Unsur golongan 3

Sejarah

Pada tahun 1787, kimiawan paruh waktu Swedia, Carl Axel Arrhenius, menemukan sebuah batu hitam yang berat di dekat desa Ytterby, Swedia (bagian dari Kepulauan Stockholm). Ia berpikir bahwa itu adalah mineral tak dikenal yang mengandung unsur tungsten yang baru ditemukan, dia menamainya dengan ytterbite. Ilmuwan Finlandia Johan Gadolin mengidentifikasi oksida baru atau "tanah" dalam sampel Arrhenius pada tahun 1789, dan menerbitkan analisis lengkapnya pada tahun 1794; pada 1797, oksida baru tersebut dinamakan yttria. Beberapa dasawarsa setelah ilmuwan Prancis Antoine Lavoisier mengembangkan definisi unsur kimia modern yang pertama, diyakini bahwa tanah dapat direduksi menjadi unsur-unsurnya, yang berarti bahwa penemuan tanah baru setara dengan penemuan unsur yang diandungnya, yang dalam hal ini adalah yttrium. Sampai awal 1920an, simbol kimia "Yt" digunakan untuk unsur tersebut, setelah itu "Y" mulai digunakan secara umum. Logam yttrium pertama kali diisolasi pada tahun 1828 ketika Friedrich Wöhler memanaskan yttrium(III) klorida anhidrat dengan kalium untuk membentuk logam yttrium dan kalium klorida.
Pada tahun 1869, kimiawan Rusia Dmitri Mendeleev menerbitkan tabel periodiknya, yang memiliki ruang kosong untuk unsur tepat di atas dan di bawah yttrium. Mendeleev membuat beberapa prediksi untuk tetangga atas yttrium, yang dia sebut eka-boron. Kimiawan Swedia Lars Fredrik Nilson dan timnya menemukan unsur yang hilang dalam mineral euxenite dan gadolinite dan menyiapkan 2 gram skandium(III) oksida dengan kemurnian tinggi. Dia menamainya skandium, dari bahasa Latin: Scandia yang berarti "Skandinavia". Percobaan kimia pada unsur tersebut membuktikan bahwa saran Mendeleev benar; bersamaan dengan penemuan dan karakterisasi galium dan germanium, membuktikan kebenaran keseluruhan tabel periodik dan hukum periodik. Nilson rupanya tidak menyadari prediksi Mendeleev, tetapi Per Teodor Cleve mengenali korespondensi dan memberitahu Mendeleev. Skandium metalik diproduksi untuk pertama kalinya pada tahun 1937 dengan elektrolisis campuran eutektik kalium, litium, dan skandium klorida, pada suhu 700-800 °C.
Pada tahun 1751, ahli mineral asal Swedia Axel Fredrik Cronstedt menemukan mineral berat dari tambang di Bastnäs, yang kemudian dinamai cerite. Tiga puluh tahun kemudian, anak laki-laki berusia lima belas tahun Vilhelm Hisinger, dari keluarga yang memiliki tambang tersebut, mengirim sampelnya ke Carl Scheele, yang tidak menemukan unsur baru di dalamnya. Pada tahun 1803, setelah Hisinger menjadi seorang ahli besi, dia kembali ke mineral tersebut bersama Jöns Jacob Berzelius dan mengisolasi sebuah oksida baru yang mereka namakan ceria sesuai nama planet kerdil Ceres, yang telah ditemukan dua tahun sebelumnya. Ceria was simultaneously independently isolated in Germany by Martin Heinrich Klaproth. Antara tahun 1839 dan 1843, ceria yang merupakan campuran oksida dibuktikan oleh ahli bedah dan kimiawan Swedia Carl Gustaf Mosander, yang tinggal di rumah yang sama dengan Berzelius: ia memisahkan dua oksida lain yang dinamakannya lanthana dan didymia. Dia melakukan dekomposisi parsial terhadap sampel serium nitrat dengan memanggangnya di udara dan kemudian mengolah oksida yang dihasilkan dengan asam nitrat. Karena sifat lantanum hanya sedikit berbeda dari serium, dan terjadi bersamaan dalam garamnya, dia menamainya dengan λανθάνειν [lanthanein] dari bahasa Yunani Kuno yang berarti berbaring tersembunyi. Logam lantanum yang relatif murni pertama kali diisolasi pada tahun 1923.
Lutetium ditemukan secara terpisah pada tahun 1907 oleh ilmuwan Prancis Georges Urbain, ahli mineral Austria Baron Carl Auer von Welsbach, dan kimiawan Amerika Charles James sebagai pengotor mineral ytterbia, yang dianggap oleh kebanyakan ahli kimia hanya terdiri dari ytterbium. Welsbach mengusulkan nama cassiopeium untuk unsur 71 (sesuai konstelasi Cassiopeia) dan aldebaranium (sesuai bintang Aldebaran) untuk nama baru ytterbium namun usulan penamaan ini ditolak, walaupun banyak ilmuwan Jerman pada tahun 1950an menyebut unsur 71 sebagai cassiopeium. Urbain memilih nama neoytterbium (bahasa Latin yang berarti "ytterbium baru") untuk ytterbium dan lutecium (dari bahasa Latin Lutetia, yang berarti Paris) untuk unsur baru tersebut. Perselisihan tentang prioritas penemuan ini didokumentasikan dalam dua artikel di mana Urbain dan von Welsbach saling menuduh penerbitan hasilnya dipengaruhi oleh penelitian yang dipublikasikan. Komisi Massa Atom, yang bertanggung jawab atas pengaitan nama untuk unsur baru, menyelesaikan perselisihan tersebut pada tahun 1909 dengan memberikan prioritas kepada Urbain dan mengadopsi namanya sebagai nama resmi. Keputusan ini jelas bermasalah mengingat Urbain adalah satu dari empat anggota komisi tersebut. Pemisahan lutetium dari ytterbium pertama kali dijelaskan oleh Urbain dan penghargaan penamaan datang kepadanya, tetapi neoytterbium akhirnya dikembalikan ke ytterbium dan pada tahun 1949, ejaan unsur 71 diubah menjadi lutetium. Ironisnya, Charles James, yang dengan rendah hati menghindari argumen tersebut sebagai prioritas, bekerja dalam skala yang jauh lebih besar daripada yang lain, dan pastinya memiliki persediaan lutetium terbesar saat itu.
André-Louis Debierne, seorang kimiawan Prancis, mengumumkan penemuan aktinium pada tahun 1899. Dia memisahkannya dari residu pitchblende yang ditinggalkan oleh Marie dan Pierre Curie setelah mereka mengekstraksi radium. Pada tahun 1899, Debierne menggambarkan substansi yang serupa dengan titanium dan (pada tahun 1900) mirip dengan thorium. Friedrich Oskar Giesel secara independen menemukan aktinium pada tahun 1902 sebagai zat yang mirip dengan lantanum dan menyebutnya "emanium" pada tahun 1904. Setelah perbandingan substansi waktu paruh yang ditentukan oleh Debierne, Hariett Brooks pada tahun 1904, dan Otto Hahn serta Otto Sackur pada tahun 1905, mempertahankan nama yang dipilih Debierne untuk unsur baru ini karena urusan senioritas, terlepas dari sifat kimia yang kontradiktif yang dia klaim untuk unsur tersebut pada waktu yang berbeda.
Lawrencium pertama kali disintesis oleh Albert Ghiorso dan timnya pada tanggal 14 Februari 1961, di Lawrence Radiation Laboratory (sekarang disebut Lawrence Berkeley National Laboratory) di University of California di Berkeley, California, Amerika Serikat. Atom lawrencium pertama diproduksi dengan membombardir tiga miligram target yang mengandung tiga isotop unsur californium dengan inti boron-10 dan boron-11 dari Heavy Ion Linear Accelerator (HILAC). Nuklida ²⁵⁷103 adalah yang pertama dilaporkan, tetapi kemudian direvisi menjadi ²⁵⁸103. Tim di University of California menyarankan nama lawrencium (sesuai nama Ernest O. Lawrence, penemu siklotron akselerator partikel) dan simbol "Lw", untuk unsur baru, tapi "Lw" tidak diadopsi, bahkan "Lr" secara resmi diterima sebagai gantinya. Peneliti fisika nuklir di Dubna, Uni Soviet (sekarang Rusia), melaporkan pada tahun 1967 bahwa mereka tidak dapat mengkonfirmasi data ilmuwan Amerika untuk ²⁵⁷103. Dua tahun sebelumnya, tim Dubna melaporkan ²⁵⁶103. Pada tahun 1992, Kelompok Kerja Trans-fermium IUPAC secara resmi mengenali unsur 103, mengkonfirmasi penamaannya sebagai lawrencium, dengan simbol "Lr", dan menamai tim fisika nuklir di Dubna dan Berkeley sebagai ko-penemu lawrencium.
Sejauh ini, tidak ada percobaan yang dilakukan untuk mensintesis unsur yang bisa menjadi unsur golongan 3 berikutnya; jika lutetium dan lawrencium dianggap sebagai unsur golongan 3, maka unsur berikutnya dalam golongan harus unsur 153, unpenttrium (Upt). Namun, setelah unsur 120, pengisian konfigurasi elektronik berhenti mematuhi prinsip Aufbau. Menurut prinsipnya, unpenttrium harus memiliki konfigurasi elektronik [Og]8s²5g¹⁸6f¹⁴7d¹ dan pengisian subkelopak 5g harus dihentikan pada unsur 138. Namun, orbital-7d dihitung mulai diisi pada unsur 137, sementara subkelopak 5g ditutup hingga unsur 144, setelah pengisian subkulit 7d dimulai. Oleh karena itu, sulit untuk menghitung unsur mana yang harus menjadi unsur kelompok 3 berikutnya. Perhitungan menunjukkan bahwa unpentpentium (Upp, unsur 155) juga bisa menjadi unsur golongan 3 berikutnya. Jika unsur lantanum dan aktinium dianggap sebagai unsur golongan 3, maka unsur 121, unbiunium (Ubu), harus merupakan unsur kelima golongan 3. Unsur yang dihitung memiliki konfigurasi elektronik [Og]8s²8p11/2, yang tidak terkait dengan logam transisi, tanpa subkelopak-d yang terisi sebagian. Tidak ada percobaan yang dilakukan untuk menciptakan unpenttrium, unbiunium atau unsur yang dapat dianggap sebagai unsur golongan 3 berikutnya; namun, unbiunium adalah unsur dengan nomor atom terendah yang belum pernah dicoba diciptakan dan karenanya memiliki peluang untuk terjadi, sementara unpenttrium, unpentpentium atau unsur lainnya yang dipertimbangkan jika didahului oleh lawrencium sangat tidak mungkin diciptakan karena ketidakstabilan tetesan yang menyiratkan bahwa tabel periodik akan segera berakhir setelah pulau kestabilan pada unbihexium.

Keterjadian

Skandium, yttrium, lantanum dan lutetium cenderung terjadi bersama-sama dengan lantanida lainnya (kecuali prometium) di dalam kerak bumi, dan seringkali sulit diekstraksi dari bijihnya. Kelimpahan unsur dalam kerak bumi untuk golongan 3 relatif rendah — semua unsur dalam golongan ini tidak umum, unsur golongan 3 yang paling melimpah adalah yttrium dengan kelimpahan sekitar 30 ppm; kelimpahan skandium adalah 16 ppm, sementara lutetium sekitar 0,5 ppm. Kelimpahan lantanum lebih besar, sekitar 35 ppm. Sebagai perbandingan, kelimpahan tembaga, kromium dan molibdenum masing-masing adalah 50, 160, dan 1,5 ppm.
Skandium tersebar sporadis dan terjadi dalam jumlah renik di banyak mineral. Hanya mineral langka dari Skandinavia dan Madagaskar seperti gadolinit, euksenit, dan tortveitit yang diketahui merupakan sumber terkonsentrasinya unsur ini. Tortveitit mengandung hingga 45% skandium dalam bentuk skandium(III) oksida. Yttrium memiliki kecenderungan yang sama dalam hal lokasi keterjadian; ia ditemukan dalam sampel batuan bulan yang dikumpulkan selama Project Apollo Amerika dalam konsentrasi yang cukup tinggi.
