으로 발생하는 것이 아니며 인공 합성에 의해 생성되어야 하지만, 로렌슘의 관측되고 이론적으로 예측된 성질은 루테튬의 더 무거운 호몰로뉴와 일치한다.그들 중 어느 누구도 생물학적 역할을 하지 않는다.

역사적으로 루테튬과 로렌슘 대신 란타넘(La)과 액티늄(Ac)이 집단에 포함되기도 했는데, 이 옵션은 여전히 교과서에서 흔히 찾아볼 수 있다.두 가지 주요 옵션 사이에 일부 절충안이 제안되고 사용되었는데, 여기에는 그룹 내 스칸듐과 이트리움으로만 축소되거나 그룹 내 30개 란타니드와 액티니드가 모두 포함된다.

역사

원소의 발견

그룹 3 원소의 발견은 자연에서 보편적으로 연관되어 있는 희토류와 불가분의 관계에 있다.1787년 스웨덴의 시간제 화학자 칼 악셀 아르헤니우스는 스웨덴의 이터비 마을(스톡홀름 군도의 일부) 근처에서 묵직한 검은 바위를 발견했다.[1]새로 발견된 원소 텅스텐을 함유하고 있는 미지의 광물이라고 생각한 그는 이를 이터바이트라고 명명했다.[2][n 1]핀란드 과학자 요한 가돌린은 1789년 아르헤니우스의 표본에서 새로운 산화물 또는 "지구"를 확인했고, 1794년 그의 완성된 분석을 발표했고,[3] 1797년 새로운 산화물은 yttria라고 명명되었다.[4]프랑스의 과학자 앙투안 라부아지에가 화학 원소에 대한 최초의 현대적 정의를 개발한 후 수십 년 동안, 지구가 그 원소로 줄어들 수 있다고 믿었는데, 이는 새로운 지구의 발견이 그 안에서 원소를 발견한 것과 맞먹는다는 것을 의미하는데, 이 경우는 이티움이었을 것이다.[n 2]1920년대 초까지 원소에는 화학 기호 "Yt"가 사용되었고, 그 후 "Y"가 공통적으로 사용되기 시작했다.[5]이트리움 금속은 불순하지만 프리드리히 뵐러가 무수 이트리움(III) 염화물을 칼륨으로 가열하여 금속 이트리움과 염화 칼륨을 형성하면서 1828년에 처음 준비되었다.[6][7]실제로 가돌린의 이트리아는 희토류 발견의 역사를 시작한 많은 금속 산화물이 혼합된 것으로 증명되었다.[4]

1869년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 이트리움 위 원소를 위한 빈 공간이 있는 그의 주기율표를 발표했다.[8]멘델레예프는 이 가상적인 요소에 대해 몇 가지 예측을 했는데, 이것을 그는 에카보론이라고 불렀다.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 themse더 많은 지구로 유인하다이 중에는 스웨덴의 화학자 라르스 프레드릭 닐슨이 1879년 성공적으로 분열시켜 또 다른 새로운 요소를 드러낸 이테르비아(옛 에르비아의 구성요소)도 있었다.[1][9][10]그는 그것을 "스칸디나비아"라는 뜻의 라틴 스칸디나비아에서 스칸디나움이라고 이름 지었다.닐슨은 분명히 멘델레예프의 예측을 모르고 있었지만, 페르 테오도르 클레브는 그 서신을 알아보고 멘델레예프에게 통보했다.스칸듐에 대한 화학 실험은 멘델레예프의 제안이 옳다는 것을 증명했다; 갈륨과 게르마늄의 발견과 특성화와 함께 이것은 전체 주기율표와 주기율법의 정확성을 증명했다.[11]금속성 스칸디움은 1937년 700–800 °C에서 칼륨, 리튬, 염소산 스칸디움 혼합물을 전기분해하여 처음으로 생산되었다.[12]스칸듐은 이티움이 발견된 광석과 같은 광석에 존재하지만 훨씬 희귀하며 아마도 그런 이유로 발견을 피할 수 있었을 것이다.[4]

