Unsur golongan 4
Golongan 4 adalah unsur kimia golongan IVB dari tabel periodik. Golongan ini terdiri dari unsur titanium (Ti), zirkonium (Zr), hafnium (Hf), dan unsur sintetis yang radioaktif ruterfordium (Rf). Golongan ini belum mendapatkan nama trivial; ini termasuk dalam kelompok yang lebih luas dari logam transisi.
| Golongan 4 dalam tabel periodik | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||
| ↓ Periode | |||||||||
| 4 |  22 Logam transisi | ||||||||
| 5 |  40 Logam transisi | ||||||||
| 6 |  72 Logam transisi | ||||||||
| 7 | Rutherfordium (Rf) 104 Logam transisi | ||||||||
|
Legend
| |||||||||
Tiga unsur golongan 4 yang terjadi secara alami adalah titanium (Ti), zirkonium (Zr) dan hafnium (Hf). Tiga anggota pertama dari golongan tersebut memiliki sifat serupa; ketiganya adalah logam keras yang bersifat refraktori dalam kondisi standar. Namun, unsur keempat ruterfordium (Rf), telah disintesis di laboratorium; tidak satupun isotopnya ditemukan terjadi secara alami. Semua isotop ruterfordium bersifat radioaktif. Sejauh ini, tidak ada percobaan dalam supercollider yang dilakukan untuk mensintesis anggota kelompok berikutnya, unpenthexium (Uph), dan tidak mungkin akan disintesis dalam waktu dekat.
Karakteristik
Kimia
Seperti golongan lain, anggota keluarga ini menunjukkan pola dalam konfigurasi elektronnya, terutama kelopak terluarnya yang menghasilkan tren perilaku kimia:
| Z | Unsur | Jumlah elektron/kelopak | Konfigurasi elektron |
|---|---|---|---|
| 22 | titanium | 2, 8, 10, 2 | [Ar] 3d2 4s2 |
| 40 | zirkonium | 2, 8, 18, 10, 2 | [Kr] 4d2 5s2 |
| 72 | hafnium | 2, 8, 18, 32, 10, 2 | [Xe] 4f14 5d2 6s2 |
| 104 | ruterfordium | 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 | [Rn] 5f14 6d2 7s2 |
Sebagian besar sifat kimia telah diamati hanya untuk tiga anggota pertama golongan ini. Kimia rutherfordium tidak begitu mapan dan oleh karena itu, selebihnya hanya berhubungan dengan titanium, zirkonium, dan hafnium. Semua unsur golongan ini adalah logam reaktif dengan titik lebur tinggi (1668 °C, 1855 °C, 2233 °C, 2100 °C?). Reaktivitasnya tidak selalu jelas karena pembentukan lapisan oksida stabil yang cepat, yang mencegah reaksi lebih lanjut. Oksida TiO2, ZrO2 dan HfO2 adalah padatan putih dengan titik leleh tinggi dan tidak bereaksi dengan sebagian besar asam.[1]
Sebagai logam transisi tetravalan, ketiga unsur tersebut membentuk berbagai senyawa anorganik, umumnya dengan tingkat oksidasi +4. Tiga logam pertama menunjukkan bahwa mereka resisten terhadap alkali pekat, namun halogen bereaksi dengan mereka membentuk tetrahalida. Pada suhu yang lebih tinggi, ketiga logam tersebut bereaksi dengan oksigen, nitrogen, karbon, boron, belerang, dan silikon. Akibat dari kontraksi lantanida dari unsur-unsur periode kelima, zirkonium dan hafnium memiliki jari-jari ion yang hampir identik. Jari-jari ion Zr4+ adalah 79 pikometer dan Hf4+ adalah 78 pm.[1][2]
Kesamaan ini menghasilkan perilaku kimia dan pembentukan senyawa kimia serupa yang hampir identik.[2] Kimia hafnium sangat mirip dengan zirkonium sehingga pemisahan melalui reaksi kimia tidak mungkin dilakukan; hanya sifat fisika senyawa bentukannya yang berbeda. Titik lebur dan titik didih senyawa dan kelarutannya dalam pelarut adalah perbedaan kimia utama unsur kembar ini.[1] Titanium jauh berbeda dari dua lainnya karena efek kontraksi lantanida.
