Groep 4: de titaangroep

Vier buitenste elektronen en de +4-toestand

Elk lid heeft twee d-elektronen en twee s-elektronen buiten zijn kern: titaan is [Ar] 3d² 4s², zirkonium [Kr] 4d² 5s² en hafnium [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s². Het gebruik van alle vier geeft de +4-toestand in hun oxiden, TiO₂, ZrO₂ en HfO₂. Titaan kan ook +2 of +3 zijn, maar zirkonium en hafnium blijven bijna altijd op +4.

Deze metalen reageren gemakkelijk met zuurstof, maar het dunne oxidelaagje dat ontstaat sluit het oppervlak af, zodat ze in dagelijkse omstandigheden nauwelijks corroderen.

Langs de groep omlaag: zwaarder en moeilijker te smelten

Anders dan de metalen van groep 1 en 2 smelten de metalen van groep 4 bij hogere temperaturen naarmate je lager komt: 1941 K voor titaan, 2128 K voor zirkonium en 2506 K voor hafnium. De elektronegativiteit zakt licht, van 1,54 naar 1,33 en 1,3.

De dichtheid maakt een opvallende sprong. Zirkonium heeft 6,52 g/cm³, maar hafnium 13,31 g/cm³, ongeveer twee keer zo dicht. De reeks van de lanthaniden vlak voor hafnium laat de atomen krimpen, dus een hafniumatoom is bijna even groot als een zirkoniumatoom terwijl het bijna tweemaal de massa heeft. De twee lijken zo sterk op elkaar dat hafnium tot 1923 onopgemerkt in zirkoniumertsen verborgen zat.

Waar je groep 4 tegenkomt

Titaandioxide is het heldere witte pigment in verf, papier, tandpasta en veel zonnebrandmiddelen. Titaanmetaal is sterk maar licht, 4,506 g/cm³ tegenover 7,874 g/cm³ voor ijzer, dus het wordt gebruikt in vliegtuigen, fietsframes en heup- en tandimplantaten die het lichaam goed accepteert. Zirkoniumlegeringen omhullen de brandstof in kernreactoren omdat zirkonium neutronen doorlaat, terwijl hafnium neutronen opslokt en wordt gebruikt in regelstaven. Zirkonia, een goedkope diamantlookalike, is zirkoniumdioxide.

Rutherfordium

Rutherfordium (104), genoemd naar Ernest Rutherford, is radioactief en is slechts in enkele atomen tegelijk gemaakt, dus het smeltpunt en de dichtheid zijn nooit gemeten. Korte experimenten suggereren dat het verbindingen vormt die sterk lijken op die van zirkonium en hafnium.