Groupe 4 : le groupe du titane

Quatre électrons externes et l'état +4

Chaque membre a deux électrons d et deux électrons s en dehors de son cœur : le titane est [Ar] 3d² 4s², le zirconium [Kr] 4d² 5s² et l'hafnium [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s². Utiliser les quatre donne l'état +4 présent dans leurs oxydes, TiO₂, ZrO₂ et HfO₂. Le titane peut aussi être +2 ou +3, mais le zirconium et l'hafnium restent presque toujours à +4.

Ces métaux réagissent facilement avec l'oxygène, mais la fine couche d'oxyde qui se forme scelle la surface ; dans les conditions courantes, ils se corrodent donc à peine.

En descendant dans le groupe : plus lourds et plus difficiles à fondre

Contrairement aux métaux des groupes 1 et 2, les métaux du groupe 4 fondent à des températures plus élevées en descendant : 1941 K pour le titane, 2128 K pour le zirconium et 2506 K pour l'hafnium. L'électronégativité diminue légèrement, de 1,54 à 1,33 puis 1,3.

La masse volumique montre un saut frappant. Le zirconium affiche 6,52 g/cm³, mais l'hafnium 13,31 g/cm³, soit environ le double. La série des lanthanides, qui précède juste l'hafnium, contracte ses atomes : un atome d'hafnium a donc presque la même taille qu'un atome de zirconium tout en ayant presque deux fois sa masse. Les deux sont de tels jumeaux que l'hafnium est resté caché, inaperçu, dans les minerais de zirconium jusqu'en 1923.

Où rencontrer le groupe 4

Le dioxyde de titane est le pigment blanc éclatant des peintures, du papier, du dentifrice et de nombreuses crèmes solaires. Le titane métallique est à la fois résistant et léger, 4,506 g/cm³ contre 7,874 g/cm³ pour le fer ; on l'utilise donc dans les avions, les cadres de vélo et les implants de hanche et dentaires que le corps accepte bien. Les alliages de zirconium gainent le combustible des réacteurs nucléaires parce que le zirconium laisse passer les neutrons, tandis que l'hafnium absorbe les neutrons et sert dans les barres de contrôle. La zircone cubique, une imitation bon marché du diamant, est du dioxyde de zirconium.

Le rutherfordium

Le rutherfordium (104), nommé d'après Ernest Rutherford, est radioactif et n'a été produit que quelques atomes à la fois ; son point de fusion et sa masse volumique n'ont donc jamais été mesurés. De brèves expériences suggèrent qu'il forme des composés très proches de ceux du zirconium et de l'hafnium.