Fisika
Tabel di bawah ini adalah ringkasan sifat fisik utama unsur golongan 4. Tanda tanya menunjukkan nilai ekstrapolasi.[3]
| Nama | Titanium | Zirkonium | Hafnium | Rutherfordium |
|---|---|---|---|---|
| Titik lebur | 1941 K (1668 °C) | 2130 K (1857 °C) | 2506 K (2233 °C) | 2400 K (2100 °C)? |
| Titik didih | 3560 K (3287 °C) | 4682 K (4409 °C) | 4876 K (4603 °C) | 5800 K (5500 °C)? |
| Densitas | 4.507 g·cm−3 | 6.511 g·cm−3 | 13.31 g·cm−3 | 23.2 g·cm−3? |
| Penampilan | perak metalik | putih perak | Abu-abu silver | ? |
| Jari-jari atom | 140 pm | 155 pm | 155 pm | 150 pm? |
Sejarah
Titanium
William Gregor, Franz Joseph Muller dan Martin Heinrich Klaproth secara terpisah menemukan titanium antara tahun 1791 dan 1795. Klaproth menamakannya untuk Titans sesuai mitologi Yunani.[4]
Zirkonium
Klaproth juga menemukan zirkonium dalam mineral zirkon pada tahun 1789 dan menamainya sesuai Zirkonerde (zirkonia) yang sudah dikenal.
Hafnium
Hafnium telah diprediksi oleh Dmitri Mendeleev pada tahun 1869 dan menurut pengukuran muatan inti efektif dengan spektroskopi sinar-X yang dilakukan oleh Henry Moseley pada tahun 1914, nomor atomnya adalah 72, menempatkannya di antara unsur lutetium dan tantalum yang sudah diketahui sebelumnya. Dirk Coster dan Georg von Hevesy adalah orang pertama yang meneliti unsur baru dalam bijih zirkonium.[5] Hafnium ditemukan oleh keduanya pada tahun 1923 di Kopenhagen, Denmark, yang memvalidasi prediksi original Mendeleev tahun 1869.[6] Terdapat beberapa kontroversi seputar penemuan hafnium dan pendapat Coster dan Hevesy yang mengacu pada prediksi Bohr bahwa hafnium adalah logam transisi dan bukan unsur tanah jarang.[7] Sementara titanium dan zirkonium, sebagai unsur yang relatif melimpah, ditemukan di akhir abad ke-18, dibutuhkan waktu sampai tahun 1923 untuk mengidentifikasi hafnium. Ini hanya karena hafnium yang relatif langka. Kesamaan kimia antara zirkonium dan hafnium membuat pemisahan menjadi sulit dan, tanpa mengetahui apa yang harus dicari, hafnium tidak ditemukan, walaupun semua sampel zirkonium, dan semua senyawanya, yang digunakan oleh kimiawan selama lebih dari dua abad mengandung hafnium dalam jumlah yang signifikan.[8]
Ruterfordium
Rutherfordium pertama kali dilaporkan terdeteksi pada tahun 1966 di Joint Institute of Nuclear Research di Dubna (Uni Soviet). Peneliti membombardir 242Pu dengan ion 22Ne yang dipercepat dan memisahkan produk reaksinya dengan termokromatografi gradien setelah dikonversi menjadi kloridanya melalui interaksi dengan ZrCl4.[9]
- 242
94Pu + 22
10Ne → 264−x
104Rf → 264−x
104RfCl4
Produksi
Produksi logam itu sendiri sulit karena reaktivitasnya. Pembentukan oksida, nitrida dan karbidanya harus dihindari agar menghasilkan logam yang bisa diolah, ini biasanya dicapai dengan proses Kroll. Oksida (MO2) direaksikan dengan batubara dan klor untuk membentuk klorida (MCl4). Klorida logamnya kemudian direaksikan dengan magnesium, menghasilkan magnesium klorida dan logam.
