Кіріспе
Периодтық кестедегі үшінші қатар
Периодтық кестедегі үшінші қатардағы (немесе периодындағы) химиялық элемент – элементтердің атомдық саны арта келе, химиялық қасиеттеріндегі қайталанатын (периодтық) үрдістерді көрсету үшін қатарлармен орналастырылған периодтық кестедегі химиялық элементтердің бірі. Химиялық қасиеттері қайталана бастағанда жаңа қатар басталады, яғни бірдей қасиеттерге ие элементтер бір тік бағанға түседі. Үшінші қатарда сегіз элемент бар: натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, күкірт, хлор және аргон. Бірінші екеуі – натрий мен магний – периодтық кестедегі s-блоктің құрамына кіреді, ал қалғандары – p-блоктің құрамына кіреді. Үшінші қатардағы барлық элементтер табиғатта кездеседі және кем дегенде бір тұрақты изотопы бар.
Атомдық құрылымы
Атом құрылымының кванттық механикалық сипаттамасында бұл кезең үшінші (n = 3) қабықтағы электрондардың жинақталуына сәйкес келеді, дәлірек айтқанда оның 3s және 3p қосалқы қабықтарын толтыруға. 3d қосалқы қабықшасы бар, бірақ Aufbau принципіне сәйкес ол 4-ші кезеңге дейін толтырылмайды. Бұл сегіз элементті 2-ші кезең элементтерінің дәл сол реттегі аналогтарына айналдырады. 3d қосалқы қабықшасы әдетте белсенді болмағандықтан, октет ережесі 3-ші кезеңдегі элементтерге 2-ші кезеңдегі элементтермен ұқсас қолданылады.
Натрий
Натрий (символ Na) – жұмсақ, күміс түсті ақ, өте реактивті металл және сілті металдарының құрамына кіретін элемент; оның жалғыз тұрақты изотопы – 23Na. Бұл – көп кездесетін элемент, ол фельдшпаттар, содалит және тас тұз сияқты көптеген минералдарда табиғатта кездеседі. Натрийдің көптеген тұздары суда жақсы ериді, сондықтан Жердің су объектілерінде, ең көп мөлшерде мұхиттарда натрий хлориді түрінде көптеп кездеседі. Натрийдің көптеген қосылыстары пайдалы, мысалы, натрий гидроксиді (көмірсіз сіңіргіш) сабын жасауға, ал натрий хлориді мұзды ерітуге және қоректік зат ретінде қолданылады. Осы ион сонымен қатар натрий нитраты сияқты көптеген минералдардың құрамына кіреді. Табиғатта бос металл, элементтік натрий кездеспейді, оны натрий қосылыстарынан алу қажет. Элементтік натрийді алғаш рет 1807 жылы Хамфри Дэви натрий гидроксидінің электролизі арқылы бөліп алған.
Магний
Магний (символ Mg) – сілтілі жер металл және тотығу саны +2 болып келеді. Ол Жер қыртысында ең көп таралған сегізінші элемент, ал жалпы ғаламда тоғызыншы элемент. Магний Жердегі жалпы элементтер саны бойынша төртінші орында (темір, оттегі және кремнийден кейін), планета массасының 13% және планета мантиясының үлкен бөлігін құрайды. Ол салыстырмалы түрде көп кездеседі, себебі супернова жұлдыздарында көміртекке үш гелий ядросын тікелей қосу арқылы (ал көміртек өзі үш гелий ядросынан жасалады) оңай түзіледі. Магний ионының суда жоғары ерігіштігіне байланысты, ол теңіз суында еріген үшінші ең көп кездесетін элемент болып табылады. Табиғатта еркін күйде (металл) кездеспейді, өйткені өте реактивті (бірақ өндірілгеннен кейін тотықсыздану қабатымен қапталады [пассивтеуді қараңыз], бұл реактивтілікті азайтады). Таза металл ерекше жарқыраған ақ жарықпен жанады, сондықтан ол жарықшақтар жасауға қолданылады. Қазіргі кезде металл негізінен тұзды судан алынған магний тұздарының электролизі арқылы өндіріледі. Коммерциялық мағынада, металдың негізгі қолданылуы – алюминий-магний қорытпаларын жасау үшін қорытпа құралы ретінде, олар кейде "магналий" немесе "магнелий" деп аталады. Магний алюминийден жеңіл болғандықтан, бұл қорытпалар жеңілдігімен және беріктігімен бағаланады. Магний иондарының дәмі қышқыл, және олардың аз мөлшерде болуы минералды суға табиғи қышқылдық береді.
