Unsur kumpulan 4

Dalam sistem penamaan IUPAC, kumpulan unsur 4 dalam jadual berkala mengandungi 4 unsur kimia iaitu:-

• titanium (Ti )
• zirkonium (Zr)
• hafnium (Hf)
• ruterfordium (Rf)

Kumpulan unsur 4 ini merupakan logam tahan panas keras pada keadaan biasa dan kumpulan ini terletak dalam blok d jadual berkala unsur. 3 daripada 4 unsur dalam kumpulan ini wujud secara semula jadi iaitu titanium (Ti ), zirkonium (Zr) dan hafnium (Hf) manakala ruterfordium (Rf) pula adalah unsur radioaktif (semua isotop Rf dihasilkan dalam makmal, tiada satu pun yang ditemui secara semula jadi sehingga masa ini).

Sifat kimia

Sebagaimana kumpulan lain, ahli kumpulan unsur 4 juga menampilkan corak dalam konfigurasi elektronnya, terutamanya petala paling luar. Ini secara langsung menunjukkan corak bagi sifat kimianya.

• 
  Hafnium 1
• 
  Hafnium 2

Kebanyakan sifat ini hanya diperhatikan untuk 3 unsur pertama kumpulan ini, sifat bagi rutherfordium pula tidak dibuktikan dengan jitu. Oleh sebab itu, huraian seterusnya hanya berkaitan dengan titanium, zirkonium dan hafnium. Semua unsur ini adalah logam reaktif yang mempunyai takat lebur yang tinggi iaitu 1668 °C, 1855 °C dan 2233 °C masing-masing. Kereaktifannya tidak selalunya ketara disebabkan oleh pembentukan lapisan oksida yang sangat cepat, yang mana menghalang lapisan bawah logam ini daripada terus bertindak balas. Oksida TiO2, ZrO2 dan HfO2 berwarna putih dengan takat lebur yang tinggi dan tidak bertindak balas dengan kebanyakan asid.

Keempat-empat logam peralihan ini membentuk berbagai-bagai sebatian inorganik, biasanya dengan nombor pengoksidaan +4. Untuk 3 unsur pertama, para saintis telah membuktikan bahawa unsur-unsur ini memiliki rintangan terhadap alkalipekat, tetapi halogen bertindak balas dengan unsur-unsur ini untuk membentuk tetrahalida. Pada suhu yang lebih tinggi, ketiga-tiga unsur ini bertindak balas dengan oksigen, nitrogen, karbon, boron, sulfur, dan silikon. Oleh sebab pengecutan lantanida bagi unsur dalam kala ke-5, zirkonium dan hafnium mempunyai jejari ionik yang hampir sama (contohnya, jejari ionik untuk Zr⁴⁺ ialah ) 0.79 Ångström dan bagi ion Hf⁴⁺ pula ialah 0.78 Ångström.

Persamaan ini menyebabkan unsur-unsur ini mempunyai sifat kimia yang hampir sepenuhnya serupa dan mereka juga membentuk sebatian kimia yang juga hampir sama. Dalam erti kata lain, sifat kimia zirkonium dan hafnium tidak dapat dibezakan, hanya sifat fizikalnya sahaja yang berlainan. Perbezaan fizikal yang ketara bagi kedua-dua unsur ini adalah dari segi takat lebur dan takat didihnya serta kelarutannya dalam bahan pelarut.

Sejarah

Titanium dan zirkonium yang memiliki jumlah yang banyak secara relatifnya diatas kerak bumi ini ditemui pada lewat kurun ke-17 manakala disebabkan oleh jumlah hafnium yang sedikit secara relatifnya,penemuannya hanya berlaku pada tahun 1923. Persamaan sifat kimia antara zirkonium dan hafnium menyebabkan pengasingan kedua-duanya amat sukar dan tidak diketahui oleh para saintis akan kewujudannya. Padahal, mereka telah menjalankan pelbagai eksperimen ke atas sampel zirkonium yang sebenarnya mengandungi hafnium selama 2 kurun.