마리낙의 이터비아의 나머지 성분도 복합체임이 증명되었다.1907년 프랑스의 과학자 조르주 우르바인,[13] 오스트리아의 광물학자 카를 아우어 폰 웰스바흐, 미국의 화학자 찰스 제임스가[14] 모두 이테르비아 내에서 새로운 원소를 독자적으로 발견하였다.웰스바흐는 (카시오페이아 이후) 새로운 원소에 대해 카시오페륨이라는 이름을 제안했고, 우르바인은 (라틴 루테티아에서, 파리를 위해) 루테키움이라는 이름을 선택했다.발견의 우선순위에 대한 논쟁은 우르바인과 폰 웰즈바흐가 서로 다른 기사의 출판된 연구에 영향을 받은 결과들을 출판했다고 비난하는 두 기사에 기록되어 있다.[15][16]1909년, 새로운 원소의 명칭의 귀속 책임을 맡은 원자력위원회는 우르바인에게 우선권을 부여하고 그의 이름을 공식 명칭으로 채택하였다.이 결정의 명백한 문제는 우르베인이 위원회의 네 구성원 중 한 명이라는 것이었다.[17]1949년에 71 요소의 철자가 루테튬으로 바뀌었다.[18][19]이후 우르베인의 루테키움 분리를 위한 시도와 연계된 연구는 그러나 새로운 원소 71의 흔적만 들어 있었고, 순수 원소 71인 것은 폰 웰스바흐의 카시오페움뿐이라는 사실을 밝혀냈다.이러한 이유로 많은 독일 과학자들은 1950년대까지 원소를 위해 카시오페륨이라는 이름을 계속 사용했다.아이러니컬하게도 우선 순위에 대해 겸손하게 논쟁에 관여하지 않았던 찰스 제임스는 다른 사람들보다 훨씬 더 큰 규모로 일을 했고, 의심할 여지 없이 당시 최대의 루테튬 공급원을 보유하고 있었다.[20]루테튬은 마지막으로 발견된 안정적인 희토류 중 하나이다.한 세기 이상의 연구가 가돌린의 원래 이티움을 이티움, 스칸듐, 루테튬, 그리고 다른 7개의 새로운 원소로 나누었다.[1]

자연적으로 발생하지 않는 유일한 요소는 로렌슘이다.1961년 2월 14일 미국 캘리포니아 버클리 캘리포니아 대학교의 로렌스 방사 연구소(현재의 로렌스 버클리 국립 연구소)에서 알버트 기오르소와 그의 팀이 처음으로 합성했다.첫 번째 로렌슘 원자는 중이온 선형가속기(HILAC)의 붕소-10과 붕소-11 핵으로 구성된 캘리포니아 원소의 동위원소 3개로 구성된 3밀리그램의 표적을 폭격하여 생성되었다.[21]핵종 103호는 원래 보고되었으나, 그 후 103으로 재배정되었다.캘리포니아 대학의 연구팀은 로렌치움(Ernest O 다음에)이라는 이름을 제안했다. 사이클로트론 입자 가속기의 발명자 로렌스)와 기호 "Lw"[21]는 새로운 원소를 위해 채택되었지만, "Lw"는 채택되지 않았고, 대신 "Lr"는 공식적으로 받아들여졌다.소련(현 러시아) 두브나의 핵물리학 연구자들은 1967년 103일 미국 과학자들의 자료를 확인할 수 없었다고 보고했다.[22]2년 전 더블나 팀은 103명을 신고했다.[23]1992년 IUPAC 트랜스페르뮴 워킹그룹은 103 원소를 공식 인정하고, 그 명칭을 'Lr' 기호가 붙은 로렌슘으로 확정했으며, 더블나와 버클리 핵물리학팀을 로렌슘의 공동 발견자로 명명했다.[24]

구성 분쟁

관련 원소의 전자 구성에 대한 내용은 주기적 표(전자 구성)를 참조하십시오.
Sc, Y, La, Ac
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손

