Элемент периода 4 - Period 4 element
Часть серии о |
Периодическая таблица |
---|
Период 4 элемента является одним из химических элементов , в четвертой строке (или период ) в периодической таблице элементов . Таблица Менделеева выстроена в ряды, чтобы проиллюстрировать повторяющиеся (периодические) тенденции в химическом поведении элементов по мере увеличения их атомного номера: новая строка начинается, когда химическое поведение начинает повторяться, что означает, что элементы с аналогичным поведением попадают в одно и то же вертикальные колонны. Четвертый период содержит 18 элементов, начиная с калия и заканчивая криптоном - по одному элементу для каждой из восемнадцати групп . Он видит первое появление d-блока (который включает переходные металлы ) в таблице.
Характеристики
Каждый из этих элементов стабилен , и многие из них чрезвычайно распространены в земной коре и / или ядре; это последний период без каких-либо нестабильных элементов. Многие переходные металлы в периоде 4 очень прочные и поэтому обычно используются в промышленности, особенно железо . Известно, что три соседних элемента токсичны: мышьяк - один из самых известных ядов , селен в больших количествах токсичен для человека, а бром - токсичная жидкость. Многие элементы необходимы для выживания человека, например, кальций, из которого состоят кости.
Атомная структура
Продвигаясь к увеличению атомного номера , принцип Ауфбау заставляет элементы периода помещать электроны на подоболочки 4s, 3d и 4p в указанном порядке. Однако есть исключения, например, хром . Первые двенадцать элементы- К , Са , и переходные металлы -Иметь от 1 до 12 валентных электронов соответственно, которые размещены на 4s и 3d.
Двенадцать электронов по электронной конфигурации из аргона достигают конфигурации цинка , а именно 3d 10 4s 2 . После этого элемента заполненная трехмерная подоболочка фактически уходит от химии, и последующий тренд очень похож на тенденции в периодах 2 и 3 . Элементы p-блока периода 4 имеют свою валентную оболочку, состоящую из подоболочки 4s и 4p четвертой ( n = 4 ) оболочки, и подчиняются правилу октетов .
Для квантовой химии именно в этот период происходит переход от упрощенной парадигмы электронных оболочек к исследованию множества подоболочек различной формы , относительное расположение энергетических уровней которых определяется взаимодействием различных физических эффектов. Металлы s-блока периода помещают свой дифференцирующий электрон на 4s, имеющие вакансии среди номинально более низких n = 3 состояний - явление, невидимое для более легких элементов. Напротив, шесть элементов от галлия до криптона являются самыми тяжелыми, если все электронные оболочки ниже валентной оболочки полностью заполнены . Это невозможно в последующие периоды из-за существования f-подоболочки, начиная с n = 4 .
Список элементов
Химический элемент Блокировать Электронная конфигурация 19 K Калий s-блок [Ar] 4s 1 20 Ca Кальций s-блок [Ar] 4s 2 21 год Sc Скандий d-блок [Ar] 3d 1 4s 2 22 Ti Титана d-блок [Ar] 3d 2 4s 2 23 V Ванадий d-блок [Ar] 3d 3 4s 2 24 Cr Хром d-блок [Ar] 3d 5 4s 1 (*) 25 Mn Марганец d-блок [Ar] 3d 5 4s 2 26 год Fe Железо d-блок [Ar] 3d 6 4s 2 27 Co Кобальт d-блок [Ar] 3d 7 4s 2 28 год Ni Никель d-блок [Ar] 3d 8 4s 2 29 Cu Медь d-блок [Ar] 3d 10 4s 1 (*) 30 Zn Цинк d-блок [Ar] 3d 10 4s 2 31 год Ga Галлий p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 1 32 Ge Германий p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 33 В качестве Мышьяк p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 3 34 Se Селен p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 4 35 год Br Бром p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 36 Kr Криптон p-блок [Ar] 3d 10 4s 2 4p 6
(*) Исключение из правила Маделунга
s-блочные элементы
Калий
Калий (K) - щелочной металл , расположенный под натрием и над рубидием , и является первым элементом периода 4. Это один из наиболее реактивных элементов в периодической таблице, поэтому обычно встречается только в соединениях . Он очень быстро окисляется на воздухе, что объясняет его быструю реакцию с кислородом при контакте с воздухом. На свежем воздухе он довольно серебристый, но быстро начинает тускнеть, поскольку вступает в реакцию с воздухом. Он достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать ножом, и это второй наименее плотный элемент. Калий имеет относительно низкую температуру плавления ; он растает, просто поместив его под небольшой открытый огонь. Он также менее плотен, чем вода, и, в свою очередь, может плавать.
Кальций
Кальций (Ca) - второй элемент в периоде. Щелочноземельный металл , кальций почти никогда не встречается в природе из - за его высокой реакционной способности с водой. Он играет одну из наиболее широко известных и признанных биологических ролей у всех животных и некоторых растений, составляя кости и зубы, и используется в некоторых приложениях в клетках , таких как сигналы для клеточных процессов . Он считается самым распространенным минералом в массе тела.
