Элемент периода 4 — это один из химических элементов четвертого ряда (или периода ) периодической таблицы химических элементов . Таблица Менделеева расположена в строках, 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 со сходным поведением попадают в одну и ту же группу. вертикальные колонны. Четвертый период содержит 18 элементов, начиная с калия и заканчивая криптоном — по одному элементу на каждую из восемнадцати групп . В таблице впервые появляется d-блок (который включает переходные металлы ).
Все элементы 4 -го периода стабильны , [1] и многие из них чрезвычайно распространены в земной коре и/или ядре ; это последний период без нестабильных элементов. Многие переходные металлы того периода очень прочны и поэтому распространены в промышленности , особенно железо. [2] Некоторые из них токсичны , причем все известные соединения ванадия токсичны, [3] мышьяк — один из самых известных ядов , а бром — токсичная жидкость. И наоборот, многие элементы необходимы для выживания человека, например кальций, основной компонент костей . [2]
Продвигаясь к увеличению атомного номера , принцип Ауфбау заставляет элементы периода помещать электроны на подоболочки 4s, 3d и 4p именно в этом порядке. Однако есть исключения, например хром. Первые двенадцать элементов — К, Са и переходные металлы — имеют от 1 до 12 валентных электронов соответственно, которые располагаются на 4s и 3d.
Двенадцать электронов по электронной конфигурации аргона достигают конфигурации цинка, а именно 3d 10 4s 2 . После этого элемента заполненная 3d подоболочка фактически уходит из химии, и последующий тренд во многом похож на тренды периодов 2 и 3 . Элементы p-блока периода 4 имеют свою валентную оболочку , состоящую из подоболочек 4s и 4p четвертой ( n = 4 ) оболочки , и подчиняются правилу октетов .
Именно в этот период для квантовой химии происходит переход от упрощенной парадигмы электронной оболочки к исследованию множества подоболочек различной формы . Относительное расположение их энергетических уровней определяется взаимодействием различных физических эффектов. Металлы s-блока того периода помещали свои дифференцирующие электроны на 4s, несмотря на наличие вакансий среди номинально более низких состояний n = 3 - явление, невидимое для более легких элементов. Напротив, шесть элементов от галлия до криптона являются самыми тяжелыми, у которых все электронные оболочки ниже валентной оболочки заполнены полностью . В последующие периоды это уже невозможно из-за существования f-подоболочек, начиная с n = 4 .
(*) Исключение из правила Маделунга
Калий (K) — щелочной металл , расположенный ниже натрия и выше рубидия [4] и первый элемент периода 4. Один из наиболее реакционноспособных химических элементов, обычно встречается только в соединениях . Это серебристый металл [5] , который быстро тускнеет под воздействием кислорода воздуха, который окисляет его. Он достаточно мягкий , чтобы его можно было разрезать ножом [6] и является вторым наименее плотным элементом. [ нужна цитация ] Калий имеет относительно низкую температуру плавления ; он расплавится под небольшим открытым пламенем. [5] Он также менее плотен, чем вода, и, в принципе, может плавать [7] (хотя он вступает в реакцию с любой водой, с которой сталкивается). [5]
Кальций (Ca) – второй элемент периода. Щелочноземельный металл , самородный кальций почти не встречается в природе, поскольку он реагирует с водой . [8] Он играет одну из наиболее широко известных биологических ролей у всех животных и некоторых растений, составляя структурные элементы, такие как кости и зубы. [9] Он также находит применение в клетках , например, в качестве сигналов для клеточных процессов . Он считается самым распространенным минералом в организме человека. [ нужна цитата ]
Скандий (Sc) — третий элемент периода и первый переходный металл в таблице Менделеева. Скандий довольно распространен в природе, но его трудно выделить, поскольку его химический состав довольно близко отражает химический состав других редкоземельных соединений. Скандий имеет очень мало коммерческих применений, главным исключением являются алюминиевые сплавы .
Титан (Ti) — элемент 4-й группы . Титан — один из наименее плотных металлов, но при этом один из самых прочных и устойчивых к коррозии. Таким образом, он имеет множество применений, особенно в сплавах с другими элементами, такими как железо. Он обычно используется в самолетах , клюшках для гольфа и других объектах, которые должны быть прочными, но легкими.
Ванадий (V) — элемент 5-й группы . Ванадий никогда не встречается в природе в чистом виде, но обычно встречается в виде соединений. 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, причем некоторые из них чрезвычайно токсичны.
Хром (Cr) — элемент шестой группы . Хром, как и до него титан и ванадий, чрезвычайно устойчив к коррозии и действительно является одним из основных компонентов нержавеющей стали . Хром также имеет множество красящих соединений и поэтому очень часто используется в пигментах, таких как зеленый хром .
Марганец (Mn) — элемент 7-й группы . Марганец часто встречается в сочетании с железом. Марганец, как и до него хром, является важным компонентом нержавеющей стали , предотвращающим ржавчину железа. Марганец также часто используется в пигментах, как и хром. Марганец также ядовит; если вдыхать достаточное количество, это может вызвать необратимые неврологические повреждения.
