Gruppe 4: die Titangruppe

Vier Außenelektronen und die Stufe +4

Jedes Mitglied hat zwei d-Elektronen und zwei s-Elektronen außerhalb seines Rumpfes: Titan ist [Ar] 3d² 4s², Zirconium [Kr] 4d² 5s² und Hafnium [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s². Setzt man alle vier ein, ergibt sich die Stufe +4 in ihren Oxiden TiO₂, ZrO₂ und HfO₂. Titan kann auch +2 oder +3 sein, Zirconium und Hafnium bleiben aber fast immer bei +4.

Diese Metalle reagieren leicht mit Sauerstoff, doch der dünne Oxidfilm, der sich bildet, versiegelt die Oberfläche, sodass sie unter Alltagsbedingungen kaum korrodieren.

In der Gruppe nach unten: schwerer und schwerer schmelzbar

Anders als die Metalle der Gruppen 1 und 2 schmelzen die Metalle der Gruppe 4 nach unten bei höheren Temperaturen: 1941 K bei Titan, 2128 K bei Zirconium und 2506 K bei Hafnium. Die Elektronegativität sinkt leicht, von 1,54 auf 1,33 und 1,3.

Die Dichte zeigt einen auffälligen Sprung. Zirconium hat 6,52 g/cm³, Hafnium aber 13,31 g/cm³, etwa doppelt so viel. Die Lanthanoidenreihe direkt vor Hafnium lässt seine Atome schrumpfen, sodass ein Hafniumatom fast so groß ist wie ein Zirconiumatom, aber fast die doppelte Masse trägt. Die beiden sind so enge Zwillinge, dass sich Hafnium bis 1923 unbemerkt in Zirconiumerzen versteckte.

Wo du Gruppe 4 begegnest

Titandioxid ist das leuchtend weiße Pigment in Farbe, Papier, Zahnpasta und vielen Sonnencremes. Metallisches Titan ist fest und doch leicht, 4,506 g/cm³ gegenüber 7,874 g/cm³ bei Eisen, daher steckt es in Flugzeugen, Fahrradrahmen sowie Hüft- und Zahnimplantaten, die der Körper gut verträgt. Zirconiumlegierungen umhüllen den Brennstoff in Kernreaktoren, weil Zirconium Neutronen durchlässt, während Hafnium Neutronen aufsaugt und in Steuerstäben verwendet wird. Zirkonia, ein preiswerter Diamantersatz, ist Zirconiumdioxid.

Rutherfordium

Rutherfordium (104), nach Ernest Rutherford benannt, ist radioaktiv und wurde nur in wenigen Atomen auf einmal hergestellt, sodass sein Schmelzpunkt und seine Dichte nie gemessen wurden. Kurze Experimente deuten darauf hin, dass es Verbindungen bildet, die denen von Zirconium und Hafnium sehr ähneln.