элементы d-блока
Скандий
Скандий (Sc) - третий элемент в периоде и первый переходный металл в периодической таблице. Скандий довольно распространен в природе, но его трудно выделить, поскольку он наиболее распространен в соединениях редкоземельных элементов, из которых трудно выделить элементы. Из-за вышеупомянутых фактов у скандия очень мало коммерческих применений, и в настоящее время его единственное основное применение - это алюминиевые сплавы.
Титана
Титан (Ti) входит в группу 4 . Титан - один из наименее плотных металлов, а также один из самых прочных и устойчивых к коррозии, и поэтому он имеет множество применений, особенно в сплавах с другими элементами, такими как железо. Благодаря своим вышеупомянутым свойствам он обычно используется в самолетах , клюшках для гольфа и других объектах, которые должны быть прочными, но легкими.
Ванадий
Ванадий (V) входит в группу 5 . Ванадий никогда не встречается в природе в чистом виде, но обычно содержится в соединениях. Ванадий во многом похож на титан, например, он очень устойчив к коррозии, однако, в отличие от титана, он окисляется на воздухе даже при комнатной температуре. Все соединения ванадия обладают по крайней мере некоторым уровнем токсичности, а некоторые из них чрезвычайно токсичны.
Хром
Хром (Cr) - это элемент группы 6 . Хром, как титан и ванадий до него, чрезвычайно устойчив к коррозии и действительно является одним из основных компонентов нержавеющей стали . Хром также имеет много красочных соединений и поэтому очень часто используется в пигментах, таких как хромовый зеленый .
Марганец
Марганец (Mn) - элемент 7 группы . Марганец часто встречается в сочетании с железом. Марганец, как и предшествующий ему хром, является важным компонентом нержавеющей стали , предотвращающим ржавление железа. Марганец также часто используется в пигментах, опять же, как хром. Марганец также ядовит; если вдыхать достаточно, это может вызвать необратимые неврологические нарушения.
Железо
Железо (Fe) входит в группу 8 . Железо является самым распространенным на Земле элементом того периода и, вероятно, самым известным из них. Это основной компонент стали . Железо-56 имеет самую низкую плотность энергии среди изотопов любого элемента, а это означает, что это самый массивный элемент, который может быть произведен в звездах- сверхгигантах . Железо также находит применение в организме человека; гемоглобин частично состоит из железа.
Кобальт
Кобальт (Co) входит в группу 9 . Кобальт обычно используется в пигментах, так как многие соединения кобальта имеют синий цвет. Кобальт также является основным компонентом многих магнитных и высокопрочных сплавов. Единственный стабильный изотоп, кобальт-59 , является важным компонентом витамина B-12 , в то время как кобальт-60 является компонентом ядерных осадков и может быть опасен в достаточно больших количествах из-за своей радиоактивности.
Никель
Никель (Ni) входит в группу 10 . Никель редко встречается в земной коре, в основном из-за того, что он реагирует с кислородом воздуха, при этом большая часть никеля на Земле поступает из никелево-железных метеоритов . Однако в ядре Земли никеля очень много ; наряду с железом это один из двух основных компонентов. Никель - важный компонент нержавеющей стали и многих суперсплавов .
Медь
Медь (Cu) входит в группу 11 . Медь - один из немногих металлов, который не имеет белого или серого цвета, кроме золота и цезия . Медь использовалась людьми в течение тысяч лет для придания красноватого оттенка многим объектам и даже является важным питательным веществом для человека, хотя слишком много ядовито. Медь также обычно используется в качестве консерванта для древесины или фунгицидов .
Цинк
Цинк (Zn) входит в группу 12 . Цинк - один из основных компонентов латуни , используемой с 10 века до нашей эры. Цинк также невероятно важен для человека; почти 2 миллиарда человек в мире страдают от дефицита цинка. Однако слишком много цинка может вызвать дефицит меди. Цинк часто используется в батареях, удачно названных углеродно-цинковыми батареями , и важен для многих покрытий, поскольку цинк очень устойчив к коррозии.
p-блочные элементы
Галлий
Галлий (Ga) - это элемент 13 группы , относящейся к алюминию . Галлий примечателен тем, что он имеет температуру плавления около 303 кельвина , примерно при комнатной температуре. Например, в обычный весенний день он будет твердым, а в жаркий летний день - жидким. Галлий является важным компонентом сплава галинстан , наряду с оловом. Галлий также можно найти в полупроводниках.
Германий
Германий (Ge) входит в группу 14 . Германий, как и кремний над ним, является важным полупроводником и обычно используется в диодах и транзисторах, часто в сочетании с мышьяком. Германий довольно редко встречается на Земле, что привело к его сравнительно позднему открытию. Германий в соединениях иногда может раздражать глаза, кожу или легкие.