Pemurnian lebih lanjut dilakukan dengan reaksi transport kimia yang dikembangkan oleh Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer. Dalam bejana tertutup, logam bereaksi dengan iodium pada suhu di atas 500 °C yang membentuk logam(IV) iodida; pada filamen tungsten bersuhu hampir 2000 °C, terjadi reaksi balik dan iodium dan logam dibebaskan. Logam membentuk lapisan padat pada filamen tungsten dan iodium dapat bereaksi dengan logam tambahan sehingga menghasilkan perputaran yang stabil.[1][10]
- M + 2 I2 (suhu rendah) → MI4
- MI4 (suhu tinggi) → M + 2 I2
Keterjadian
Jika kelimpahan unsur dalam kerak bumi diperbandingkan untuk titanium, zirkonium dan hafnium, kelimpahannya berkurang seiring dengan bertambahnya massa atom. Titanium adalah logam ketujuh yang paling melimpah dalam kerak bumi dan memiliki kelimpahan 6320 ppm, sedangkan zirkonium memiliki kelimpahan 162 ppm dan hafnium hanya memiliki kelimpahan 3 ppm.[11]
Ketiga unsur stabil tersebut terjadi pada deposit bijih pasir mineral berat, yang biasanya merupakan endapan placer yang terbentuk di lingkungan pantai, melalui konsentrasi berat jenis butir mineral bahan erosi dari batuan mafik dan ultramafik. Mineral titanium kebanyakan berupa anatase dan rutil, dan zirkonium terdapat pada mineral zirkon. Akibat kemiripan sifat kimia, sampai 5% zirkonium dalam zirkon digantikan oleh hafnium. Produsen unsur golongan 4 terbesar adalah Australia, Afrika Selatan dan Kanada.[12][13][14][15][16]
Aplikasi
Logam titanium dan paduannya memiliki berbagai macam aplikasi, karena keunggulannya dalam ketahanan korosi, stabilitas panas dan kerapatan rendah (ringan). Pemanfaatan ketahanan korosi hafnium dan zirkonium yang paling tahan korosi terdapat pada reaktor nuklir. Zirkonium memiliki penampang tangkapan neutron termal sangat rendah sedangkan hafnium tinggi. Oleh karena itu, zirkonium (kebanyakan sebagai zircaloy) digunakan sebagai selongsong batang bahan bakar pada reaktor nuklir,[17] sementara hafnium digunakan sebagai batang kendali untuk reaktor nuklir, karena masing-masing atom hafnium dapat menyerap banyak neutron.[18][19]
Sejumlah kecil hafnium[20] dan zirkonium digunakan dalam paduan super untuk memperbaiki sifat-sifat paduan tersebut.[21]
Keterjadian biologis
Unsur golongan 4 tidak diketahui terlibat dalam kimia biologis sistem kehidupan apapun.[22] Mereka adalah logam refraktori yang keras dengan kelarutan dalam air rendah, dan ketersediaannya rendah di biosfer. Titanium adalah satu dari sedikit logam transisi blok d baris pertama tanpa peran biologis yang diketahui. Radioaktivitas rutherfordium membuatnya beracun bagi sel hidup.
Tindakan pencegahan
Titanium tidak beracun meski dalam dosis besar dan tidak memainkan peran alami di dalam tubuh manusia.[22] Serbuk zirkonium bisa menyebabkan iritasi, namun hanya kontak dengan mata yang membutuhkan perhatian medis.[23] OSHA merekomendasikan batas rata-rata tertimbang untuk zirkonium adalah 5 mg/m3 dan batas paparan jangka pendek 10 mg/m3.[24] Data toksikologi hafnium yang ada sangat terbatas.[25]
Lihat Juga
Referensi
- ^ a b c d Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (dalam bahasa German) (edisi ke-91–100). Walter de Gruyter. hlm. 1056–1057. ISBN 3-11-007511-3.
- ^ a b "Los Alamos National Laboratory – Hafnium". Diarsipkan dari versi asli tanggal June 2, 2008. Diakses tanggal 2008-09-10.
- ^ Hoffman, Darleane C.; Lee, Diana M.; Pershina, Valeria (2006). "Transactinides and the future elements". Dalam Morss; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (edisi ke-3rd). Dordrecht, The Netherlands: Springer Science+Business Media. ISBN 1-4020-3555-1.