William Gregor, Franz Joseph Muller dan Martin Heinrich Klaproth menemukan titanium secara berasingan antara tahun 1791 dan 1795. Klaproth menamakannya Titans. Klaproth juga telah menemukan zirkonium dalam mineral zirkon pada 1789 dan menamakannya zirkonia berdasarkan nama yang telah diketahui Zirkonerde.

Hafnium pula telah diramal oleh ahli kimia Dmitri Mendeleev pada 1869 dan pada tahu 1914, Henry Moseley telah mengukur cas nuklear efektif oleh spektroskopi sinar-X sebagai 72, dan meletakkannya di antara lantanum dan tantalum (kedua-dua unsur ini telah ditemui terlebih dahulu pada tahun-tahun sebelumnya). Dirk Coster dan Georg von Hevesy merupakan orang pertama yang cuba mencari unsur baru dalam bijih zirkonium. Mereka telah menemukan hafnium pada tahun 1923 di Copenhagen, Denmark, sekali gus mengesahkan ramalan asal Mendeleev.

Penghasilan

Penghasilan logam-logam ini adalah amat sukar disebabkan oleh kereaktifan mereka. Pembentukan oksida, nitrida dan karbidanya perlu dihindarkan untuk menghasilkan logam yang berguna, dan hal ini biasanya dicapai melalui proses Kroll. Oksidanya (MO₂) ditindakbalaskan dengan arang dan klorine untuk membentuk sebatian klorida (MCl₄). Klorida logam ini kemudiannya ditindakbalaskan dengan magnesium lalu mengkasilkan magnesium klorida dan logam.

Penulenan seterusnya dijalankan melalui tindak balas pengangkutan kimia yang dibangunkan oleh Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer. Dalam saluran tertutup, logam tersebut bertindak balas dengan iodin pada suhu melebihi 500 °C lalu membentuk logam(IV) iodida; dalam filamen tungsten yang mempunyai suhu hampir 2000 °C, tindak balas berbalik berlaku dan iodin diasingkan daripada logam. Logam tersebut kemudian membentuk lapisan pepejal pada filamen tungsten dan iodin seterusnya boleh bertindak balas dengan lebihan logam.

(suhu rendah) : M + 2I₂ → MI₄

(suhu tinggi) : MI₄ → M + 2I₂

Kewujudan

Geografi

Secara relatif, di atas kerak bumi, jumlah titanium adalah yang paing banyak diikuti dengan zirkonium dan hafnium (hal ini menunjukkan jumlah relatif unsur-unsur ini berkurang mengikut peningkatan jisim atom). Titanium adalah logam kerak Bumi ke-7 terbanyak dan mempunyai jumlah sebanyak 6320 ppm (part per million), manakala zirkonium berjumlah 162 ppm dan hafnium, 3 ppm.

Pengeluar terbesar unsur kumpulan 4 ini ialah Australia, Afrika Selatan dan Kanada.

Biologi

Buat masa ini,peranan unsur kumpulan 4 ini dalam sistem biologi benda hidup masih tidak diketahui. Keradioaktifan rutherfordium. bersifat toksik untuk sel hidup.

Penggunaan

Logam titanium dan aloinya mempunyai kegunaan yang sangat meluas disebabkan oleh sifatnya yang tinggi rintangan terhadap pengaratan, kestabilan haba dan ketumpatan yang rendah (ringan). Zirkonium dan hafnium yang tahan karat pula telah digunakan dalam reaktor nuklear. Sebahagian kecil zirkonium dan hafnium telah diaplikasikan dalam pengaloian untuk menambahbaik ciri-ciri sesuatu aloi tersebut.

Lihat juga

• Jadual berkala
• Logam peralihan

Pautan luar

Kimia di webelements.com Huraian Ringkas Tentang Unsur Dalam Kumpulan 4