희토류 원소는 역사적으로 주기율표에 매우 많은 문제를 주었다.1871년 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(주기율표 발명자)는 이들을 다른 원소와 같은 그룹에 넣으려고 시도했지만, 희토류에 대한 추가 조사를 통해 그러한 배치에 필요한 용맹을 보여주지 않았다는 점을 분명히 했다.1902년 체코의 화학자 보후슬라프 브라우너는 희토류가 모두 주기율표의 한 곳에 속한다고 제안했다. 그는 이것을 "아스테로이드 가설"이라고 불렀다. 화성과 목성 사이에는 행성 대신 소행성 벨트가 있기 때문에 이트리움 아래에는 단일 원소 대신에 모든 란타니드가 있을 것이기 때문이다.[25]

원소들의 지상 가스 위상 전자 구성의 측정과 주기적인 테이블 배치의 기초로서 채택되면서, 스칸듐, 이트리움, 란타넘, 액티늄을 포함한 3그룹의 오래된 형태는 1940년대에 두드러지게 되었다.세슘, 바륨, 란타넘의 지상주 구성은 [Xe]6s1, [Xe]6s2, [Xe]5d6s이다12.따라서 란타넘은 5차원 차별화 전자를 가지고 등장하며, 이러한 이유로 "6주기 동안 d-블록의 첫 번째 구성원으로서 그룹 3"으로 간주되었다.[26]그 후 그룹 3: 스칸듐[Ar]3d4s12, 이트리움[Kr]4d5s12, 란타넘[Xe]5d6s12, 액티늄[Rn]6d7s에서12 표면적으로 일관된 전자 구성 집합을 보았다.여전히 6교시기에 이테르비움은 [Xe]4f5d6s와1312 루테튬[Xe]4f5d6s의1412 전자 구성을 잘못 할당받았는데, 이것은 루테튬이 f-블록의 마지막 원소임을 시사했다.[26]따라서 이 형식은 d-block의 그룹 3과 4 사이에 f-block이 오거나 분리되는 결과를 초래한다.[27]

Sc, Y, Lu, Lr
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손

그러나 이후 분광학 연구에서는 이터비움의 정확한 전자 구성이 사실 [Xe]4f6s라는142 것을 밝혀냈다.즉, 이테르비움과 루테튬([Xe]4f5d6s의1412 후자)은 모두 14개의 f-전자를 가지고 있었으며, 루테튬의 경우 "f-차별화 전자보다는 d-로 산출된다"는 의미였으며, yttrium 아래의 그룹 3 주기율표 위치인 [Xe]5d6s12 란타넘과 함께 "평등한 후보"가 되었다.이것은 스칸듐, 이트리움, 루테튬, 그리고 로렌슘을 가진 그룹 3을 만들 것이다.[26]1948년 러시아 물리학자인 레프 란다우와 에브게니 리프시츠는 "화학에 관한 책에는 루테튬도 희토류 원소와 함께 놓여 있다"고 말했다.그러나 이것은 4f 껍질이 루테튬에서 완성되었기 때문에 부정확하다."[28][29]란다우와 리프시츠가 성명을 발표한 후 많은 물리학자들은 마찬가지로 1960년대와 1970년대 변화를 지지하면서 루테튬이 스칸디움과 이티움의 행동에 일치하는 수정구조, 용해점, 전도대구조, 초전도성 등 많은 성질에 초점을 맞췄지만 란타넘은 구별된다.[26][30][31]이 형태는 분할 블록을 필요로 하지 않는다.[27]

일부 저자들은 다른 방법을 통해서도 이 결론에 도달했다.루테튬이 발견되기 전인 1905년 스위스의 화학자 알프레드 베르너는 이미 란타늄을 스칸디움이나 이트리움과는 다른 열에 놓았는데, 그 이유는 란타늄의 독특한 화학적 행동 때문이다.프랑스 엔지니어 찰스 자넷도 1928년에 루테튬을 이트리움 밑에 두었다.[25]1968년 소련의 화학자 치스티야코프는 란타넘이 아닌 루테튬이 그 안에 포함되어야만 2차 주기성이 그룹 3에서 충족된다고 언급했다.[32]그러나 화학계는 대체로 이런 결론을 무시했다.과학의 철학자 에릭 스크리는 이러한 변화를 제안한 몇몇 작가들이 물리학자들이라는 것이 하나의 요인이었을 수도 있다고 제안한다.[32]

