Lantanídeos e actinídeos: um guia do bloco f

As duas linhas separadas sob a tabela periódica podem parecer um apêndice, mas abrigam alguns dos elementos mais importantes da tecnologia e da energia modernas. Os ímãs de celulares e de motores de carros elétricos, o combustível das usinas nucleares e as fontes de energia das sondas do espaço profundo vêm todos dessas linhas. Juntas, elas formam o bloco f, onde os elétrons preenchem os orbitais f. A linha de cima são os lantanídeos, e a de baixo, os actinídeos.

Estrutura do bloco f

Há sete orbitais f, com capacidade para até catorze elétrons. Os lantanídeos vão do lantânio (57) ao lutécio (71), e os actinídeos do actínio (89) ao laurêncio (103), quinze elementos em cada série pela convenção habitual de incluir o primeiro elemento.

Os orbitais 4f preenchidos ao longo dos lantanídeos ficam no fundo do átomo, blindados pelos elétrons 5s e 5p externos. Os elétrons que participam da química são principalmente os externos, por isso os lantanídeos são notavelmente parecidos entre si. A maioria existe como íons +3. As exceções, como o cério no estado +4 e o európio no estado +2, estão ligadas a subcamadas f que ficam vazias, semipreenchidas ou cheias.

A contração lantanídica

Do lantânio ao lutécio, o número atômico aumenta catorze unidades, mas os átomos e seus íons +3 ficam ligeiramente menores. Essa é a contração lantanídica.

A causa é a blindagem deficiente dos elétrons 4f. Cada passo acrescenta um próton e um elétron 4f, mas os orbitais f são difusos e de formato desajeitado, por isso pouco protegem os elétrons externos da carga nuclear crescente. A carga nuclear efetiva sentida pelos elétrons externos aumenta, então, puxando a nuvem eletrônica para dentro.

Essa pequena contração deixa marcas em toda a tabela.

Zircônio e háfnio como gêmeos: o háfnio, no período 6, tem quase exatamente o mesmo tamanho do zircônio logo acima, no período 5. Normalmente, um elemento um período abaixo é maior, mas a contração lantanídica anula esse aumento. Os dois são tão parecidos quimicamente que o háfnio só foi descoberto em 1923, escondido em minérios de zircônio, e continuam difíceis de separar.
Metais muito densos no período 6: átomos que quase não crescem de tamanho enquanto ganham muita massa tornam o ósmio, o irídio e a platina excepcionalmente densos.
Lantanídeos difíceis de separar: lantanídeos vizinhos diferem muito pouco em tamanho, o que torna sua separação química um trabalho minucioso. Antes que os métodos de troca iônica e extração por solvente amadurecessem, em meados do século XX, obter um lantanídeo puro era extremamente trabalhoso.

Terras-raras que não são tão raras

Os elementos de terras-raras são os quinze lantanídeos mais o escândio e o ítrio, dezessete ao todo. O escândio e o ítrio são elementos do grupo 3, mas ocorrem nos mesmos minerais e seus íons +3 se comportam de forma semelhante, por isso são agrupados.

Apesar do nome, as terras-raras não são especialmente escassas na crosta terrestre. O cério é mais ou menos tão abundante quanto o cobre, e mesmo as mais escassas, como o túlio e o lutécio, são mais comuns que o ouro ou a platina. São chamadas de raras porque jazidas economicamente concentradas são incomuns e porque separar e refinar esses elementos quase idênticos é difícil. O promécio é a exceção: não tem isótopos estáveis e ocorre na natureza apenas em traços mínimos.

Boa parte da história das terras-raras gira em torno de Ytterby, uma pequena aldeia da Suécia. Minerais de uma pedreira próxima renderam o ítrio, o térbio, o érbio e o itérbio, e os quatro receberam o nome da aldeia.

Na indústria moderna, pequenas quantidades de terras-raras fazem grande diferença no desempenho.

Neodímio, praseodímio e disprósio: ímãs permanentes de neodímio-ferro-boro em motores de veículos elétricos, turbinas eólicas, fones de ouvido e discos rígidos.
Samário: ímãs de samário-cobalto que mantêm a força em altas temperaturas.
Európio e térbio: fósforos vermelhos e verdes em telas e lâmpadas fluorescentes.
Érbio: amplificadores de sinal na comunicação por fibra óptica.
Gadolínio: contrastes para ressonância magnética.
Cério: pó de polimento de vidro e catalisadores automotivos.
Lantânio: ligas em baterias de níquel-hidreto metálico e vidro de alto índice de refração para lentes de câmeras.