Железо (Fe) — элемент 8-й группы . Железо — наиболее распространенный на Земле элемент того периода и, вероятно, самый известный из них. Это основной компонент стали . Железо-56 имеет самую низкую плотность энергии среди всех изотопов любого элемента, а это означает, что это самый массивный элемент, который может быть произведен в звездах- сверхгигантах . Железо также имеет некоторые применения в организме человека; гемоглобин частично состоит из железа.
Кобальт (Co) — элемент девятой группы . 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 , тогда как кобальт-60 является компонентом ядерных осадков и может быть опасен в достаточно больших количествах из-за своей радиоактивности.
Никель (Ni) — элемент 10-й группы . Никель редко встречается в земной коре, в основном из-за того, что он вступает в реакцию с кислородом воздуха, при этом большая часть никеля на Земле поступает из никелевых железных метеоритов . Однако никель очень распространен в ядре Земли ; наряду с железом это один из двух основных компонентов. Никель является важным компонентом нержавеющей стали и многих суперсплавов .
Медь (Cu) — элемент 11 группы . Медь — один из немногих металлов, которые не имеют белого или серого цвета, единственными [ нужными цитирования ] являются золото , осмий и цезий . Медь использовалась людьми на протяжении тысячелетий для придания красноватого оттенка многим объектам и даже является важным питательным веществом для человека, хотя слишком большое ее количество ядовито . Медь также широко используется в качестве консерванта для древесины или фунгицидов .
Цинк (Zn) — элемент 12 группы . Цинк — один из основных компонентов латуни , который используется 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, метко названных углеродно-цинковыми батареями , и играет важную роль во многих покрытиях, поскольку цинк очень устойчив к коррозии.
Галлий (Ga) — элемент 13-й группы после алюминия . Галлий примечателен тем, что его температура плавления составляет около 303 Кельвинов , что примерно соответствует 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 (Ge) — элемент 14-й группы . Германий, как и кремний над ним, является важным полупроводником и обычно используется в диодах и транзисторах, часто в сочетании с мышьяком. Германий довольно редок на Земле, что привело к его сравнительно позднему открытию. Соединения германия иногда могут раздражать глаза, кожу или легкие.
Мышьяк (As) — элемент 15-й группы , пниктогенов. Мышьяк, как уже говорилось выше, часто используется в полупроводниках в сплавах с германием. Мышьяк в чистом виде и в некоторых сплавах чрезвычайно ядовит для всей многоклеточной жизни и поэтому является распространенным компонентом пестицидов. Мышьяк также использовался в некоторых пигментах до того, как была обнаружена его токсичность.
Селен (Se) — элемент 16-й группы , халькогенов. Селен — первый неметалл четвертого периода, обладающий свойствами, подобными сере . Селен довольно редко встречается в природе в чистом виде, в основном он встречается в таких минералах, как пирит , и даже тогда он довольно редок. Селен необходим человеку в следовых количествах, но в больших количествах токсичен. Селен имеет мономолярную структуру красного цвета, а кристаллическую — металлического серого цвета.
Бром (Br) — элемент 17-й группы (галоген) . В природе он не существует в элементарной форме. Бром при комнатной температуре почти жидкий, его температура кипения составляет около 330 К. Бром также весьма токсичен и едок, но бромид-ионы, относительно инертные, можно найти в галите , или поваренной соли. Бром часто используется в качестве антипирена , поскольку многие соединения могут выделять свободные атомы брома.
Криптон (Kr) — благородный газ , находящийся в атмосфере аргона и над ксеноном . Будучи благородным газом, криптон редко взаимодействует сам с собой или с другими элементами; хотя соединения были обнаружены, все они нестабильны и быстро распадаются, поэтому криптон часто используется во флуоресцентных лампах. Криптон, как и большинство благородных газов, также используется в освещении из-за множества спектральных линий и вышеупомянутых причин.
Многие элементы периода 4 играют роль в контроле функции белка в качестве вторичных мессенджеров , структурных компонентов или кофакторов ферментов . Градиент калия используется клетками для поддержания мембранного потенциала , который обеспечивает активацию нейромедиаторов и облегчает диффузию среди других процессов. Кальций является общей сигнальной молекулой для таких белков, как кальмодулин , и играет решающую роль в запуске сокращения скелетных мышц у позвоночных. Селен является компонентом неканонической аминокислоты селеноцистеина ; Белки, содержащие селеноцистеин, известны как селенопротеины . Ферменты марганца используются как эукариотами , так и прокариотами и могут играть роль в вирулентности некоторых патогенных бактерий. [10] Ванабины , также известные как ванадиевые белки, обнаружены в клетках крови некоторых видов асцидий . Роль этих белков оспаривается, хотя есть предположения, что они функционируют как переносчики кислорода. Ионы цинка используются для стабилизации среды цинковых пальцев многих ДНК-связывающих белков .
Элементы периода 4 также могут находиться в комплексе с небольшими органическими молекулами с образованием кофакторов. Самым известным примером этого является гем : железосодержащее порфириновое соединение, отвечающее за функцию переноса кислорода миоглобина и гемоглобина , а также за каталитическую активность ферментов цитохрома . [11] Гемоцианин заменяет гемоглобин в качестве предпочтительного переносчика кислорода в крови некоторых беспозвоночных, включая мечехвостов , птицеедов и осьминогов . Витамин B 12 представляет собой одно из немногих биохимических применений кобальта.