Bijih lutetium yang paling laik komersial adalah monazit, suatu mineral fosfat tanah jarang. Ia juga mengandung (Ce,La,etc.)PO₄ sekitar 0,003% unsur. Area pertambangan utama adalah China, Amerika Serikat, Brazil, India, Sri Lanka dan Australia. Logam lutetium murni adalah salah satu yang paling langka dan paling mahal di antara logam tanah jarang dengan harga sekitar US$10.000/kg, atau sekitar seperempat dari harga emas. Lantanum lebih umum, menjadikannya tanah jarang yang paling melimpah kedua, dan dapat diekstraksi secara komersial dari bastnäsite selain monazit.

Aplikasi

Aplikasi utama skandium adalah untuk kebutuhan penelitian. Namun, ia memiliki potensi luar biasa karena memiliki massa jenis rendah yang hampir menyamai aluminium tetapi titik leburnya jauh lebih tinggi. Paduan aluminium-skandium telah digunakan dalam pesawat tempur Rusia MIG, kerangka sepeda high-end, pemukul baseball, tongkat pancing, dan gagang tongkat golf. Skandium iodida digunakan dalam lampu uap raksa, sebagai cahaya matahari tiruan di dalam studio untuk industri film dan televisi. Lampu-lampu ini membantu kamera televisi untuk mereproduksi warna dengan baik ketika membuat film di dalam ruangan atau pada malam hari. Skandium oksida (scandia), digunakan dalam lampu "stadion". Isotop radioaktif skandium-46 digunakan sebagai pelacak dalam pengolahan minyak untuk memonitor pergerakan fraksi-fraksinya. Ia dapat juga digunakan dalam pipa bawah tanah untuk mendeteksi kebocoran. Skandium sulfat yang sangat encer digunakan untuk meningkatkan germinasi benih seperti jagung, kacang, dan gandum.
Yttrium sering digunakan sebagai aditif dalam logam paduan. Ia meningkatkan kekuatan paduan aluminium dan magnesium. Ia juga digunakan dalam pembuatan filter gelombang mikro untuk radar dan telah digunakan sebagai katalis dalam polimerisasi etena. Garnet yttrium-aluminium digunakan dalam laser yang dapat membelah logam. Ia juga digunakan dalam lampu LED putih. Yttrium oksida ditambahkan ke dalam kaca yang digunakan untuk membuat lensa kamera agar tahan panas dan tahan goncangan. Logam ini juga digunakan untuk membuat superkonduktor. Yttrium oksisulfida banyak digunakan dalam produksi fosfor merah untuk tabung televisi berwarna kuno. Isotop radioaktif yttrium-90 memiliki manfaat medis. Ia dapat digunakan untuk pengobatan beberapa kanker seperti kanker liver.
Lutetium minim manfaat di luar ranah penelitian. Salah satu penggunaan komersialnya adalah sebagai katalis untuk perengkahan (cracking) hidrokarbon dalam pengolahan minyak bumi. ¹⁷⁷Lu digunakan untuk terapi kanker dan karena waktu-paruhnya yang panjang, ¹⁷⁶Lu digunakan untuk mengukur umur meteorit. Lutetium oksiortosilikat (LSO) saat ini digunakan dalam detektor tomografi emisi positron (bahasa Inggris: positron emission tomography, (PET)). Ini adalah pemindaian medis noninvasif yang dapat membentuk citra tiga-dimensi aktivitas sel tubuh.
Lawrencium tidak digunakan selain untuk penelitian ilmiah.
Logam lantanum tidak memiliki penggunaan komersial. Namun, logam paduannya memiliki banyak manfaat. Paduan lantanum-nikel digunakan untuk menyimpan gas hidrogen yang digunakan dalam kendaraan bertenaga hidrogen. Lantanum juga ditemukan dalam anoda baterai nickel metal hydride, NiMH yang digunakan dalam mobil hibrida. Lantanum merupakan komponen penting dalam paduan mischmetal (sekitar 20%). Penggunaan paduan ini yang terkenal adalah dalam ‘batu api’ untuk korek gas. Senyawa ‘tanah jarang’ yang mengandung lantanum banyak digunakan dalam aplikasi pencahayaan karbon, seperti pencahayaan studio dan proyeksi bioskop. Mereka meningkatkan kecerahan dan memberikan spektrum emisi yang mirip dengan cahaya matahari. Lantanum(III) oksida digunakan dalam pembuatan kaca optik khusus, karena ia dapat meningkatkan sifat optik dan ketahanan alkali kaca. Garam lantanum digunakan sebagai katalis dalam pengolahan minyak bumi. Ion La³⁺ digunakan sebagai penjejak biologis untuk Ca²⁺, dan lantanum radioaktif telah diuji untuk digunakan dalam pengobatan kanker.
