Кіріспе
Химиялық элементтердің периодтық жүйесінің төртінші қатары
4-ші қатардағы элемент – химиялық элементтердің периодтық жүйесінің төртінші қатарында (немесе периодында) орналасқан химиялық элемент. Периодтық жүйе элементтердің атомдық саны арта келе, химиялық қасиеттеріндегі қайталамалы (периодтық) заңдылықтарды көрсету үшін қатарлар түрінде құрылған: химиялық қасиеттері қайталана бастағанда жаңа қатар басталады, яғни бірдей қасиеттерге ие элементтер бір тік бағанға түседі. Төртінші қатарда калийден басталып, криптонмен аяқталатын 18 элемент бар – әрқайсысы он сегіз топтың бір элементі. Бұл жүйеде d блогының (соның ішінде көшу металдарының) алғаш рет пайда болуы байқалады.
Қасиеттері
Төртінші кезең элементтерінің барлығы тұрақты, және көптегені Жер қыртысы мен/немесе ядросында кең таралған; бұл тұрақсыз элементтері жоқ соңғы кезең. Көптеген өтпелі металдар осы кезеңде өте берік, сондықтан өнеркәсіпте жиі қолданылады, әсіресе темір. Арсеник – ең танымал уларлардың бірі, ал бром – улы сұйықтық. Керісінше, кальций сияқты көптеген элементтер адам өмірі үшін маңызды, ол сүйектердің негізгі құрауышы болып табылады.
Атомдық құрылымы
Атомдық санның артуына қарай, Aufbau принципі кезең элементтерінің электрондарын 4s, 3d және 4p субқабаттарына, осы ретпен орналастырады. Дегенмен, хром сияқты ерекшеліктер де бар. Бірінші он екі элемент – K, Ca және өтпелі металдар – сәйкесінше 1-ден 12-ге дейін валентті электрондарына ие, олар 4s және 3d субқабаттарына орналасады. Аргонның электрондық конфигурациясынан артық он екі электрон цинк конфигурациясына, атап айтқанда 3d10 4s2-ге жетеді. Осы элементтен кейін толыққан 3d субқабаты химиялық әрекеттесуден мүлдем шығып қалады, ал келесі үрдіс 2- және 3-кезеңдердегі үрдістерге ұқсас болады. 4-кезеңнің p-блогы элементтерінің валентті қабығы төртінші қабықтың (n=4) 4s және 4p субқабаттарынан тұрады және октет ережесіне бағынады. Кванттық химия үшін осы кезеңде электрондық қабықтардың қарапайым моделінен әртүрлі пішінді көптеген субқабаттарды зерттеуге көшу байқалады. Олардың энергия деңгейлерінің салыстырмалы орналасуы әртүрлі физикалық факторлардың өзара әрекеттесуімен анықталады. Бұл кезеңдегі s-блогы металдары номиналды түрде төменгі (n=3) энергия деңгейлерінде бос орындар болғанына қарамастан, дифференциалдаушы электрондарын 4s субқабатына орналастырады – бұл жеңіл элементтерде кездеспейтін құбылыс. Керісінше, галлийден криптонға дейінгі алты элементте валентті қабықтан төменгі барлық электрондық қабықтар толығымен толып отырады. Бұл 1=n=4 басталатын f субқабаттарының болуына байланысты келесі кезеңдерде мүмкін емес.
Калий
Калий (K) – натрийден төмен және рубидийден жоғары орналасқан сілті металл, 4-кезеңнің бірінші элементі. Ол ең реактивті химиялық элементтердің бірі, әдетте тек қосылыстар түрінде кездеседі. Бұл күміс түсті металл және тығыздығы бойынша екінші орындағы элемент. Калийдің балқу температурасы салыстырмалы түрде төмен; ол ашық оттың үстінде тез балқиды. Ол судан жеңіл, сондықтан теориялық тұрғыдан жүзуі мүмкін (бірақ сумен әрекеттесіп, жануы мүмкін). Калий барлық жануарлар мен кейбір өсімдіктерде кең таралған маңызды биологиялық рөл атқарады, ол сүйектер мен тістер сияқты құрылымдық элементтердің құрамына кіреді. Сондай-ақ, жасушаларда жасушалық процестерге сигнал беру үшін қолданылады. Адам организміндегі ең көп кездесетін минерал – калий.
Скандий
Скандий (Sc) – периодтық жүйедегі үшінші элемент және бірінші өтпелі металл. Скандий табиғатта кең таралған, бірақ оны бөліп алу қиын, себебі оның химиялық қасиеттері сирек кездесетін жер элементтеріне өте ұқсас. Скандийдің коммерциялық қолданысы шектеулі, ең бастысы – алюминий қорытпаларында қолданылуы.