Алюминий
Алюминий (символ Al) немесе алюминий (американдық ағылшын тілінде) – химиялық элементтердің бор тобына жататын күміс түсті ақ металл және кейбір химиктердің пікірінше, ауысудан кейінгі металл саналатын p-блок металлы. Ол қалыпты жағдайда суда ерімейді. Алюминий – Жер қыртысындағы (оттегі мен кремнийден кейін) ең көп таралған үшінші элемент және ең көп таралған металл. Ол Жердің қатты бетінің салмағының шамамен 8% құрайды. Алюминий металлы химиялық жағынан тым белсенді болғандықтан табиғатта таза күйінде кездеспейді. Оның орнына, ол 270-тен астам түрлі минералдардың құрамында табылады. Алюминийдің басты кені – боксит. Алюминий металдың төмен тығыздығымен және пассивтеу құбылысының нәтижесінде коррозияға қарсы тұру қабілетімен ерекшеленеді. Алюминийден және оның қорытпаларынан жасалған құрылымдық элементтер әуе-ғарыш өнеркәсібі үшін маңызды, сондай-ақ көлік және құрылыс материалдары салаларында да қолданылады. Алюминийдің ең пайдалы қосылыстары, салмағы бойынша есептегенде, оксидтері мен сульфаттары болып табылады.
Кремний
Кремний (символ Si) – 14-топтағы металлоид. Ол химиялық аналогы – көміртектен, периодтық кестеде тікелей оның үстінде орналасқан бейметаллдан, бірақ германийден, кестеде тікелей төмен орналасқан металлоидтан кем реакциялық. Кремнийдің табиғаты туралы пікір талас оның ашылуымен байланысты: кремний алғаш рет 1824 жылы таза күйде алынып, сипатталды және оған кремний (silicis, кремнездер) деген ат берілді, металл екенін білдіретін “ium” қосымшасымен. Дегенмен, 1831 жылы ұсынылған түпкі атауы көміртектің және бордың химиялық жағынан ұқсас элементтерін көрсетеді. Кремний – масса бойынша ғаламшардағы сегізінші ең көп таралған элемент, бірақ табиғатта таза, еркін күйде өте сирек кездеседі. Ол көбінесе шаң, құм, планетоидтар мен планеталарда кремний диоксидінің (кремний тозаңы) немесе силикаттардың әртүрлі түрлерінде кездеседі. Жер қыртысының 90%-дан астамы силикатты минералдардан тұрады, бұл кремнийді Жер қыртысындағы оттектен кейінгі екінші ең көп таралған элемент етеді (масса бойынша шамамен 28%). Кремнийдің көп бөлігі коммерциялық мақсатта бөлінбей қолданылады, тіпті табиғи қосылыстарды аз өңдеумен пайдалану жиі кездеседі. Мұнда саз балшықтарының, құмның және тастың тікелей өнеркәсіптік құрылыста қолданылуы жатады. Кремний тозаңы керамикалық кірпіштерді жасауға қолданылады. Силикат портланд цементінің құрамына кіріп, оны ерітіндіге және шпаклевкаға айналдырады, ал силикат құммен және қиыршық таспен қосылып, бетонды құрайды. Силикаттар сондай-ақ фарфор сияқты ақ керамикалар мен дәстүрлі кварц негізіндегі содалы-әкті шыныларда кездеседі. Кремний карбиді сияқты заманауи кремний қосылыстары абразивтер мен жоғары беріктікті керамикалар жасауға қолданылады. Кремний – кең таралған синтетикалық кремний негізіндегі полимерлердің, яғни силикондардың негізі. Таза кремнийдің де қазіргі заманғы әлемдік экономикаға зор әсері бар. Бос кремнийдің көп бөлігі болатты қайта өңдеуде, алюминийді құюда және химиялық өнеркәсіпте (көбінесе түтінді кремнийді өндіру үшін) қолданылса да, жартылай өткізгіш электроникада қолданылатын өте таза кремнийдің салыстырмалы түрде аз үлесі (10%-дан кем) одан да маңызды. Компьютерлердің негізін құрайтын кремний интегралдық схемаларда кеңінен қолданылатындықтан, қазіргі заманғы технологияның көп бөлігі оған байланысты.