A mineração e o refino costumam gerar resíduos ácidos e subprodutos radioativos como tório e urânio, por isso o impacto ambiental é significativo. A produção e o refino também se concentram em poucos países, o que tornou a segurança do abastecimento uma questão política em muitos lugares. Esse é um dos motivos pelos quais a reciclagem de terras-raras de eletrônicos descartados vem atraindo atenção.

Actinídeos: todos radioativos

Nenhum dos quinze actinídeos tem isótopo estável. O tório e o urânio, porém, têm meias-vidas tão longas que sobreviveram desde a formação da Terra; são elementos primordiais. O tório-232 tem meia-vida de cerca de 14 bilhões de anos, o urânio-238 de cerca de 4,5 bilhões de anos e o urânio-235 de cerca de 700 milhões de anos. Essas meias-vidas longas fazem dos isótopos de urânio uma ferramenta-chave para a datação radiométrica das rochas e da própria Terra.

Ao contrário dos lantanídeos, os primeiros actinídeos apresentam uma grande variedade de estados de oxidação. O urânio vai de +3 a +6, e o plutônio de +3 a +7. Os orbitais 5f se estendem mais longe do núcleo que os 4f e participam das ligações com mais facilidade. Esse comportamento levou os químicos do início do século XX a tratar esses elementos como uma extensão dos metais de transição do bloco d, visão corrigida pelo conceito de actinídeos de Glenn Seaborg, em 1945.

Os elementos transurânicos

Os elementos com número atômico maior que o 92 do urânio são chamados de elementos transurânicos. São praticamente ausentes na natureza, e quase todos foram produzidos primeiro de forma artificial.

Em 1940, em Berkeley, Edwin McMillan e Philip Abelson bombardearam urânio com nêutrons e produziram o netúnio (93).
Pouco depois, a equipe de Seaborg identificou o plutônio (94). O plutônio-239 sofre fissão com facilidade, o que lhe deu um papel desproporcional na história da energia nuclear e das armas nucleares.
O amerício (95) e o cúrio (96) vieram por volta de 1944, e o berquélio (97) e o califórnio (98) em 1949–1950.
O einstênio (99) e o férmio (100) foram identificados pela primeira vez em 1952, nos detritos de um teste de bomba de hidrogênio.
O mendelévio (101), o nobélio (102) e o laurêncio (103) foram produzidos em aceleradores disparando íons leves contra núcleos-alvo pesados.

As meias-vidas geralmente encurtam à medida que o número atômico aumenta, e o número de átomos que podem ser produzidos de uma vez cai drasticamente. Nenhum elemento além do férmio jamais foi reunido em quantidade visível.

Radioatividade e seus usos

Os elementos radioativos são perigosos, mas, quando seu comportamento é compreendido e controlado, são extremamente úteis.

Urânio-235: combustível de reatores nucleares de potência. Representa apenas cerca de 0,7% do urânio natural, por isso o combustível costuma ser enriquecido.
Plutônio-238: combustível de geradores termoelétricos de radioisótopos, que transformam o calor de decaimento em eletricidade. Eles alimentaram sondas do espaço profundo longe do Sol e rovers em Marte.
Amerício-241: meia-vida de cerca de 432 anos. Uma quantidade mínima é usada em alguns detectores de fumaça por ionização.
Califórnio-252: uma forte fonte de nêutrons usada para dar partida em reatores e analisar materiais.

O perigo da radiação depende não só do elemento, mas do tipo de radiação (alfa, beta ou gama), da dose e da via de exposição. Um emissor alfa fora do corpo é detido por uma folha de papel, mas inalado ou ingerido pode causar danos graves. É por isso que os actinídeos só são manuseados sob regulamentação rigorosa.

Resumo

Os lantanídeos são tão parecidos que são difíceis de separar, mas suas sutis diferenças decidem o desempenho de ímãs, fósforos e lasers. Os actinídeos são todos radioativos e são centrais para a energia nuclear, a exploração espacial e a datação radiométrica. Embora as duas linhas fiquem separadas da tabela principal, seguem a mesma regra de tudo o que está acima delas: os elétrons preenchem os orbitais em ordem. Clique nos elementos do bloco f e compare seus estados de oxidação e datas de descoberta para ver o padrão por conta própria.