Титан
Титан (Ti) – 4-топтағы элемент. Титан – ең төмен тығыздықтағы және бірқатар ең берік, коррозияға төзімді металдардың бірі. Сондықтан, оның көптеген қолданыс аймақтары бар, әсіресе темір сияқты басқа элементтермен қорытпа құрамында. Ол көбінесе ұшақтарда, гольф кияқтарында және мықты, бірақ жеңіл болуы қажетті басқа да заттарда қолданылады.
Ванадий
Ванадий (V) – 5-топтағы элемент. Ванадий табиғатта таза күйде кездеспейді, бірақ көбінесе қосылыстар түрінде табылады. Ванадий титанға көп жағынан ұқсас, мысалы, коррозияға өте төзімді, бірақ титаннан өзгеше, ол тіпті бөлме температурасында ауада тотығады. Ванадийдің барлық қосылыстарының белгілі бір деңгейде уыттылығы бар, ал кейбіреулері өте зиянды.
Хром
Хром (Cr) – 6-топтағы элемент. Хром, титан мен ванадий сияқты, коррозияға өте төзімді, тіпті тот баспайтын болаттың негізгі құрауыштардың бірі. Хромның көптеген түрлі-түсті қосылыстары бар, сондықтан ол пигменттерде, мысалы, хром жасылында жиі қолданылады.
Маған
Манганий (Mn) – 7-топтағы элемент. Манганий көбінесе темірмен қосылыста кездеседі. Манганий, хромий сияқты, тот баспайтын болаттың маңызды құрамына кіреді, темірдің тотығуын болдырмайды. Манганий пигменттерде де жиі қолданылады, бұл жағынан да хромийге ұқсас. Манганий улы зат, одан көп мөлшерде тыныс алса, қайтымсыз неврологиялық зақымдануға әкелуі мүмкін.
Темір
Темір (Fe) – 8-топтағы элемент. Темір – осы кезеңдегі элементтердің арасында Жерде ең көп кездесетін және олардың ішіндегі ең белгілісі. Ол болаттың негізгі құрауышы болып табылады. Темір-56 кез келген элементтің изотоптарының арасындағы ең төмен энергия тығыздығына ие, яғни ол супергигант жұлдыздардың ішінде пайда болатын ең ауыр элемент. Темір адам организмінде де қолданылады; гемоглобиннің құрамында ішінара темір болады.
Кобальт
Кобальт (Co) – 9-топтағы элемент. Кобальт көбінесе пигменттерде қолданылады, себебі кобальттың көптеген қосылыстары көк түсті болады. Кобальт сонымен қатар көптеген магниттік және жоғары беріктігі бар қорытпалардың маңызды құрауышы болып табылады. Бірден-бір тұрақты изотопы – кобальт-59 – В12 витаминінің құрамына кіреді, ал кобальт-60 ядролық қалдықтардың құрамында болады және оның радиоактивтілігіне байланысты белгілі бір мөлшерден асып кетсе қауіпті болуы мүмкін.
Никель
Никель (Ni) – 10-топтағы элемент. Никель Жер қыртысында сирек кездеседі, негізінен ауадағы оттегімен реакцияға түсуі себепті, ал Жердегі никельдің көп бөлігі никель-темір метеориттерінен түседі. Дегенмен, никель Жердің ядросында өте көп мөлшерде кездеседі; темірмен бірге ол екі негізгі құраушының бірі болып табылады. Никель – тот баспайтын болаттың және көптеген жоғары қорытпалардың маңызды құрамдас бөлігі.
Мыс
Мыс (Cu) – 11-топтағы элемент. Мыс – ақ немесе сұр түсті болмайтын сирек металдардың бірі, алтын, осмий және цезий ғана осыған ұқсайды. Адамдар мысты мыңдаған жылдар бойы көптеген заттарға қызғылт түс беру үшін пайдаланған, сонымен қатар ол адам организміне қажетті қоректік заттың бірі, бірақ шамадан тыс қолданғанда улы болады. Мыс ағаш сақтағыш немесе зеңге қарсы препарат ретінде де жиі қолданылады.
Цинк
Цинк (Zn) – 12-топтағы элемент. Цинк мыстың негізгі құрамдас бөліктерінің бірі болып табылады және б.з.д. 10 ғасырынан бері қолданылып келеді. Цинк адам организмі үшін де өте маңызды; әлемдегі шамамен 2 миллиард адам цинк тапшылығынан зардап шегеді. Дегенмен, цинктің артық мөлшерде қабылдануы мыс жетіспеушілігіне алып келуі мүмкін. Цинк көбінесе батареяларда, атап айтқанда көміртекті-цинк батареяларында қолданылады, сондай-ақ оның коррозияға жоғары төзімділігіне байланысты көптеген жабындарда маңызды рөл атқарады.
Галлий
Галлий (Ga) – алюминийдің 13-тобындағы элемент. Галлий ерекшелігі, оның балқу температурасы шамамен 303 кельвинге тең, бұл бөлме температурасына жуық. Мысалы, ол әдеттегі көктем күні қатты, ал ыстық жаз күні сұйық күйде болады. Галлий, қалайымен бірге, галинстан қорытпасының маңызды құрамына кіреді. Сондай-ақ, галлий жартылай өткізгіштерде де кездеседі.
Германиум
Германий (Ge) – 14-топтағы элемент. Кремний сияқты, германий де маңызды жартылай өткізгіш болып табылады және диодтар мен транзисторларда, көбінесе мырышпен емес, мырышпен араласқан арсенидпен бірге қолданылады. Жер бетінде германий сирек кездесетіндіктен, оны салыстырмалы түрде кеш ашқан. Германий қосылыстары кейде көзге, теріге немесе өкпеге тітіркеніс тудыруы мүмкін.
Арсен
Арсен (As) – 15-ші топқа жататын элемент, пниктогендер. Жоғарыда айтылғандай, арсен көбінесе германиймен қорытпаларда жартылай өткізгіштерде қолданылады. Арсен таза күйінде және кейбір қорытпаларында барлық көпжасушалы тіршілік иелері үшін өте улы, сондықтан пестицидтердің құрамында жиі кездесетін компонент болып табылады. Арсен уыттылығы анықталғанға дейін кейбір бояулардың құрамында да қолданылған.
Селен
Селен (Se) – 16-топтағы элемент, халкогендер. Селен – 4-кезеңдегі бірінші бейметалл, күкіртке ұқсас қасиеттері бар. Селен табиғатта таза күйде өте сирек кездеседі, көбінесе пирит сияқты минералдарда табылады, тіпті онда да сирек. Селен адам организміне шамалы мөлшерде қажет, бірақ көп мөлшерде улы. Селеннің мономолярлық құрылымы қызыл, ал кристалдық құрылымы металл сұр түсті болады.
Бром
Бром (Br) – 17-топтағы элемент (галоген). Ол табиғатта таза күйде кездеспейді. Бром бөлме температурасында жартылай сұйық күйде болады, шамамен 330 кельвинде қайнайды. Бром сонымен қатар өте улы және жеңішкек, бірақ бром иондары, салыстырмалы түрде белсенді емес, галитте, яғни ас тұзында табылсады. Бром көбінесе өртке қарсы зат ретінде қолданылады, себебі көптеген қосылыстардан бос бром атомдарын бөліп шығаруға болады.
Криптон
Криптон (Kr) – аргонның астында және ксенонның үстінде орналасқан асыл газ. Асыл газ болғандықтан, криптон өзімен немесе басқа элементтермен сирек әрекеттеседі; қосылыстар табылғанмен, олардың бәрі тұрақсыз және жылдам ыдырайды, сондықтан криптон көбінесе люминесценттік шамдарда қолданылады. Криптон, көптеген асыл газдар сияқты, көптеген спектрлік сызықтарының болуы және жоғарыда айтылған себептерге байланысты жарықтандыруда да қолданылады.
Биологиялық рөлі
4-ші кезеңдегі көптеген элементтер протеиннің қызметін екінші реттік хабаршылар, құрылымдық компоненттер немесе фермент кофакторлары ретінде реттеуге қатысады. Жасушалар калий градиентін мембраналық потенциалды сақтау үшін пайдаланады, бұл нейротрансмиттерлерді оқуға және басқа процестермен қатарлай жеңілдетілген диффузияға мүмкіндік береді. Кальций – кальмодулин сияқты ақуыздар үшін кең таралған сигналдық молекула және омыртқалы жануарларда қаңқа бұлшық еттерінің жиырылуын бастауда маңызды рөл атқарады. Селен – канондық емес аминқышқылы селеноцистеиннің құрамына кіреді; селеноцистеин қамтитын ақуыздар селенопротеиндер деп аталады. Марганец ферменттері эукариоттар мен прокариоттардың екеуімен де қолданылады және кейбір патогенді бактериялардың вируленттілігіне ықпал етуі мүмкін. Ванабин, сондай-ақ ванадиймен байланысты ақуыздар, кейбір теңіз құрттарының қан жасушаларында табылады. Бұл ақуыздардың қызметі даулы, бірақ олардың оттегі тасымалдаушылар ретінде жұмыс істейтіні туралы болжамдар бар. Цинк иондары көптеген ДНК байланыстыратын ақуыздардың цинк саусақ ортасын тұрақтандыру үшін қолданылады. 4-ші кезең элементтерін кофакторларды құру үшін органикалық шағын молекулалармен кешендестірілген түрде табуға болады. Бұған ең танымал мысал – гема: миоглобин мен гемоглобиннің оттегі тасымалдау функциясы және цитохром ферменттерінің катализдік белсенділігі үшін жауапты темір құрамындағы порфирин қосылысы. Гемоцианин кейбір омыртқасыз жануарлардың қанында, соның ішінде ат асты крабтары, тарантулдар және сегіз аяқты жәндіктердің қанында гемоглобиннің орнына оттегі тасымалдаушы ретінде таңдалады. В12 витамині – кобальттың сирек биохимиялық қолданылымдарының бірі.