Lantanida dan Aktinida: Panduan Blok f

Dua baris yang dipisahkan di bawah tabel periodik mungkin tampak seperti lampiran, tetapi keduanya berisi sebagian unsur terpenting dalam teknologi dan energi modern. Magnet di ponsel dan motor mobil listrik, bahan bakar pembangkit listrik tenaga nuklir, dan sumber daya wahana antariksa jauh semuanya berasal dari baris-baris ini. Bersama-sama keduanya membentuk blok f, tempat elektron mengisi orbital f. Baris atas adalah lantanida dan baris bawah aktinida.

Struktur blok f

Ada tujuh orbital f, yang menampung hingga empat belas elektron. Lantanida membentang dari lantanum (57) hingga lutesium (71), dan aktinida dari aktinium (89) hingga lawrensium (103), masing-masing lima belas unsur menurut kebiasaan umum yang menyertakan unsur pertamanya.

Orbital 4f yang terisi sepanjang deret lantanida terletak jauh di dalam atom, terlindungi oleh elektron 5s dan 5p di luarnya. Elektron yang ikut dalam reaksi kimia sebagian besar adalah elektron terluar, sehingga lantanida sangat mirip satu sama lain. Sebagian besar berada sebagai ion +3. Pengecualiannya, seperti serium dalam keadaan +4 dan europium dalam keadaan +2, berkaitan dengan subkulit f yang menjadi kosong, setengah penuh, atau penuh.

Kontraksi lantanida

Dari lantanum ke lutesium nomor atom naik empat belas, tetapi atom dan ion +3-nya justru sedikit mengecil. Inilah kontraksi lantanida.

Penyebabnya adalah perisai yang buruk dari elektron 4f. Setiap langkah menambah satu proton dan satu elektron 4f, tetapi orbital f bersifat baur dan berbentuk janggal, sehingga hanya sedikit melindungi elektron terluar dari muatan inti yang makin besar. Karena itu muatan inti efektif yang dirasakan elektron terluar meningkat, menarik awan elektron ke dalam.

Penyusutan kecil ini meninggalkan jejak di seluruh tabel.

• Zirkonium dan hafnium bagai kembar: hafnium di periode 6 berukuran hampir persis sama dengan zirkonium tepat di atasnya di periode 5. Biasanya unsur satu periode di bawah lebih besar, tetapi kontraksi lantanida meniadakan pertambahan itu. Keduanya begitu mirip secara kimia sehingga hafnium baru ditemukan pada 1923, tersembunyi di bijih zirkonium, dan hingga kini tetap sulit dipisahkan.
• Logam periode 6 yang sangat padat: atom yang ukurannya hampir tidak bertambah sementara massanya bertambah banyak membuat osmium, iridium, dan platina luar biasa padat.
• Lantanida yang sulit dipisahkan: lantanida yang bertetangga hanya berbeda sangat sedikit ukurannya, sehingga memisahkannya secara kimia adalah pekerjaan yang melelahkan. Sebelum metode pertukaran ion dan ekstraksi pelarut matang pada pertengahan abad ke-20, memperoleh lantanida murni sangatlah sulit.

Tanah jarang yang tidak terlalu jarang

Unsur tanah jarang adalah kelima belas lantanida ditambah skandium dan itrium, total tujuh belas unsur. Skandium dan itrium adalah unsur golongan 3, tetapi keduanya terdapat dalam mineral yang sama dan ion +3-nya berperilaku serupa, sehingga dikelompokkan bersama.

Meskipun namanya demikian, tanah jarang tidak terlalu langka di kerak Bumi. Serium kira-kira semelimpah tembaga, dan bahkan yang lebih langka seperti tulium dan lutesium lebih umum daripada emas atau platina. Unsur-unsur ini disebut jarang karena endapan yang cukup pekat untuk ditambang secara ekonomis tidak umum dan karena memisahkan serta memurnikan unsur-unsur yang hampir identik ini sulit. Prometium adalah pengecualiannya: unsur ini tidak memiliki isotop stabil dan hanya terdapat di alam dalam jejak yang sangat kecil.

Sebagian besar sejarah tanah jarang berpusat di Ytterby, sebuah desa kecil di Swedia. Mineral dari tambang batu di dekatnya menghasilkan itrium, terbium, erbium, dan iterbium, dan keempatnya dinamai menurut desa itu.

Dalam industri modern, sedikit tanah jarang membuat perbedaan kinerja yang besar.

• Neodimium, praseodimium, dan disprosium: magnet permanen neodimium-besi-boron pada motor kendaraan listrik, turbin angin, earphone, dan cakram keras.
• Samarium: magnet samarium-kobalt yang tetap kuat pada suhu tinggi.
• Europium dan terbium: fosfor merah dan hijau pada layar dan lampu fluoresen.
• Erbium: penguat sinyal dalam komunikasi serat optik.
• Gadolinium: zat kontras MRI.
• Serium: bubuk pemoles kaca dan katalis gas buang kendaraan.
• Lantanum: paduan dalam baterai nikel-metal hidrida dan kaca lensa kamera berindeks bias tinggi.

