గ్రూప్ 4 మూలకం

గ్రూప్ 4, ఆవర్తన పట్టికలోని పరివర్తన లోహాల రెండవ గ్రూపు. ఇందులో టైటానియం (Ti), జిర్కోనియం (Zr), హాఫ్నియం (Hf), రుథర్‌ఫోర్డియం (Rf) అనే నాలుగు మూలకాలున్నాయి. దీన్ని టైటానియం గ్రూపు లేదా టైటానియం కుటుంబం అని కూడా అంటారు.

ఆవర్తన పట్టికలో గ్రూప్ 4
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Ununtrium Flerovium Ununpentium Livermorium Ununseptium Ununoctium group 3 ←    → group 5
IUPAC group number 4 Name by element టైటానియం గ్రూప్ CAS group number (US, pattern A-B-A) IVB old IUPAC number (Europe, pattern A-B) IVA
↓ పీరియడ్
4	Titanium (Ti) 22 Transition metal
5	Zirconium (Zr) 40 Transition metal
6	Hafnium (Hf) 72 Transition metal
7	Rutherfordium (Rf) 104 Transition metal
Legend ఆదిమ మూలకం సింథటిక్ మూలకం Atomic number color: black=solid
v t e

ప్రారంభ పరివర్తన లోహాలకు లాగానే, జిర్కోనియం, హాఫ్నియంల సమూహ ఆక్సీకరణ స్థితుల్లో +4 మాత్రమే ప్రధానమైనది. ఇవి చాలా ఎలక్ట్రోపోజిటివుగా, తక్కువ కోఆర్డినేషన్ కెమిస్ట్రీని కలిగి ఉంటాయి. లాంతనైడ్ సంకోచం ప్రభావాల కారణంగా, వాటి లక్షణాలలో చాలా పోలికలు ఉంటాయి. టైటానియం చిన్న పరిమాణం కారణంగా కొంత భిన్నంగా ఉంటుంది: దీనికి బాగా నిర్వచించబడిన +3 స్థితి ఉంది (+4 మరింత స్థిరంగా ఉన్నప్పటికీ).

గ్రూప్ 4 మూలకాలన్నీ దృఢమైన, ఉష్ణ నిరోధక లోహాలు. దట్టమైన ఆక్సైడ్ పొర ఏర్పడటం వలన వాటి స్వాభావిక ప్రతిచర్య పూర్తిగా కప్పబడి ఉంటుంది. ఇది వాటిని తుప్పు నుండి అలాగే అనేక ఆమ్లాలు, ఆల్కలీల దాడి నుండి కాపాడుతుంది. ఈ మూలకాల్లో మొదటి మూడు సహజంగా సంభవిస్తాయి. రూథర్‌ఫోర్డియం చాలా రేడియోధార్మికత కలిగి ఉంటుంది: ఇది ప్రాకృతికంగా లభించదు, కృత్రిమ సంశ్లేషణ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయాలి. అయితే దాని గమనించిన, సిద్ధాంతపరంగా ఊహించిన లక్షణాలు హాఫ్నియం యొక్క భారీ హోమోలాగ్‌కు అనుగుణంగా ఉంటాయి. ఈ గ్రూపు మూలకాల్లో దేనికీ జీవసంబంధమైన పాత్ర లేదు.

లక్షణాలు

రసాయన ధర్మాలు

గ్రూపు 4 మూలకాల యొక్క ఎలక్ట్రాన్ కాన్ఫిగరేషన్‌లు
Z	మూలకం	ఎలక్ట్రాన్ కాన్ఫిగరేషన్
22	టి, టైటానియం	2, 8, 10,  2	[Ar]      3d2 4s2
40	Zr, జిర్కోనియం	2, 8, 18, 10,  2	[Kr]      4d2 5s2
72	Hf, హాఫ్నియం	2, 8, 18, 32, 10,  2	[Xe] 4f14 5d2 6s2
104	Rf, రుథర్‌ఫోర్డియం	2, 8, 18, 32, 32, 10, 2	[Rn] 5f14 6d2 7s2

ఇతర సమూహాల మాదిరిగానే, ఈ కుటుంబంలోని మూలకాలు తమ ఎలక్ట్రాన్ కాన్ఫిగరేషన్‌లలో, ముఖ్యంగా బయటి షెల్‌లలో, ఒకే ధోరణిని చూపుతాయి. ఫలితంగా రసాయన ప్రవర్తనలో కూడా ధోరణులు ఏర్పడతాయి. గ్రూపులోని మొదటి మూడు మూలకాలకు మాత్రమే చాలా రసాయన ధర్మాలు తెలుసు; రుథర్‌ఫోర్డియం రసాయన లక్షణాలు బాగా వర్ణించబడలేదు. అయితే తెలిసినవి, ఊహించినవి మాత్రం హాఫ్నియం యొక్క భారీ హోమోలాగ్‌గా దాని స్థానానికి సరిపోతాయి. ^[1]