Фосфор
Фосфор (P символы) – азот тобына жататын көпвалентті бейметалл. Фосфор минералы ретінде көбінесе максималды тотығу (бесвалентті) күйінде, минералдық фосфат тау жыныстары түрінде кездеседі. Элементар фосфор екі негізгі түрінде болады – ақ фосфор және қызыл фосфор, бірақ жоғары реакциялық қабілетіне байланысты, фосфор Жер бетінде еркін элемент түрінде табылмайды. Элементар фосфордың алғашқы түрі (ақ фосфор, 1669 жылы) оттегіге ұшырағанда әлсіз жарқырау шығарады, сондықтан оның аты грек мифологиясынан алынған, Φωσφόρος – "жарық әкелуші" (латын тілінде Lucifer), бұл "Таң жұлдызы", яғни Венера планетасын білдіреді. "Фосфоресценция" термині, яғни жарықтанғаннан кейін жарқырау, осы фосфордың қасиетінен туындаса да, фосфордың жарқырауы ақ (бірақ қызыл емес) фосфордың тотығуынан пайда болады және оны химилюминесценция деп атау керек. Сонымен қатар, октет ережесіне тұрақты ерекшеліктер жасауға ең жеңіл элемент болып табылады. Фосфор қосылыстарының басым бөлігі тыңайтқыштар ретінде қолданылады. Басқа қолданылу салаларына органофосфорлы қосылыстардың жуғыш заттарда, пестицидтерде, нервтік агенттерде және сіріңкелерде қолданылуы жатады.
Күкірт
Күкірт (символ S) – көп тараған, көпвалентті металл емес элемент, халкогендердің бірі. Қалыпты жағдайда күкірт атомдары S8 химиялық формуласы бар циклдік октатомдық молекулалар құрайды. Элементар күкірт бөлме температурасында жарқыраған сары түсті кристалды қатты зат болып табылады. Химиялық тұрғыдан күкірт тотықтырғыш немесе тотығуға ұшыраушы зат ретінде әрекет ете алады. Ол көптеген металдарды және бірнеше металл емес элементтерді, соның ішінде көміртекті окистендіреді, бұл оның көптеген органикалық күкірт қосылыстарында теріс зарядқа ие болуына себеп болады, бірақ сонымен қатар оттегі мен фтор сияқты күшті тотықтырғыштарды тотығуға ұшыратады. Табиғатта күкірт таза элемент түрінде, сондай-ақ сульфидтер мен сульфаттар минералдары түрінде кездеседі. Элементар күкірттің кристалдары әдетте минералдарды жинаушылар үшін олардың жарқыраған, әртүрлі түсті көпбұрышты пішіндері үшін ізделіс нысаны болып табылады. Табиғатта көп мөлшерде кездесетін күкірт ежелгі заманнан бері белгілі, оның қолданылуы туралы мәліметтер ежелгі Грекия, Қытай және Египетте кездеседі. Күкірттің түтіні дезинфекциялау үшін, ал күкіртті қоспалары бар дәрілік қоспалар бальзам және паразиттерге қарсы құрал ретінде қолданылған. Киелі кітапта күкірт «күкірт» деп аталған, бұл атау кейбір ғылыми емес терминдерде бүгінгі күнге дейін қолданылады. Күкірт өте маңызды элемент саналғандықтан, оған арнайы алхимиялық символ тағайындалған. Ол ең жақсы сапалы қара ұнтақ жасау үшін қажет болды, ал алхимиктер күкірттің құрамында алтынның қасиеттері бар деген гипотезаны қойған және одан алтын синтездеуге тырысқан. 