Мышьяк
Мышьяк (As) входит в группу 15 . Мышьяк, как упоминалось выше, часто используется в полупроводниках в сплавах с германием. Мышьяк в чистом виде и в некоторых сплавах невероятно ядовит для всей многоклеточной жизни и, как таковой, является обычным компонентом пестицидов. Мышьяк также использовался в некоторых пигментах до того, как была обнаружена его токсичность.
Селен
Селен (Se) входит в группу 16 . Селен - первый неметалл в период 4, со свойствами, подобными сере . Селен довольно редко встречается в природе в чистом виде, в основном он содержится в минералах, таких как пирит , и даже в этом случае довольно редко. Селен необходим человеку в следовых количествах, но в больших количествах он токсичен. Селен - халькоген. Селен имеет красный цвет в мономолярной структуре, но металлический серый в своей кристаллической структуре.
Бром
Бром (Br) - элемент 17 группы (галоген) . Он не существует в природе в элементарной форме. Бром почти жидкий при комнатной температуре, его температура кипения составляет около 330 кельвинов. Бром также довольно токсичен и вызывает коррозию, но ионы брома, которые относительно инертны, можно найти в галите или поваренной соли. Бром часто используется в качестве антипирена, потому что многие соединения могут быть созданы для высвобождения свободных атомов брома.
Криптон
Криптон (Kr) - благородный газ , помещенный в атмосферу аргона и ксенона . Как благородный газ, криптон редко взаимодействует с самим собой или другими элементами; Хотя соединения были обнаружены, все они нестабильны и быстро распадаются, поэтому криптон часто используется в люминесцентных лампах. Криптон, как и большинство благородных газов, также используется в освещении из-за множества спектральных линий и по вышеупомянутым причинам.
Биологическая роль
Многие элементы периода 4 играют роль в контроле функции белков в качестве вторичных мессенджеров , структурных компонентов или кофакторов ферментов . Градиент калия используется клетками для поддержания мембранного потенциала, который позволяет активировать нейромедиатор и облегчает диффузию среди других процессов. Кальций является обычной сигнальной молекулой для белков, таких как кальмодулин, и играет важную роль в запуске сокращения скелетных мышц у позвоночных. Селен является компонентом неканонической аминокислоты , селеноцистеин ; белки, содержащие селеноцистеин, известны как селенопротеины . Ферменты марганца используются как эукариотами, так и прокариотами и могут играть роль в вирулентности некоторых патогенных бактерий. Ванабины , также известные как белки, связанные с ванадием, обнаруживаются в клетках крови некоторых видов морских брызг . Роль этих белков оспаривается, хотя есть некоторые предположения, что они действуют как переносчики кислорода. Ионы цинка используются для стабилизации среды цинковых пальцев многих ДНК-связывающих белков .
Элементы периода 4 также могут быть обнаружены в комплексе с небольшими органическими молекулами с образованием кофакторов. Самым известным примером этого является гем : железосодержащее порфириновое соединение, ответственное за переносящую кислород функцию миоглобина и гемоглобина, а также за каталитическую активность ферментов цитохрома . Гемоцианин заменяет гемоглобин в качестве предпочтительного переносчика кислорода в крови некоторых беспозвоночных, включая подковообразных крабов , птицеедов и осьминогов . Витамин B 12 представляет собой одно из немногих биохимических применений кобальта.
использованная литература
- ^ «Список элементов Периодической таблицы - отсортированный по изобилию в земной коре» . Science.co.il . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ Грей, Теодор (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2.
- ^ "Элементы в современной периодической таблице, Периодическая классификация элементов" . Tutorvista.com . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ "Это Элементаль - Элемент Калий" . Education.jlab.org . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ «Калий, химический элемент - обзор, открытие и наименование, физические свойства, химические свойства, встречаемость в природе, изотопы» . Chemistryexplained.com . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ «Калий (K) - Химические свойства, воздействие на здоровье и окружающую среду» . Lenntech.com . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ «Реакции элементов 2-й группы с водой» . Chemguide.co.uk . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ «Глава 11. Кальций» . Fao.org . Проверено 14 августа 2012 .
- ^ Махлынец Ольга; Boal, Amie K .; Rhodes, Delacy V .; Котенок, Тодд; Розенцвейг, Эми С.; Стуббе, Джоанна (28 февраля 2014 г.). «Рибонуклеотидредуктаза Streptococcus sanguinis класса Ib: высокая активность с кофакторами железа и марганца и структурные идеи» . Журнал биологической химии . 289 (9): 6259–6272. DOI : 10.1074 / jbc.M113.533554 . ISSN 1083-351X . PMC 3937692 . PMID 24381172 .
- ^ Капуто, Грегори А .; Ваден, Тимоти Д .; Калабро, Энтони; Ли, Джошуа Ю.; Кон, Эрик М. (декабрь 2018 г.). «Диссоциация гема из миоглобина в присутствии цвиттерионного детергента N, N-диметил-N-додецилглицин бетаин: эффекты ионных жидкостей» . Биомолекулы . 8 (4): 126. DOI : 10,3390 / biom8040126 . PMC 6315634 . PMID 30380655 .