టైటానియం, జిర్కోనియం, హాఫ్నియంలు రియాక్టివ్ లోహాలు. అయితే అవి దట్టమైన ఆక్సైడ్ పొరను ఏర్పరుస్తాయి కాబట్టి వీటికి అది ముసుగు లాగా ఏర్పడుతుంది. అది లోహానికి అంటుకుని, దాన్ని తీసివేసినప్పటికీ మళ్ళీ ఏర్పడుతుంది. అలాగే, బల్క్ లోహాలు రసాయన దాడికి చాలా నిరోధకతను కలిగి ఉంటాయి; చాలా సజల ఆమ్లాలు వేడి చేస్తే తప్ప ప్రభావం చూపవు. సజల క్షారాలు వేడి చేసినపుడు కూడా ప్రభావం చూపవు. నైట్రిక్ యాసిడ్స్ వంటి ఆక్సిడైజింగ్ ఆమ్లాలు ఈ ఆక్సైడ్ పొర ఏర్పడటానికి ప్రేరేపించడం వలన రియాక్టివిటీని తగ్గిస్తాయి. దీనికి మినహాయింపు హైడ్రోఫ్లోరిక్ ఆమ్లం, ఇది లోహాల ఫ్లోరో కాంప్లెక్స్‌లను ఏర్పరుస్తుంది. బాగా చిన్నచిన్న కణాలుగా పొడి చేసినపుడు, అవి పైరోఫోరిక్‌గా మారి వాటి రియాక్టివిటీ చూపిస్య్తాయి - ఆక్సిజన్, హైడ్రోజన్‌లతో నేరుగా, టైటానియం విషయంలోనైతే నత్రజనితో కూడా చర్య జరుపుతాయి. ఈ మూడూ చాలా ఎలక్ట్రోపోజిటివ్‌గా ఉంటాయి, అయితే గ్రూప్ 3 లో ఉన్న వాటి కంటే ఇది తక్కువ స్థాయిలో ఉంటుంది. ^[2] TiO₂, ZrO₂, HfO₂ అనే ఆక్సైడ్లు తెల్లటి ఘనపదార్థాలు. ఇవి అధిక ద్రవీభవన బిందువులను కలిగి, చాలా ఆమ్లాలతో చర్య జరపవు. ^[3]

భౌతిక ధర్మాలు

గ్రూపు 4 లోని ధోరణి ఇతర ప్రారంభ d-బ్లాక్ సమూహాల ధోరణినే అనుసరిస్తుంది. ఐదవ నుండి ఆరవ పీరియడ్‌కు వెళ్తోంటే కోర్‌లోకి నిండిన ఎఫ్-షెల్ జోడిస్తాయి. గ్రూపులోని స్థిరమైన మూలకాలన్నీ వెండి రంగులో ఉండే ఉష్ణ నిరోధక లోహాలు. అయితే కార్బన్, నైట్రోజన్, ఆక్సిజన్ ల మలినాలు వాటిని పెళుసుగా చేస్తాయి. ^[4] అవన్నీ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ స్ట్రక్చర్‌లో స్ఫటికీకరిస్తాయి. ^[5] రూథర్‌ఫోర్డియం కూడా అలాగే ప్రవర్తిస్తుందని భావిస్తున్నారు. ^[6] అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, టైటానియం, జిర్కోనియం, హాఫ్నియం లౌ బాడీ సెంటర్‌డ్ క్యూబిక్ నిర్మాణంగా రూపాంతరం చెందుతాయి. అవి తమ గ్రూప్ 3 పూర్వీకుల కంటే ఉష్ణ, విద్యుత్ వాహకాలైనప్పటికీ, చాలా లోహాలతో పోలిస్తే అవి నిమ్న వాహకాలే. అధిక ద్రవీభవన, మరిగే బిందువులు, ఫ్యూజన్, బాష్పీభవనం, ఆటమైజేషన్ యొక్క ఎంథాల్పీలతో కూడి, ఈ లక్షణాలు లోహ బంధం కోసం అందుబాటులో ఉండే అదనపు d ఎలక్ట్రాన్‌ హేతువు అవుతాయి. ^[5]

దిగువ పట్టిక గ్రూపు 4 మూలకాల ముఖ్య భౌతిక లక్షణాల సారాంశాన్ని చూపిస్తుంది. ప్రశ్న-గుర్తున్న విలువలు ఎక్స్‌ట్రాపోలేట్ చేయగా వచ్చిన అంచనాలు. ^[7]