미국의 화학자 윌리엄 B. Jensen은 화학자들에게 그들의 주기율표를 바꾸고 그룹 3에 루테튬과 로렌슘을 넣으라고 1982년 합동으로 간청하면서 위의 주장들 중 많은 것들을 수집했다.[26]그는 또한 이러한 물리적, 화학적 주장 외에도 란타넘과 악티늄의 구성이 심지어 토륨이 보편적으로 처리된 방식과 유사하게 불규칙적인 것으로 더 잘 간주된다고 지적했다.토륨은 지상 상태(Rn]6d7s가22 되는)에 f 전자가 없지만 이상적인 [Rn22]5f7s를 대체하는 불규칙한 지상 상태 가스 위상 구성을 가진 f-블록 소자로 보편적으로 배치되고 있다.란타넘과 액티늄은 이상적인 fs12 구성이 지면 상태의 ds12 구성으로 대체되는 유사한 사례로 간주될 수 있다.사실 대부분의 f-block 요소는 fdsn−112 구성이 아닌 fsn2 구성을 가지고 있기 때문에 f-block 요소를 위한 이상적인 일반 구성으로 전자가 강력히 제안되고 있다.[26][33]이 재할당은 마찬가지로 그룹 3에서 동음이의 구성 시리즈를 생성한다. 특히, 이트륨에서 루테튬으로 전달되는 코어에 채워진 f-셸을 추가하는 것은 다른 모든 d-블록 그룹에서 발생하는 것과 정확히 유사하다.[26]

어떤 경우든 지상국 기체 위상 구성은 종종 다른 구성을 보이는 화합물에서 원자를 결합하는 것과는 반대로(후자는 화학에 더 목적적합하다) 고립된 원자만을 고려한다.[34]불규칙한 구성의 생각은 낮은 흥분해 주들이 땅에 사는 에프 전자하지 않았음에도 불구하고 지원되는 란탄 그럼에도 불구하고.(Scandi 충분히 낮은 에너지의 f-orbitals 그들이 chemistry,[33][30] 위해서는 제안된 재할당에 대한 증거로 제시해 왔던 물리적 특성에 영향을 주기 때문에 사용될 수 있다.음, ytt리움, 그리고 루테튬에는 그러한 저지대를 사용할 수 있는 f-118이 없다.)[31][35][Rn]5f6d7s가1412 아닌 로렌슘([Rn]5f7s7p1421)의 불규칙한 구성은 가장 무거운 원소에 대해 중요해지는 상대론적 효과로 인해 또 다른 (실제로도 고유하지 않은) 변칙으로 비슷하게 합리화할 수 있다.[33]4f 원소의 이러한 불규칙한 구성은 콤팩트 4f 셸에서 강한 정전기적 반발의 결과로서, 이온전하가 낮을 때 4f 에너지 레벨에도 불구하고 이렇게 큰 정전기적 반발력을 겪지 않는 5d와 6s 궤도로 일부 전자를 이동하여 낮은 에너지 상태를 얻는다.l는 일반적으로 5d 또는 6s보다 낮다: 유사한 효과는 5f 시리즈 초기에 발생한다.[36]

문장 부호
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손

1988년에 IUPAC 보고서가 발표되어 이 문제를 다루었다.그것은 전자 구성이 루테튬과 로렌슘을 가진 그룹 3의 새로운 할당에 찬성한다고 썼지만, 대신에 란타넘과 액티늄을 가진 전통적인 형태가 대중적이기 때문에 그룹 3의 하위 지점이 비어 있는 절충안을 결정했다.[28]이는 그룹 3을 스칸듐과 이티움으로만 축소하거나 [37]그룹 3에 모든 란타니드와 액티니드를 포함하는 것으로 해석될 수 있다. 후자의 해석은 사실상 브루너의 소행성 가설로 회귀하는 것이다.[25]양자역학이 14를 가져야 한다고 지시했음에도 불구하고 어느 경우든 f-블록은 15개의 원소로 나타난다.그러한 표는 많은 IUPAC 출판물에 나타나며, 일반적으로 "라고 이름 붙여졌음에도 불구하고,IUPAC 주기율표"는 실제로 IUPAC에 의해 공식적으로 지원되지는 않는다.[38]

Sc, Y, Ln (15), An (15)
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕어 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오비움 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 은색 카드뮴 인듐 주석 안티모니 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로피움 가돌리늄 테르비움 디스프로슘 홀뮴 에르비움 툴륨 이테르비움속 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 백금 금 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로텍티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 캘리포늄 아인슈타인움 페르뮴 멘델레비움 노벨륨 로렌슘 루더포듐 더브니움 수보르기움 보히움 하시움 메이트네리움 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로비움 모스코비움 간모륨 테네신 오가네손

이 타협은 논쟁을 멈추게 하지 않았다.비록 일부 화학자들이 루테튬을 그룹 3에 재할당하자는 주장에 설득당했지만, 많은 화학자들이 그룹 3에서 란타넘을 계속 보여주었는데, 그 주장을 몰랐거나 자신들에게 납득이 가지 않았기 때문이다.[39]그 문제에 대한 대부분의 연구는 제안된 루테튬을 그룹 3으로 재배치하는 것을 지지하는 경향이 있었다.[40]그러나 화학 교과서에서 전통적인 형태는 2010년대까지 가장 인기가 많았지만 점차 루테튬과 절충형식으로 새로운 형태에 어느 정도 기반을 잃기도 했다.[41]심지어 일부 교과서는 서로 다른 장소에서 다른 형태를 보여주기도 했다.[42]로렌스 라벨은 더 나아가 란타넘과 악티늄이 지상주의 f-전자가 없다는 이유로 3그룹에서 란타넘과 함께 전통적 형식을 옹호해 열띤 논쟁을 불러일으켰다.[32][42]젠슨은 이후 (라벨이 f-블록 안에 넣은 토륨과 루테튬에 대해서도 마찬가지였기 때문에) 라벨의 주장이 일치하지 않는 점과 불규칙한 구성에 대한 증거를 지적하며 이를 반박했다.[40]이 문제에 대해 널리 출판해 온 스크리는 루테튬 대신 그룹 3에서 란타넘을 지지하는 듯한 성질의 다른 선택들을 지적하면서, 물리적, 화학적 성질을 바탕으로 한 젠슨의 사례가 그 선택성 때문에 결정적인 것이 아니라고 지적했다.그럼에도 불구하고, 그는 또한 d-블록의 분할을 피한다는 근거로 그룹 3의 루테튬을 일관되게 지지해 왔으며,[32] 전자 구성이 근사치라는 사실과 토륨의 문제를 언급하기도 했다.[27]

2015년 12월에는 (다른 것 중) 젠센과 라벨을 포함한 Scerri가 의장을 맡고 있는 IUPAC 프로젝트가 설립되어 이 문제에 대한 권고안을 만들었다.[41]예비 보고서는 2021년 1월에 발표되었다.그것은 토론에서 이전에 제기되었던 어떤 기준도 그 문제의 명확한 해결책을 제시하지 않았으며 궁극적으로 그 문제는 객관적으로 과학적으로 해석할 수 있는 것이 아니라 관습에 달려 있다고 결론지었다.이와 같이, 「화학자, 화학 교육자, 화학 학생의 가능한 가장 폭넓은 청중」에 대해, 「관습의 정도」를 제시해, 「관리의존도뿐만 아니라 객관적인 요소가 결합된 최선의 절충표로서 제시할 수 있는 주기율표 선택」에 대해, 「관습의 정도」를 제시했다.세 가지 데시데라타가 주어졌다. (1) 원자 수를 증가시키는 순서대로 모든 원소를 표시해야 한다. (2) d 블록을 "매우 고르지 않은 두 부분"으로 분할해서는 안 된다. (3) 블록은 주기율표의 양자 기계적 기준에 따라 2, 6, 10 및 14의 폭을 가져야 한다.블록 배정은 전자 구성의 할당과 마찬가지로 대략적인 것으로 인정되었다: 토륨의 경우는 구체적으로 언급되었다.이 세 가지 데시데라타는 그룹 3의 루테튬과 로렌슘이 있는 표로만 이행된다. 란타늄이 있는 그룹 3의 전통적인 형태는 (2)를 위반하고, 그룹 3의 모든 란타늄과 액티니드가 포함된 절충 형태는 (3)을 위반한다.이와 같이 3그룹에서 루테튬이 있는 형태를 절충안으로 제시했다.[38]

이 프로젝트는 2021년 12월에 끝났다.[41]현재 IUPAC의 주기율표 홈페이지에는 1988년 타협안이 그대로 나타나지만, 그룹 3의 문제와 해결을 위한 프로젝트를 언급하고, 「Stay tune[d]」[43]라고 쓰고 있다.

특성.

케미컬

그룹 3 원소의 전자 구성
Z 요소 전자 구성
21 스칸듐 2, 8, 9, 2 [Ar] 3d 1 4s2
39 Y, yttrium 2, 8, 18, 9, 2 [Kr] 4d 1 5s2
71 루, 루테튬 2, 8, 18, 32, 9, 2 [Xe] 4f14 5d1 6s2
103 Lr, Lawrcium 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 [Rn] 5f14 6d0 7s2 7p1

다른 그룹과 마찬가지로, 이 가족의 구성원들은 전자 구성에서 패턴을 보여주며, 특히 가장 바깥쪽 껍질에서 화학적 행동의 추세를 초래한다.높은 원자수에 중요해지는 상대론적 효과로 인해 로렌치움의 구성은 예상 6d 대신 불규칙한 7p 점유율을 가지지만,[44][45] 규칙적인 [Rn]5f6d7s1412 구성은 나머지 그룹과 유의미한 차이가 관찰되거나 예상되지 않을 정도로 에너지가 낮은 것으로 밝혀졌다.[33][46]

대부분의 화학적 성질은 그룹의 처음 세 멤버에 대해서만 관찰되었다; 로렌슘의 화학적 성질은 잘 특징지어지지 않지만 알려져 있고 예측된 것은 루테튬의 더 무거운 호몰로그램으로서의 위치와 일치한다.그룹의 나머지 요소들(scandium, yttrium, lutetium)은 상당히 전기적이다.더 이상의 반응을 막는 안정적인 산화층 형성으로 인해 이것이 명백하지는 않지만 그것들은 반응 금속이다.금속은 산화물을 얻기 위해 쉽게 연소되는데,[47] 산화물들은 흰색 고융 고형분이다.그것들은 보통 +3 산화 상태로 산화되는데, 이 산화상태에서는 대부분 이온화합물을 형성하고 대부분 양이온화합물을 가지고 있다.이런 식으로 그들은 이테르비움을 통해 4f 원소의 화학적 특성을 나타내는 f 궤도에는 관여하지 않지만 란타늄과 유사하다.[47][48][49]따라서 안정적 그룹 3 원소는 흔히 소위 희토류로서 4f 원소와 함께 그룹화된다.[47]

전형적인 전이-금속 성질은 그룹 4와 5의 더 무거운 원소들을 위한 것이기 때문에 이 그룹에서는 대부분 빠져 있다: 전형적인 산화 상태는 하나뿐이고 조정 화학은 그리 풍부하지 않다(M3+ 이온의 크기가 커서 높은 조정 숫자가 흔하지만).이에 따라 저산화 상태 화합물이 준비될 수 있으며 일부 사이클로펜타디엔틸 화학이 알려져 있다.따라서 그룹 3 원소의 화학 물질은 대부분 원자 반지름으로 구별된다:[47] yttrium과 루테튬은 매우 유사하지만,[50] 스칸디움은 일부 특성에서 알루미늄에 접근하는 가장 기초적이고 최고의 복합 물질로 두드러진다.[47]그들은 자연적으로 일련의 삼발성 원소에서 희토류와 함께 자리를 잡는다: 이트륨은 기본에서 이프로슘과 홀뮴 사이의 중간 희토류 역할을 하고, 루테튬은 4f 원소보다 덜 기초적이고 란타니드의 가장 기초적인 희토류로서의 역할을 한다. 그리고 스칸듐은 루테튬보다 덜 기초적인 희토류로서의 역할을 한다.[51]산화 스칸듐은 원형질이다. 산화 루테튬은 더 기본적이다. 산성의 성질을 나타내기 위해 어렵게 만들 수 있지만, 산화물 이트륨은 더 기본적이다.[52]이러한 금속의 강한 산을 가진 소금은 용해성이 있는 반면, 약한 산(예: 불소, 인산염, 옥살산염)을 가진 소금은 거의 용해되지 않거나 용해되지 않는다.[47]