Penambangan dan pemurnian sering menghasilkan limbah asam dan produk sampingan radioaktif seperti torium dan uranium, sehingga beban lingkungannya besar. Produksi dan pemurniannya juga terpusat di sejumlah kecil negara, yang menjadikan keamanan pasokan isu kebijakan di banyak tempat. Itulah salah satu alasan daur ulang tanah jarang dari barang elektronik bekas makin mendapat perhatian.

Aktinida: semuanya radioaktif

Tidak satu pun dari kelima belas aktinida memiliki isotop stabil. Namun torium dan uranium memiliki waktu paruh begitu panjang sehingga bertahan sejak Bumi terbentuk; keduanya adalah unsur primordial. Torium-232 memiliki waktu paruh sekitar 14 miliar tahun, uranium-238 sekitar 4,5 miliar tahun, dan uranium-235 sekitar 700 juta tahun. Waktu paruh yang panjang ini menjadikan isotop uranium alat kunci untuk penanggalan radiometrik batuan dan Bumi itu sendiri.

Tidak seperti lantanida, aktinida awal menunjukkan beragam bilangan oksidasi. Uranium berkisar dari +3 hingga +6 dan plutonium dari +3 hingga +7. Orbital 5f menjangkau lebih jauh dari inti daripada orbital 4f dan lebih mudah ikut dalam ikatan. Perilaku itu membuat para kimiawan awal abad ke-20 memperlakukan unsur-unsur ini sebagai kelanjutan logam transisi blok d, pandangan yang dikoreksi oleh konsep aktinida Glenn Seaborg pada 1945.

Unsur-unsur transuranium

Unsur dengan nomor atom lebih tinggi daripada uranium, 92, disebut unsur transuranium. Unsur-unsur ini hampir tidak ada di alam, dan hampir semuanya pertama kali dibuat secara buatan.

1. Pada 1940 di Berkeley, Edwin McMillan dan Philip Abelson menembaki uranium dengan neutron dan menghasilkan neptunium (93).
2. Tak lama kemudian tim Seaborg mengidentifikasi plutonium (94). Plutonium-239 mudah mengalami fisi, yang memberinya peran sangat besar dalam sejarah tenaga nuklir dan senjata nuklir.
3. Amerisium (95) dan kurium (96) menyusul sekitar 1944, serta berkelium (97) dan kalifornium (98) pada 1949–1950.
4. Einsteinium (99) dan fermium (100) pertama kali diidentifikasi pada 1952 dalam puing-puing uji coba bom hidrogen.
5. Mendelevium (101), nobelium (102), dan lawrensium (103) dibuat di pemercepat dengan menembakkan ion ringan ke inti target yang berat.

Waktu paruh umumnya makin pendek seiring naiknya nomor atom, dan jumlah atom yang dapat dibuat sekaligus turun tajam. Belum pernah ada unsur setelah fermium yang terkumpul dalam jumlah kasatmata.

Radioaktivitas dan pemanfaatannya

Unsur radioaktif berbahaya, tetapi bila perilakunya dipahami dan dikendalikan, unsur-unsur ini sangat berguna.

• Uranium-235: bahan bakar reaktor tenaga nuklir. Isotop ini hanya menyusun sekitar 0,7 persen uranium alami, sehingga bahan bakarnya biasanya diperkaya.
• Plutonium-238: bahan bakar generator termoelektrik radioisotop, yang mengubah panas peluruhan menjadi listrik. Generator ini menghidupkan wahana antariksa jauh dari Matahari dan kendaraan penjelajah di Mars.
• Amerisium-241: waktu paruh sekitar 432 tahun. Sejumlah sangat kecil dipakai dalam sebagian detektor asap ionisasi.
• Kalifornium-252: sumber neutron yang kuat yang dipakai untuk menyalakan reaktor dan menganalisis bahan.

Bahaya radiasi tidak hanya bergantung pada unsurnya, tetapi juga pada jenis radiasi (alfa, beta, atau gama), dosis, dan jalur paparannya. Pemancar alfa di luar tubuh dihentikan oleh selembar kertas, tetapi bila terhirup atau tertelan dapat menimbulkan kerusakan serius. Itulah sebabnya aktinida hanya ditangani di bawah pengaturan yang ketat.

Ringkasan

Lantanida begitu mirip satu sama lain sehingga sulit dipisahkan, tetapi perbedaan halusnya menentukan kinerja magnet, fosfor, dan laser. Aktinida semuanya radioaktif dan menjadi pusat energi nuklir, penjelajahan antariksa, dan penanggalan radiometrik. Meskipun kedua baris ini terpisah dari tabel utama, keduanya mengikuti aturan yang sama dengan semua unsur di atasnya: elektron mengisi orbital secara berurutan. Kliklah unsur-unsur blok f dan bandingkan bilangan oksidasi serta tahun penemuannya untuk melihat polanya sendiri.