గ్రూపు 4 మూలకాల లక్షణాలు

పేరు	టి, టైటానియం	Zr, జిర్కోనియం	Hf, హాఫ్నియం	Rf, రుథర్‌ఫోర్డియం
ద్రవీభవన స్థానం	1941 K (1668 °C)	2130 K (1857 °C)	2506 K (2233 °C)	2400 K (2100 °C) ?
మరుగు స్థానము	3560 K (3287 °C)	4682 K (4409 °C)	4876 K (4603 °C)	5800 K (5500 °C) ?
సాంద్రత	4.507 g·cm −3	6.511 g·cm −3	13.31 g·cm −3	17 g·cm −3 ?
స్వరూపం	వెండి లోహ	వెండి తెలుపు	వెండి బూడిద	?
పరమాణు వ్యాసార్థం	140 pm	155 pm	155 pm	రాత్రి 150?

ఉత్పత్తి

ఈ లోహాల క్రియాశీలత కారణంగా వాటి ఉత్పత్తి కష్టం. లోహాలను ఉత్పత్తి చేయాలంటే వాటి ఆక్సైడ్లు, నైట్రైడ్లు, కార్బైడ్లు ఏర్పడటాన్ని నివారించాలి; ఇది సాధారణంగా క్రోల్ ప్రక్రియ ద్వారా సాధించబడుతుంది. ఆక్సైడ్లు (MO₂) బొగ్గు, క్లోరిన్‌లతో చర్య జరిపి క్లోరైడ్‌లను (MCl₄) ఏర్పరుస్తాయి. లోహాల క్లోరైడ్‌లు మెగ్నీషియంతో చర్య జరిపి, మెగ్నీషియం క్లోరైడ్‌ను లోహాలనూ ఉత్పత్తి చేస్తాయి.

అంటోన్ ఎడ్వర్డ్ వాన్ ఆర్కెల్, జాన్ హెండ్రిక్ డి బోయర్ అభివృద్ధి చేసిన రసాయన రవాణా చర్య ద్వారా మరింత శుద్ధీకరణ జరుగుతుంది. మూసివున్న పాత్రలో, లోహాన్ని 500 °C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద అయోడిన్‌తో చర్య జరిపినపుడు లోహం (IV) అయోడైడ్ ఏర్పడుతుంది; దాదాపు 2000 °C టంగ్‌స్టన్ ఫిలమెంట్ వద్ద రివర్స్ రియాక్షన్ జరిగి, అయోడిన్, లోహలు విడీపోతాయి. లోహం, టంగ్‌స్టన్ ఫిలమెంట్‌పై గట్టి పూతలా ఏర్పడుతుంది. అయోడిన్ అదనపు లోహంతో చర్య జరుపుతుంది, ఫలితంగా మరింత లోహం ఏర్పడుతుంది. ^{[8] [9]}

M + 2 I ₂ (తక్కువ ఉష్ణోగ్రత. ) → MI ₄

MI ₄ (అధిక ఉష్ణోగ్రత. ) → M + 2 I ₂

ఉపయోగాలు

టైటానియం లోహపు తుప్పు నిరోధకత, ఉష్ణ స్థిరత్వం, తక్కువ సాంద్రత (తక్కువ బరువు) లక్షణాల కారణంగా దాని మిశ్రమాలకు విస్తృతమైన ఉపయోగాలున్నాయి. తుప్పు-నిరోధక హాఫ్నియం, జిర్కోనియం లను అణు రియాక్టర్లలో వాడతారు. జిర్కోనియంకు చాలా తక్కువ గాను, హాఫ్నియంకు అధికంగానూ థర్మల్ న్యూట్రాన్-క్యాప్చర్ క్రాస్-సెక్షన్ ఉంటుంది. అందువల్ల, జిర్కోనియం (ఎక్కువగా జిర్కాలోయ్ రూపంలో) అణు రియాక్టర్లలో ఇంధన కడ్డీల క్లాడింగ్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది. అయితే హాఫ్నియం అణు రియాక్టర్‌ల నియంత్రణ రాడ్‌లలో ఉపయోగిస్తారు. ఎందుకంటే హాఫ్నియం అణువు అనేక న్యూట్రాన్‌లను గ్రహించగలదు. ^[10]

చిన్న మొత్తంలో హాఫ్నియం, ^[11] జిర్కోనియం లను సూపర్ అల్లాయ్‌లలో మిశ్రమాల లక్షణాలను మెరుగుపరచడానికి ఉపయోగిస్తారు. ^[12]