Элемент 3-го периода — один из химических элементов в третьей строке (или периоде ) периодической таблицы химических элементов . Периодическая таблица выстроена в ряды, чтобы проиллюстрировать повторяющиеся (периодические) тенденции в химическом поведении элементов по мере увеличения их атомного номера: новый ряд начинается, когда химическое поведение начинает повторяться, что означает, что элементы с похожим поведением попадают в те же вертикальные столбцы. Третий период содержит восемь элементов: натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, серу, хлор и аргон. Первые два, натрий и магний, являются членами s-блока периодической таблицы, в то время как остальные являются членами p-блока . Все элементы 3-го периода встречаются в природе и имеют по крайней мере один стабильный изотоп . [1]
В квантово-механическом описании атомной структуры этот период соответствует накоплению электронов в третьей ( n = 3 ) оболочке , а точнее заполнению ее подоболочек 3s и 3p. Существует подоболочка 3d, но — в соответствии с принципом Ауфбау — она не заполняется до периода 4. Это делает все восемь элементов аналогами элементов периода 2 в той же точной последовательности. Правило октета обычно применяется к периоду 3 таким же образом, как и к элементам периода 2, потому что подоболочка 3d обычно не действует.
Натрий (символ Na ) — мягкий, серебристо-белый, высокореакционный металл, входящий в группу щелочных металлов ; его единственный стабильный изотоп — 23 Na. Это распространенный элемент, который присутствует во многих минералах, таких как полевые шпаты , содалит и каменная соль . Многие соли натрия хорошо растворимы в воде и, таким образом, присутствуют в значительных количествах в водоемах Земли, наиболее распространены в океанах в виде хлорида натрия .
Многие соединения натрия полезны, например, гидроксид натрия (щелочь) для мыловарения , а хлорид натрия используется в качестве антиобледенителя и питательного вещества. Тот же ион также является компонентом многих минералов, например, нитрата натрия .
Свободный металл, элементарный натрий, не встречается в природе, а должен быть получен из соединений натрия. Элементарный натрий был впервые выделен Гемфри Дэви в 1807 году электролизом гидроксида натрия .
Магний (символ Mg ) — щелочноземельный металл с общей степенью окисления +2. Это восьмой по распространенности элемент в земной коре [2] и девятый во всей известной Вселенной . [3] [4] Магний — четвертый по распространенности элемент на Земле в целом (после железа, кислорода и кремния), составляющий 13% массы планеты и большую часть мантии планеты . Он относительно распространен, поскольку легко образуется в сверхновых звездах путем последовательного добавления трех ядер гелия к углероду (который, в свою очередь, состоит из трех ядер гелия). Из-за высокой растворимости иона магния в воде он является третьим по распространенности элементом, растворенным в морской воде . [5]
Свободный элемент (металл) не встречается в природе на Земле, так как он очень реактивен (хотя после получения он покрывается тонким слоем оксида [см. пассивация ], который частично маскирует эту реактивность). Свободный металл горит характерным ярким белым светом, что делает его полезным ингредиентом в сигнальных ракетах. В настоящее время металл в основном получают электролизом солей магния, полученных из рассола . В коммерческих целях основное применение металла — в качестве легирующего агента для изготовления алюминиево -магниевых сплавов, иногда называемых « магналием » или «магнелием». Поскольку магний менее плотный, чем алюминий, эти сплавы ценятся за их относительную легкость и прочность.
Ионы магния кислые на вкус и в низких концентрациях помогают придать пресным минеральным водам естественную терпкость .
Алюминий (символ Al ) или алюминий ( американский английский ) — серебристо-белый член группы химических элементов бора и металл p-блока, классифицируемый некоторыми химиками как постпереходный металл. [6] Он не растворяется в воде при нормальных условиях. Алюминий является третьим по распространенности элементом (после кислорода и кремния ) и самым распространенным металлом в земной коре . Он составляет около 8% от веса твердой поверхности Земли. Металлический алюминий слишком химически активен, чтобы встречаться в естественном виде. Вместо этого он встречается в сочетании с более чем 270 различными минералами . [7] Главной рудой алюминия является боксит .