물리적인

그룹 3의 추세는 다른 초기 d-block 그룹의 추세를 따르며, 5교시부터 6교시까지의 통과에서 채워진 f-shell을 코어에 추가하는 것을 반영한다.예를 들어 스칸디움과 이트리움은 둘 다 소프트 메탈이다.그러나 란타늄 수축 때문에, 이트리움에서 루테튬까지의 원자 반경의 예상 증가는 사실상 취소된 것 이상이다; 루테튬 원자는 이트리움 원자보다 약간 작지만 더 무겁고 핵 전하도 더 높다.[53]이것은 금속을 더 촘촘하게 만들고, 또한 금속 결합을 형성하기 위해 원자로부터 전자를 추출하는 것이 더 어려워지기 때문에 더 단단하게 만든다.세 금속 모두 용융점과 비등점이 비슷하다.[54]로렌슘에 대해 알려진 것은 거의 없지만, 계산에 따르면 로렌슘은 밀도를 증가시키는 쪽으로 더 가벼운 착향료의 추세를 지속하고 있다.[55][56]

스칸듐, 이트리움, 루테튬은 모두 실온에서 육각형 근접 포장 구조로 결정화되며,[57] 로렌슘도 이와 같은 작용을 할 것으로 예상된다.[58]그룹의 안정적인 멤버들은 고온에서 구조를 바꾸는 것으로 알려져 있다.대부분의 금속과 비교했을 때 금속 접합에 사용할 수 있는 전자 수가 적기 때문에 열과 전기의 전도체가 그리 좋지 않다.[57]

그룹 3 요소의[59] 속성
이름 스칸듐 Y, yttrium 루, 루테튬 Lr, Lawrcium
녹는점[60] 1814 K, 1541 °C 1799 K, 1526 °C 1925 K, 1652 °C 1900 K, 1627 °C
비등점[54] 3109 K, 2836 °C 3609 K, 3336 °C 3675 K, 3402 °C ?
밀도 2.99 g·cm−3[61] 4.47 g·cm−3[62] 9.84 g·cm−3 ? 14.4 g·cm−3
외관 은빛 금속 은백색의 은회색 ?
원자 반지름[53] 오후 162시 오후 180시 오후 174시 ?

발생

스칸듐, 이트리움, 루테튬은 지구의 지각에서 다른 란타니드(단명 프로메튬 제외)와 함께 발생하는 경향이 있으며, 광석에서 추출하기 더 어려운 경우가 많다.그룹 3에 대한 지구 지각의 풍부한 원소는 상당히 낮다. 그룹 내 모든 원소는 흔하지 않으며, 가장 풍부한 원소는 약 30ppm의 이티움이다. 스칸디움의 풍부함은 16ppm이고 루테튬의 풍부함은 0.5ppm이다.비교의 경우 구리의 풍부도는 50ppm, 크롬은 160ppm, 몰리브덴은 1.5ppm이다.[63]

스칸디움은 희박하게 분포하며 많은 광물에서 미량적으로 발생한다.[64]스칸디나비아와[65] 마다가스카르의[66] 희귀 광물인 가돌리나이트, 엑세나이트, 토르베이트 등이 이 원소의 유일한 농축원소로 알려져 있으며, 후자는 스칸듐(III) 산화물 형태의 스칸디늄을 45%까지 함유하고 있다.[65]이트륨은 발생 장소에서도 같은 추세를 보인다; 그것은 미국 아폴로 프로젝트 기간 동안 수집된 달 암석 샘플에서도 비교적 높은 내용에서 발견된다.[67]

Piece of a yellow-gray rock
가장 중요한 루테튬 광석인 모나자이트

루테튬의 주요 상업성 광석은 희토류 인산염 광물 모나자이트(Ce,La 등)이다.원소의 0.003%를 포함하는 PO4.주요 광산 지역은 중국, 미국, 브라질, 인도, 스리랑카, 호주 등이다.순수 루테튬 금속은 희토류 금속 중 가장 희귀하고 비싼 금속 중 하나로, 가격은 약 1만/kg으로 금의 약 4분의 1 수준이다.[68][69]