1777 жылы Антуан Лавуазье ғылыми қауымдастықты күкірттің қоспа емес, негізгі элемент екеніне көндірді. Бұрын элементар күкірт тұз қабаттарынан өндірілген, онда ол кейде дерлік таза күйінде кездеседі, бірақ бұл әдіс 20 ғасырдың соңынан бері қолданылмайды. Бүгінде элементар күкірттің барлық дерлік бөлігі табиғи газ бен мұнайдан күкіртті қоспаларды жою процесінің қосалқы өнімі ретінде өндіріледі. Элементтің коммерциялық қолданылуы негізінен тыңайтқыштарда, өсімдіктердің оған қажеттілігі жоғары болғандықтан, және күкірт қышқылын өндіруде, ол маңызды өнеркәсіптік химиялық зат болып табылады. Элементтің басқа да кең таралған қолданылулары – тұспалдау, инсектицидтер және фунгицидтер. Көптеген күкірт қосылыстарының иісі бар, ал иістендірілген табиғи газдың, тырнақбалықтың, грейпфрут пен сарымсақтың иісі күкірт қосылыстарынан туындайды. Тірі организмдер өндіретін күкірт сутегі шіріген жұмыртқалар мен басқа да биологиялық процестерге тән иіске ие.
Хлор
Хлор (символ Cl) ең жеңіл галогендердің екіншісі болып табылады. Бұл элемент стандартты жағдайларда дихлор деп аталатын екі атомдық молекулалар түзеді. Ол барлық элементтердің ішінде ең жоғары электрондық туыстығына және ең жоғары электротерістігіне ие; сондықтан хлор – күшті тотықтырғыш. Хлордың ең көп таралған қосылысы – натрий хлориді (ас тұзы) ежелгі заманнан бері белгілі. Алайда, 1630 жылы бельгиялық химик және дәрігер Ян Баптист ван Гельмонт хлор газын алды. Элементарлы хлорды синтездеу және сипаттау 1774 жылы швед химигі Карл Вильгельм Шеле жасады, ол оны «дефлогистикаланған тұз қышқылы газы» деп атады, себебі ол гидрохлор қышқылынан алынған оксидті синтездегенін ойлады, өйткені сол кезде қышқылдарда міндетті түрде оттегі болуы керек деп есептелді. Клод Бертолле сияқты бірқатар химиктер Шеленің «дефлогистикаланған тұз қышқылы газы» оттегі мен әлі ашылмаған элементтің қосындысы болуы мүмкін екенін ұсынды, ал Шеле осы оксидтегі болжамды жаңа элементті муриатикум деп атады. 1809 жылы Жозеф Луи Гей-Люссак және Луи Жак бұл жаңадан ашылған газ қарапайым элемент болуы мүмкін екенін айтты. Бұл 1810 жылы сэр Хамфри Дэви растады, ол оны хлор деп атады, грек тіліндегі χλωρός (chlōros) сөзінен, яғни «жасыл сары» деген мағынаны білдіреді. Хлор көптеген басқа қосылыстардың құрамына кіреді. Ол Жер қыртысында екінші ең көп таралған галоген және 21-ші ең көп таралған химиялық элемент. Хлордың күшті тотықтыру қабілеті оны ақтарту және дезинфекциялау үшін пайдалануға, сондай-ақ химия өнеркәсібінде маңызды реагент ретінде қолдануға алып келді. Дезинфекциялау құралы ретінде хлор қосылыстары бассейн суын таза және санитарлық жағдайда ұстау үшін қолданылады. Жоғарғы атмосферада хлорлы молекулалар, мысалы, хлорфторкөмірсутектер озон қабатының бұзылуына себеп болады.