Алюминий примечателен своей низкой плотностью и способностью противостоять коррозии благодаря явлению пассивации . Конструкционные элементы из алюминия и его сплавов жизненно важны для аэрокосмической промышленности и важны в других областях транспорта и конструкционных материалов. Наиболее полезными соединениями алюминия, по крайней мере по весу, являются оксиды и сульфаты.
Кремний (символ Si ) — металлоид 14-й группы . Он менее реактивен, чем его химический аналог углерод , неметалл, расположенный непосредственно над ним в периодической таблице, но более реактивен, чем германий , металлоид, расположенный непосредственно под ним в таблице. Споры о характере кремния начались с момента его открытия: кремний был впервые получен и охарактеризован в чистом виде в 1824 году и получил название кремний (от латинского : silicis , кремень), с окончанием -ium , указывающим на металл. Однако его окончательное название, предложенное в 1831 году, отражает более химически схожие элементы углерод и бор.
Кремний является восьмым по распространенности элементом во Вселенной по массе, но очень редко встречается в чистом свободном виде в природе. Он наиболее широко распространен в пыли , песках , планетоидах и планетах в виде различных форм диоксида кремния (кремнезема) или силикатов . Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов , что делает кремний вторым по распространенности элементом в земной коре (около 28% по массе) после кислорода . [8]
Большая часть кремния используется в коммерческих целях без разделения, и действительно часто с небольшой обработкой соединений из природы. К ним относятся прямое промышленное использование глины , кварцевого песка и камня . Кремний используется в керамическом кирпиче . Силикат входит в портландцемент для раствора и штукатурки , а также в сочетании с кварцевым песком и гравием для изготовления бетона . Силикаты также присутствуют в керамике для фаянса, такой как фарфор , и в традиционном кварцевом натриево -известковом стекле . Более современные соединения кремния, такие как карбид кремния , образуют абразивы и высокопрочную керамику. Кремний является основой вездесущих синтетических полимеров на основе кремния, называемых силиконами .
Элементарный кремний также оказывает большое влияние на современную мировую экономику. Хотя большая часть свободного кремния используется в очистке стали, литье алюминия и тонкой химической промышленности (часто для производства пирогенного кремния ), относительно небольшая часть очень высокоочищенного кремния, используемого в полупроводниковой электронике (<10%), возможно, даже более важна. Из-за широкого использования кремния в интегральных схемах , основе большинства компьютеров, большая часть современных технологий зависит от него.
Фосфор (символ P ) — многовалентный неметалл из группы азота , фосфор как минерал почти всегда присутствует в максимально окисленном ( пятивалентном ) состоянии, в виде неорганических фосфатных пород . Элементарный фосфор существует в двух основных формах — белый фосфор и красный фосфор , — но из-за своей высокой реакционной способности фосфор никогда не встречается в виде свободного элемента на Земле.
Первая полученная форма элементарного фосфора (белый фосфор, в 1669 году) испускает слабое свечение при воздействии кислорода — отсюда его название, полученное из греческой мифологии, Φωσφόρος , что означает «носитель света» (лат. Lucifer ), отсылающее к « Утренней звезде », планете Венера . Хотя термин « фосфоресценция », означающий свечение после освещения, происходит от этого свойства фосфора, свечение фосфора возникает в результате окисления белого (но не красного) фосфора и должно называться хемилюминесценцией . Это также самый легкий элемент, который легко производит стабильные исключения из правила октета .
Подавляющее большинство фосфорных соединений потребляется в качестве удобрений. Другие применения включают роль фосфорорганических соединений в моющих средствах , пестицидах и нервно-паралитических агентах и спичках . [9]
Сера (символ S ) — распространенный многовалентный неметалл, один из халькогенов . При нормальных условиях атомы серы образуют циклические восьмиатомные молекулы с химической формулой S8 . Элементарная сера представляет собой ярко-желтое кристаллическое вещество при комнатной температуре. Химически сера может реагировать как окислитель, так и восстановитель . Она окисляет большинство металлов и несколько неметаллов , включая углерод, что приводит к ее отрицательному заряду в большинстве сероорганических соединений , но она восстанавливает несколько сильных окислителей, таких как кислород и фтор .
В природе сера встречается как чистый элемент, а также в виде сульфидных и сульфатных минералов. Элементарные кристаллы серы обычно востребованы коллекционерами минералов из-за их ярко окрашенных многогранных форм. Будучи широко распространенной в самородной форме, сера была известна в древние времена, упоминалась для ее использования в Древней Греции , Китае и Египте . Пары серы использовались в качестве фумигантов, а серосодержащие лекарственные смеси использовались в качестве бальзамов и противопаразитарных средств. Сера упоминается в Библии как сера на английском языке , и это название все еще используется в нескольких ненаучных терминах. [10] Сера считалась достаточно важной, чтобы получить свой собственный алхимический символ . Она была необходима для изготовления наилучшего качества черного пороха , и ярко-желтый порошок, как предполагали алхимики, содержал некоторые свойства золота, которое они пытались синтезировать из него. В 1777 году Антуан Лавуазье помог убедить научное сообщество, что сера была основным элементом, а не соединением.
Элементарную серу когда-то извлекали из соляных куполов , где она иногда встречается почти в чистом виде, но этот метод устарел с конца 20-го века. Сегодня почти вся элементарная сера производится как побочный продукт удаления серосодержащих загрязняющих веществ из природного газа и нефти . Коммерческое использование элемента в основном в удобрениях из-за относительно высокой потребности растений в нем, а также в производстве серной кислоты , основного промышленного химиката. Другие известные применения элемента - в спичках , инсектицидах и фунгицидах . Многие соединения серы являются пахучими, и запах одорированного природного газа, запах скунса, грейпфрута и чеснока обусловлен соединениями серы. Сероводород, вырабатываемый живыми организмами, придает характерный запах гниющим яйцам и другим биологическим процессам.
Хлор (символ Cl ) — второй по легкости галоген . Элемент образует двухатомные молекулы при стандартных условиях , называемые дихлором. Он имеет самое высокое сродство к электрону и одну из самых высоких электроотрицательностей среди всех элементов; таким образом, хлор является сильным окислителем .
Наиболее распространенное соединение хлора, хлорид натрия ( поваренная соль ), известно с древних времен; однако, около 1630 года, газообразный хлор был получен бельгийским химиком и врачом Яном Баптистом ван Гельмонтом. Синтез и характеристика элементарного хлора произошли в 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, который назвал его «дефлогистированным солянокислым воздухом», так как он думал, что синтезировал оксид, полученный из соляной кислоты , поскольку в то время считалось, что кислоты обязательно содержат кислород. Ряд химиков, включая Клода Бертолле, предположили, что «дефлогистированный солянокислый воздух» Шееле должен быть комбинацией кислорода и еще не открытого элемента, и Шееле назвал предполагаемый новый элемент в этом оксиде как muriaticum . Предположение о том, что этот недавно открытый газ был простым элементом, было сделано в 1809 году Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи-Жаком. Это подтвердил в 1810 году сэр Гемфри Дэви , который назвал его хлором, от греческого слова χλωρός (chlōros), что означает «зелено-желтый».
Хлор является компонентом многих других соединений. Это второй по распространенности галоген и 21-й по распространенности элемент в земной коре. Большая окислительная способность хлора привела к его отбеливанию и использованию в качестве дезинфицирующего средства, а также к тому, что он является важным реагентом в химической промышленности. В качестве обычного дезинфицирующего средства соединения хлора используются в плавательных бассейнах для поддержания их чистоты и санитарии . В верхних слоях атмосферы хлорсодержащие молекулы, такие как хлорфторуглероды, были вовлечены в истощение озонового слоя .
Аргон (символ Ar ) — третий элемент в группе 18, благородных газах . Аргон — третий по распространенности газ в атмосфере Земли , его содержание составляет 0,93%, что делает его более распространенным, чем углекислый газ . Почти весь этот аргон — это радиогенный аргон-40, полученный при распаде калия-40 в земной коре. Во Вселенной аргон-36 — безусловно, самый распространенный изотоп аргона, являющийся предпочтительным изотопом аргона, полученным в результате звездного нуклеосинтеза .
Название «аргон» происходит от греческого прилагательного среднего рода ἀργόν , означающего «ленивый» или «неактивный», поскольку элемент практически не вступает в химические реакции. Полный октет (восемь электронов) во внешней атомной оболочке делает аргон стабильным и устойчивым к связыванию с другими элементами. Его температура тройной точки 83,8058 К является определяющей фиксированной точкой в Международной шкале температур 1990 года .
Аргон производится в промышленных масштабах путем фракционной перегонки жидкого воздуха . Аргон в основном используется в качестве инертного защитного газа при сварке и других высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реактивными: например, атмосфера аргона используется в графитовых электропечах для предотвращения возгорания графита. Газ аргон также используется в лампах накаливания и люминесцентных лампах, а также в других типах газоразрядных трубок. Аргон создает отличительный сине-зеленый газовый лазер .
Натрий является необходимым элементом для всех животных и некоторых растений. У животных ионы натрия используются против ионов калия для создания зарядов на клеточных мембранах , что позволяет передавать нервные импульсы, когда заряд рассеивается; поэтому он классифицируется как диетический неорганический макроминерал.
Магний является одиннадцатым наиболее распространенным элементом по массе в организме человека ; его ионы необходимы для всех живых клеток , где они играют важную роль в манипулировании важными биологическими полифосфатными соединениями, такими как АТФ , ДНК и РНК . Таким образом, сотни ферментов требуют ионов магния для функционирования. Магний также является металлическим ионом в центре хлорофилла и, таким образом, является распространенной добавкой к удобрениям . [11] Соединения магния используются в медицине в качестве обычных слабительных , антацидов (например, молоко магнезии ) и в ряде ситуаций, когда требуется стабилизация аномального нервного возбуждения и спазма кровеносных сосудов (например, для лечения эклампсии ).
Несмотря на свою распространенность в окружающей среде, соли алюминия, как известно, не используются какой-либо формой жизни. В соответствии со своей распространенностью, они хорошо переносятся растениями и животными. [12] Из-за своей распространенности потенциальные полезные (или иные) биологические роли соединений алюминия продолжают вызывать интерес.
Кремний является важным элементом в биологии, хотя, по-видимому, только крошечные его следы требуются животным, [13] хотя различным морским губкам кремний нужен для структуры. Он гораздо важнее для метаболизма растений, особенно многих трав, а кремниевая кислота (тип кремния) образует основу поразительного множества защитных оболочек микроскопических диатомовых водорослей .
Фосфор необходим для жизни. Как фосфат, он является компонентом ДНК , РНК , АТФ , а также фосфолипидов , которые образуют все клеточные мембраны. Демонстрируя связь между фосфором и жизнью, элементарный фосфор был исторически впервые выделен из мочи человека, а костная зола была важным ранним источником фосфата. Фосфатные минералы являются ископаемыми. Низкий уровень фосфата является важным ограничением роста в некоторых водных системах. Сегодня наиболее важным коммерческим использованием химикатов на основе фосфора является производство удобрений для замены фосфора, который растения удаляют из почвы.
Сера является необходимым элементом для всей жизни и широко используется в биохимических процессах. В метаболических реакциях соединения серы служат как топливом, так и дыхательными (замещающими кислород) материалами для простых организмов. Сера в органической форме присутствует в витаминах биотине и тиамине , последний назван в честь греческого слова, обозначающего серу. Сера является важной частью многих ферментов и антиоксидантных молекул, таких как глутатион и тиоредоксин . Органически связанная сера является компонентом всех белков, таких как аминокислоты цистеин и метионин . Дисульфидные связи в значительной степени отвечают за механическую прочность и нерастворимость белка кератина , обнаруженного во внешней коже, волосах и перьях, и этот элемент способствует их резкому запаху при сжигании.
Элементарный хлор чрезвычайно опасен и ядовит для всех форм жизни и используется в качестве легочного отравляющего вещества в химической войне ; однако хлор необходим большинству форм жизни, включая человека, в форме ионов хлора .
Аргон не имеет биологической роли. Как и любой газ, кроме кислорода, аргон является удушающим .