Элемент периода 4

Элемент 4-го периода — 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 . впервые появляется d-блок (который включает переходные металлы В таблице ).

Характеристики

Все 4 ^й-периодические элементы стабильны , ^[1] и многие из них чрезвычайно распространены в земной коре и/или ядре ; это последний период без нестабильных элементов. Многие переходные металлы этого 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]

Атомная структура

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, такие как хром . Первые двенадцать элементов — K , Ca и переходные металлы — имеют от 1 до 12 валентных электронов соответственно, которые располагаются на 4s и 3d.

Двенадцать электронов по конфигурации аргона электронной достигают конфигурации цинка , а именно 3d ¹⁰ 4 с 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. того периода Металлы s-блока помещали свои дифференцирующие электроны на 4s, несмотря на наличие вакансий среди номинально более низких $n = 3$ состояний - 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 $n = 4$ .

Список элементов

Химический элемент			Блокировать	Электронная конфигурация

19	К	Калий	S-блок	[Ар] 4с ¹
20	Что	Кальций	S-блок	[Ар] 4с ²
21	наук	Скандий	d-блок	[Ар] 3д ¹ 4 с ²
22	Из	Титан	d-блок	[Ар] 3д ² 4 с ²
23	V	Ванадий	d-блок	[Ар] 3д ³ 4 с ²
24	Кр	Хром	d-блок	[Ар] 3д ⁵ 4 с ¹ (*)
25	Мин.	Марганец	d-блок	[Ар] 3д ⁵ 4 с ²
26	Фе	Железо	d-блок	[Ар] 3д ⁶ 4 с ²
27	Ко	Кобальт	d-блок	[Ар] 3д ⁷ 4 с ²
28	В	Никель	d-блок	[Ар] 3д ⁸ 4 с ²
29	С	Медь	d-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ¹ (*)
30	Зн	Цинк	d-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ²
31	Здесь	Галлий	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ¹
32	Ге	германий	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ²
33	Как	Мышьяк	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ³
34	Се	Селен	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ⁴
35	Бр	Бром	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ⁵
36	НОК	Криптон	p-блок	[Ар] 3д ¹⁰ 4 с ² 4р ⁶

(*) Исключение из правила Маделунга

элементы S-блока

Калий

Калий (К) — щелочной металл , расположенный ниже натрия и выше рубидия . ^[4] и первый элемент 4-го периода. Один из наиболее реакционноспособных химических элементов, обычно встречается только в соединениях . Это серебристый металл ^[5] он быстро тускнеет под воздействием кислорода воздуха , который окисляет его. Он достаточно мягкий , чтобы его можно было разрезать ножом. ^[6] и второй наименее плотный элемент. ^{[ нужна ссылка ]} Калий имеет относительно низкую температуру плавления ; он расплавится под небольшим открытым пламенем. ^[5] Кроме того, он менее плотный, чем вода, и в принципе может плавать. ^[7] (хотя он будет реагировать с любой водой, с которой он контактирует). ^[5]

Кальций

Кальций (Ca) – второй элемент периода. Щелочноземельный металл кальций самородный в природе почти не встречается. ^{[ нужна ссылка ]} потому что 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 имеет применение в клетках , например, в качестве сигналов клеточных процессов . Он считается самым распространенным минералом в организме человека. ^{[ нужна ссылка ]}

элементы d-блока

Скандий

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 коммерческого применения, основным исключением являются алюминиевые сплавы .

Титан

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

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, очень устойчив к коррозии, однако, в отличие от титана, он окисляется на воздухе даже при комнатной температуре. Все соединения ванадия имеют, по крайней мере, некоторый уровень токсичности, причем некоторые из них чрезвычайно токсичны.

Хром

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

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

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 сверхгигантах звездах- . Железо также имеет некоторые применения в организме человека; гемоглобин частично состоит из железа.

Кобальт

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

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, причем 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

Медь (Cu) — элемент 11 группы . Медь — один из немногих металлов, который не имеет белого или серого цвета. ^{[ нужна ссылка ]} другие - золото , осмий и цезий . Медь использовалась людьми на протяжении тысячелетий для придания красноватого оттенка. ^{[ нужны разъяснения ]} ко многим объектам и даже является важным питательным веществом для человека, хотя слишком большое его количество ядовито. Медь также широко используется в качестве консерванта древесины или фунгицидов .

Цинк

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.

элементы p-блока

Галлий

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

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

Мышьяк (As) — элемент 15-й группы , пниктогенов. Мышьяк, как уже говорилось выше, часто применяется в полупроводниках в сплавах с германием. Мышьяк в чистом виде и в некоторых сплавах невероятно 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

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 красный цвет в мономолярной структуре и металлический серый цвет в кристаллической структуре.

Бром

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

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.