Aktinium adalah sumber sinar alfa yang kuat, tetapi jarang digunakan di luar ranah penelitian.

Peran biologis

Unsur golongan 3 umumnya adalah logam keras dengan kelarutan dalam air rendah, dan memiliki ketersediaan di biosfer yang rendah. Tidak ada unsur golongan 3 yang tercatat memiliki peran biologis pada organisme hidup. Radioaktivitas aktinida umumnya membuat mereka sangat toksik untuk sel hidup, dapat menyebabkan keracunan radiasi.
Skandium tidak memiliki peran biologis, tetapi ditemukan dalam organisme hidup. Sekali mencapai manusia, skandium terkonsentrasi di dalam liver dan merupakan ancaman. Beberapa senyawanya ditengarai karsinogenik, meskipun secara umum skandium tidak beracun. Skandium diketahui dapat mencapai rantai makanan, tetapi hanya dalam jumlah renik; orang umum mengasup kurang dari 0,1 mikrogram per hari. Sekali dilepas ke lingkungan, skandium secara bertahap tarakumulasi di dalam tanah, yang dapat memicu peningkatan konsentrasi dalam partikal tanah, hewan, dan manusia. Skandium sebagian besar berbahaya bagi lingkungan kerja, karena kenyataannya adalah uap dan gasnya dapat terhirup bersama udara. Hal ini dapat menyebabkan embolisme paru-paru, terutama jika terpapar dalam jangka panjang. Unsur ini diketahui dapat merusak membran sel hewan air, menyebabkan beberapa pengaruh negatif pada reproduksi dan fungsi sistem saraf.
Yttrium tidak diktahui memiliki peran biologis, meskipun ditemukan di sebagian besar (tidak semua) organisme dan cenderung terkonsentrasi di liver, ginjal, limpa, paru-paru, dan tulang manusia. Normalnya, jumlah yang dijumpai dalam seluruh tubuh manusia hanya maksimal 0,5 mg; air susu ibu (ASI) mengandung 4 ppm. Yttrium dapat dijumpai dalam tumbuhan yang dapat dimakan dengan konsentrasi antara 20 ppm dan 100 ppm (timbang segar), dengan kubis mempunyai jumlah terbesar. Benih tanaman berkayu memiliki konsentrasi tertinggi yang diketahui, hingga 700 ppm.
Lutetium tidak memiliki peran biologis, tetapi ditemukan dalam organisme tertinggi, manusia, dan terkonsentrasi pada tulang, dan sedikit pada liver dan ginjal. Garam lutetium diketahui dapat mengganggu metabolisme dan mereka terjadi bersama dengan garam lantanida lainnya di alam; unsur ini adalah golongan lantanida yang paling tidak melimpah dalam tubuh manusia. Asupan manusia belum dipantau untuk kandungan lutetium, sehingga tidak diketahui jumlah asupan rata-rata manusia, tetapi estimasi menunjukkan jumlah beberapa mikrogram per tahun, seluruhnya berasal dari sayuran. Garam lutetium yang dapat larut bersifat racun lunak, tetapi bijihnya yang tak larut tidak beracun. Lantanum tidak esensial untuk manusia dan memiliki tingkat toksisitas rendah hingga sedang. Namun, lantanum esensial bagi bakteri metanotropik Methylacidiphilum fumariolicum SolV, meskipun kesamaan umum unsur tanah jarang menyebabkan lantanum dapat digantikan oleh beberapa lantanida lainnya tanpa efek samping yang merugikan.
Radioaktivitas lawrencium yang tinggi menyebabkan ia sangat beracun bagi sel hidup, menyebabkan keracunan radiasi. Hal yang sama berlaku juga untuk aktinium.