Элемент периода 4 - Period 4 element

Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон

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-2.jpg

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 унтер Аргон Schutzgasatmosphäre.jpg

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 сублимированный дендритным и кубическим размером 1 см3.jpg

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-хрустальный слиток.JPG

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 etched.jpg

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

Кристаллы хрома и 1см3 куб.jpg

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 электролитический и 1см3 куб.jpg

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 электролитическое и 1см3 куб.jpg

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 электролитический и 1см3 куб.jpg

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 chunk.jpg

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

NatCopper.jpg

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

Сублимированный фрагмент цинка и куб размером 1см3.jpg

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

Кристаллы галлия.jpg

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

Поликристаллический-германий.jpg

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

Арсен 1a.jpg

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

SeBlackRed.jpg

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 25ml.jpg

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

Криптоновая газоразрядная трубка.jpg

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

  1. ^ «Список элементов Периодической таблицы - отсортированный по изобилию в земной коре» . Science.co.il . Проверено 14 августа 2012 .
  2. ^ Грей, Теодор (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2.
  3. ^ "Элементы в современной периодической таблице, Периодическая классификация элементов" . Tutorvista.com . Проверено 14 августа 2012 .
  4. ^ "Это Элементаль - Элемент Калий" . Education.jlab.org . Проверено 14 августа 2012 .
  5. ^ «Калий, химический элемент - обзор, открытие и наименование, физические свойства, химические свойства, встречаемость в природе, изотопы» . Chemistryexplained.com . Проверено 14 августа 2012 .
  6. ^ «Калий (K) - Химические свойства, воздействие на здоровье и окружающую среду» . Lenntech.com . Проверено 14 августа 2012 .
  7. ^ «Реакции элементов 2-й группы с водой» . Chemguide.co.uk . Проверено 14 августа 2012 .
  8. ^ «Глава 11. Кальций» . Fao.org . Проверено 14 августа 2012 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .