第4族:チタン族
第4族には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、そして合成元素のラザホージウムが含まれます。これらは丈夫で融点が高く、腐食しにくい金属です。覚えておきたい数字は4です。希ガスの芯の外側に電子が4個あり、好まれる酸化数は+4です。
最外殻の4個の電子と+4の状態
どのメンバーも、芯の外側に2個のd電子と2個のs電子をもちます。チタンは[Ar] 3d² 4s²、ジルコニウムは[Kr] 4d² 5s²、ハフニウムは[Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s²です。4個すべてを使うと、酸化物TiO₂、ZrO₂、HfO₂に見られる+4の状態になります。チタンは+2や+3にもなりますが、ジルコニウムとハフニウムはほぼ常に+4にとどまります。
これらの金属は酸素と容易に反応しますが、できる薄い酸化被膜が表面を覆うため、日常的な条件ではほとんど腐食しません。
族を下るほど重く、融けにくくなる
第1族や第2族の金属とは異なり、第4族の金属は下にいくほど融点が高くなります。チタンは1941 K、ジルコニウムは2128 K、ハフニウムは2506 Kです。電気陰性度はわずかに下がり、1.54から1.33、1.3になります。
密度は劇的に跳ね上がります。ジルコニウムは6.52 g/cm³ですが、ハフニウムは13.31 g/cm³で、約2倍の密度です。ハフニウムのすぐ前にあるランタノイド系列が原子を縮めるため、ハフニウム原子はジルコニウム原子とほぼ同じ大きさでありながら、質量はほぼ2倍あります。両者はあまりにもよく似た双子のようなもので、ハフニウムは1923年までジルコニウム鉱石の中に気づかれずに隠れていました。
第4族に出会う場面
二酸化チタンは、塗料、紙、歯みがき粉、多くの日焼け止めに使われる明るい白色顔料です。金属チタンは強くて軽く、密度は鉄の7.874 g/cm³に対して4.506 g/cm³なので、航空機、自転車のフレーム、体によくなじむ股関節や歯のインプラントに使われます。ジルコニウム合金は中性子を通すため原子炉の燃料を包む被覆に使われ、一方ハフニウムは中性子をよく吸収するため制御棒に使われます。安価なダイヤモンドの代用品であるキュービックジルコニアは、二酸化ジルコニウムです。
ラザホージウム
ラザホージウム(104)は、アーネスト・ラザフォードにちなんで名づけられた放射性元素で、数個の原子ずつしかつくられたことがないため、融点や密度は測定されたことがありません。短時間の実験からは、ジルコニウムやハフニウムとよく似た化合物をつくることが示唆されています。
第4族:族に沿った性質の変化
列の見出しをクリックすると並べ替えられます。
| 22 | チタン | Ti | 2 | +2, +3, +4 | 1.54 | 187 | 1,941 K (1,667.8 °C) | 4.506 g/cm³ |
| 40 | ジルコニウム | Zr | 2 | +4 | 1.33 | 186 | 2,128 K (1,854.8 °C) | 6.52 g/cm³ |
| 72 | ハフニウム | Hf | 2 | +4 | 1.3 | 212 | 2,506 K (2,232.8 °C) | 13.31 g/cm³ |
| 104 | ラザホージウム | Rf | 2 | +4 | — | — | — | — |