- ^ Weeks, Mary Elvira (1932). "III. Some Eighteenth-Century Metals". Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231–1243. Bibcode:1932JChEd...9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231.
- ^ Urbain, M. G. (1922). "Sur les séries L du lutécium et de l'ytterbium et sur l'identification d'un celtium avec l'élément de nombre atomique 72". Comptes rendus (dalam bahasa French). 174: 1347–1349. Diakses tanggal 2008-10-30.
- ^ Coster, D.; Hevesy, G. (1923-01-20). "On the Missing Element of Atomic Number 72". Nature. 111 (2777): 79–79. Bibcode:1923Natur.111...79C. doi:10.1038/111079a0.
- ^ Scerri, Eric (2007). The Periodic System, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. ISBN 0-19-530573-6. Tidak memiliki atau tanpa
|title=(bantuan) - ^ Barksdale, Jelks (1968). The Encyclopedia of the Chemical Elements. Skokie, Illinois: Reinhold Book Corporation. hlm. 732–38 "Titanium". LCCCN 68-29938.
- ^ Barber, R. C.; Greenwood, N. N.; Hrynkiewicz, A. Z.; Jeannin, Y. P.; Lefort, M.; Sakai, M.; Ulehla, I.; Wapstra, A. P.; et al. (1993). "Discovery of the transfermium elements. Part II: Introduction to discovery profiles. Part III: Discovery profiles of the transfermium elements". Pure and Applied Chemistry. 65 (8): 1757–1814. doi:10.1351/pac199365081757.
- ^ van Arkel, A. E.; de Boer, J. H. (1925). "Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall (Production of pure titanium, zirconium, hafnium and Thorium metal)". Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie (dalam bahasa German). 148 (1): 345–350. doi:10.1002/zaac.19251480133.
- ^ "Abundance in Earth's Crust". WebElements.com. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2008-05-23. Diakses tanggal 2007-04-14.
- ^ "Dubbo Zirconia Project Fact Sheet" (PDF). Alkane Resources Limited. June 2007. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2008-02-28. Diakses tanggal 2008-09-10.
- ^ "Zirconium and Hafnium" (PDF). Mineral Commodity Summaries. US Geological Survey: 192–193. January 2008. Diakses tanggal 2008-02-24.
- ^ Callaghan, R. (2008-02-21). "Zirconium and Hafnium Statistics and Information". US Geological Survey. Diakses tanggal 2008-02-24.
- ^ "Minerals Yearbook Commodity Summaries 2009: Titanium" (PDF). US Geological Survey. May 2009. Diakses tanggal 2008-02-24.
- ^ Gambogi, Joseph (January 2009). "Titanium and Titanium dioxide Statistics and Information" (PDF). US Geological Survey. Diakses tanggal 2008-02-24.
- ^ Schemel, J. H. (1977). ASTM Manual on Zirconium and Hafnium. ASTM International. hlm. 1–5. ISBN 978-0-8031-0505-8.
- ^ Hedrick, James B. "Hafnium" (PDF). United States Geological Survey. Diakses tanggal 2008-09-10.
- ^ Spink, Donald (1961). "Reactive Metals. Zirconium, Hafnium, and Titanium". Industrial and Engineering Chemistry. 53 (2): 97–104. doi:10.1021/ie50614a019.
- ^ Hebda, John (2001). "Niobium alloys and high Temperature Applications" (PDF). CBMM. Diakses tanggal 2008-09-04.
- ^ Donachie, Matthew J. (2002). Superalloys. ASTM International. hlm. 235–236. ISBN 978-0-87170-749-9.
- ^ a b Emsley, John (2001). "Titanium". Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. hlm. 457–456. ISBN 0-19-850340-7.
- ^ "International Chemical Safety Cards". International Labour Organization. October 2004. Diakses tanggal 2008-03-30. Parameter
|contribution=akan diabaikan (bantuan) - ^ "Zirconium Compounds". National Institute for Occupational Health and Safety. 2007-12-17. Diakses tanggal 2008-02-17.
- ^ "Occupational Safety & Health Administration: Hafnium". U.S. Department of Labor. Diarsipkan dari versi asli tanggal Parameter
|archive-url=membutuhkan|archive-date=(bantuan). Diakses tanggal 2008-09-10.