생산

그룹 3에서 가장 이용 가능한 요소는 이트리움으로 2010년 연간 생산량은 8,900톤이다.이트리움은 대부분 산화물 형태로 생산되는데, 단일 국가인 중국(99%)[70]이 생산한다.루테튬과 스칸디움도 대부분 산화물로서 얻으며, 2001년까지의 연간 생산량은 각각 10톤과 2톤이었다.[71]

그룹 3 원소는 다른 원소의 추출에서 부산물로만 채굴된다.[72]그것들은 종종 순수 금속으로 생산되지 않는다; 금속 이트륨의 생산량은 약 몇 톤이고, 스칸디움의 생산량은 연간 10 kg 정도 된다;[72][73] 루테튬의 생산량은 계산되지 않지만, 확실히 작다.이 원소들은 다른 희토류 금속으로부터 정화된 후에 산화물로서 격리된다; 산화물들은 불산과의 반응 동안 불소로 전환된다.[74]그 결과 발생하는 불소는 알칼리성 접지 금속이나 금속의 합금으로 감소된다; 금속 칼슘은 가장 자주 사용된다.[74]예를 들면 다음과 같다.

ScO23 + 3HF → 2 ScF3 + 3 HO2
2ScF3 + 3Ca → 3CaF2 + 2S

생물화학

그룹 3 금속은 생물권에 대한 가용성이 낮다.스칸듐, 이트리움, 루테튬은 살아있는 유기체에서 생물학적 역할을 문서화하지 않는다.로렌슘의 높은 방사능은 살아있는 세포에 매우 독성을 갖게 하여 방사능 중독을 일으킬 것이다.

스칸디움은 간에 집중되어 있고 간에게 위협이 된다; 스칸디움의 일부 화합물은 발암성이 있을 수 있다, 심지어 일반 스칸디움을 통해서도 독성이 없다.[75]스칸듐은 먹이 사슬에 도달한 것으로 알려져 있지만, 미량으로는, 일반적인 사람이 매일 0.1 마이크로그램 이하로 섭취한다.[75]일단 환경에 방출되면, 스칸디움은 점차 토양에 축적되어 토양 입자, 동물, 인간의 농도를 증가시킨다.스칸듐은 습기와 가스를 공기로 흡입할 수 있기 때문에 작업 환경에서 대부분 위험하다.이것은 특히 장기간 노출되는 동안 폐색전증을 유발할 수 있다.이 원소는 물동물의 세포막을 손상시켜 생식과 신경계의 기능에 여러 가지 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.[75]

이티움은 인간의 간, 신장, 비장, 폐, 뼈에 집중하는 경향이 있다.[76]인간의 모유에는 4ppm이 포함되어 있다.[77]이트리움은 식용식물에서 20ppm에서 100ppm(신선한 무게)의 농도로 발견될 수 있으며, 양배추가 가장 많은 양이다.[77]최대 700ppm으로 목질식물의 종자는 알려진 농도가 가장 높다.[77]

루테튬은 뼈에 집중하며, 간과 신장에 덜 집중된다.[78]루테튬염은 신진대사를 유발하는 것으로 알려져 있으며 자연에서 다른 란타니드염과 함께 발생하는데, 이 원소는 모든 란타니드의 인체에서 가장 덜 풍부하다.[78]인간의 식단은 루테튬 함량에 대해 관찰되지 않았기 때문에 평균적인 인간이 얼마나 섭취하는지는 알 수 없지만, 추정치는 식물이 섭취하는 소량에서 나오는 연간 수 마이크로그램 정도밖에 되지 않는다는 것을 보여준다.용해성 루테튬 소금은 약간 독성이 있지만 불용성 소금은 독성이 없다.[78]

메모들

  1. ^ Itterbit은 근처에서 발견된 마을의 이름을 따서 이름이 붙었고, 광물임을 나타내기 위해 -ite 끝부분을 더했다.
  2. ^ 지구에는 -a 엔딩이 주어졌고 새로운 요소에는 보통 -ium 엔딩이 주어진다.

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참고 문헌 목록