Биологическая роль

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. является компонентом неканонической аминокислоты ; селеноцистеина Селен 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 ванадий-ассоциированные 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 цинковых пальцев среды 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.

Ссылки

^ «Список элементов таблицы Менделеева, отсортированный по распространенности в земной коре» . Science.co.il . Проверено 14 августа 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б Грей, Теодор (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2 .
^ Шривастава, АК (2000). «Противодиабетическое и токсическое действие соединений ванадия». Молекулярная и клеточная биохимия . 206 (206): 177–182. дои : 10.1023/А:1007075204494 . ПМИД 10839208 . S2CID 8871862 .
^ «Элементы в современной таблице Менделеева, Периодическая классификация элементов» . Tutorvista.com. Архивировано из оригинала 26 января 2018 года . Проверено 14 августа 2012 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Калий» . Объяснение химии: основы и приложения . Хинсдейл, Иллинойс : Адвамег . 2023 . Проверено 14 августа 2012 г.
^ Управление научного образования. «Элемент Калий» . Это Элементаль . Ньюпорт-Ньюс : Jefferson Science Associates . Проверено 14 августа 2012 г.
^ «Калий-К» . Леннтех. 1998 год . Проверено 14 августа 2012 г.
^ Кларк, Джим (декабрь 2021 г.). «Реакции элементов 2 группы с водой» . Проверено 14 августа 2012 г.
^ «Кальций» . Потребности человека в витаминах и минералах (Отчет). Рим, Италия: Издательская и мультимедийная служба Информационного отдела ФАО. 2002 . Проверено 14 августа 2012 г.
^ Махлынец Ольга; Боал, Эми К.; Роудс, Деласи В.; Котенок, Тодд; Розенцвейг, Эми К.; Стуббе, Джоанн (28 февраля 2014 г.). «Рибонуклеотидредуктаза Streptococcus sanguinis класса Ib: высокая активность с кофакторами железа и марганца, а также структурные данные» . Журнал биологической химии . 289 (9): 6259–6272. дои : 10.1074/jbc.M113.533554 . ISSN 1083-351X . ПМЦ 3937692 . ПМИД 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-бетаина: эффекты ионных жидкостей» . Биомолекулы . 8 (4): 126. дои : 10.3390/biom8040126 . ПМК 6315634 . ПМИД 30380655 .

[1] «Список элементов таблицы Менделеева, отсортированный по распространенности в земной коре» . Science.co.il . Проверено 14 августа 2012 г.

[Gray-2] Jump up to: ^а ^б Грей, Теодор (2009). Элементы: визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной . Нью-Йорк: Black Dog & Leventhal Publishers. ISBN 978-1-57912-814-2 .

[3] Шривастава, АК (2000). «Противодиабетическое и токсическое действие соединений ванадия». Молекулярная и клеточная биохимия . 206 (206): 177–182. дои : 10.1023/А:1007075204494 . ПМИД 10839208 . S2CID 8871862 .

[4] «Элементы в современной таблице Менделеева, Периодическая классификация элементов» . Tutorvista.com. Архивировано из оригинала 26 января 2018 года . Проверено 14 августа 2012 г.

[ChemExplained-5] Jump up to: ^а ^б ^с «Калий» . Объяснение химии: основы и приложения . Хинсдейл, Иллинойс : Адвамег . 2023 . Проверено 14 августа 2012 г.

[6] Управление научного образования. «Элемент Калий» . Это Элементаль . Ньюпорт-Ньюс : Jefferson Science Associates . Проверено 14 августа 2012 г.

[7] «Калий-К» . Леннтех. 1998 год . Проверено 14 августа 2012 г.

[8] Кларк, Джим (декабрь 2021 г.). «Реакции элементов 2 группы с водой» . Проверено 14 августа 2012 г.

[9] «Кальций» . Потребности человека в витаминах и минералах (Отчет). Рим, Италия: Издательская и мультимедийная служба Информационного отдела ФАО. 2002 . Проверено 14 августа 2012 г.

[10] Махлынец Ольга; Боал, Эми К.; Роудс, Деласи В.; Котенок, Тодд; Розенцвейг, Эми К.; Стуббе, Джоанн (28 февраля 2014 г.). «Рибонуклеотидредуктаза Streptococcus sanguinis класса Ib: высокая активность с кофакторами железа и марганца, а также структурные данные» . Журнал биологической химии . 289 (9): 6259–6272. дои : 10.1074/jbc.M113.533554 . ISSN 1083-351X . ПМЦ 3937692 . ПМИД 24381172 .

[11] 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-бетаина: эффекты ионных жидкостей» . Биомолекулы . 8 (4): 126. дои : 10.3390/biom8040126 . ПМК 6315634 . ПМИД 30380655 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]