Аргон
Аргон (символ Ar) – 18-топтың үшінші элементі, асыл газдар. Аргон Жер атмосферасында 0,93% құрайды, бұл оны көмірқышқыл газынан гөрі көп таралған үшінші газ етеді. Бұл аргонның көбісі Жер қыртысындағы калий-40 ыдырауынан пайда болатын радиогендік аргон-40 болып табылады. Әлемде аргон-36 – ең көп таралған аргон изотопы, ол жұлдыздық нуклеосинтез процесінде өндіріледі. "Аргон" атауы грек тіліндегі ἀργόν сөзінен шыққан, ол "белсенді емес" немесе "жайсыз" деген мағынаны білдіреді, себебі элементке ешқандай химиялық реакцияларға түсуге жарамайды. Сыртқы атомдық қабықтағы толық октет (сегіз электрон) аргонды тұрақты етеді және басқа элементтермен байланысуға қарсы келеді. Оның үштік нүктесінің температурасы 83,8058 К – 1990 жылғы Халықаралық температура шкаласындағы бекітілген нүкте. Аргон өндірісінде сұйық ауаны фракциялық дистилляциялау әдісі қолданылады. Аргон негізінен дәнекерлеу және басқа да жоғары температуралы өнеркәсіптік процестерде инертті қорғау газы ретінде қолданылады, онда әдетте реакцияға түспейтін заттар реактивті болып келеді: мысалы, графит электр пештерінде графиттің өртенуін болдырмау үшін аргон атмосферасы пайдаланылады. Аргон газы қыздыру шамдары мен люминесцентті жарықтандыруда, сондай-ақ газды түйреу құбырларының басқа түрлерінде де қолданылады. Аргоннан ерекше көк-жасыл газ лазер жасауға болады.
Биологиялық рөлдері
Натрий барлық жануарлар мен кейбір өсімдіктер үшін қажетті элемент болып табылады. Жануарларда натрий иондары калий иондарына қарсы жасушалық мембраналарда заряд жинақтауға қолданылады, зарядтар тараған кезде жүйке импульстарын өткізуге мүмкіндік береді; сондықтан ол диеталық бейорганикалық макроэлемент ретінде жіктеледі. Магний – адам организміндегі ең көп таралған он бірінші элемент. Оның иондары барлық тірі жасушалар үшін маңызды, олар ATP, ДНК және РНК сияқты маңызды биологиялық полифосфатты қосылыстарды реттеуде маңызды рөл атқарады. Сөйтіп, жүздеген ферменттердің жұмыс істеуі үшін магний иондары қажет. Магний хлорофиллдің ортасындағы металл ионы болып табылады, сондықтан тыңайтқыштарға жиі қосылатын қоспа болып табылады. Магний қосылыстары медицинада жалпы слабитель, антацидтер (мысалы, магний сүті) ретінде, сондай-ақ аномальды жүйке қозбаларын және қан тамырларының спазмын тұрақтандыру қажет болған жағдайларда (мысалы, эклампсияны емдеу үшін) қолданылады. Қоршаған ортада кең таралғанына қарамастан, алюминий тұздары тіршіліктегі ешбір формада қолданылмайды. Оның кең таралғандығына байланысты, өсімдіктер мен жануарлар оны жақсы қабылдайды. Алюминий қосылыстарының биологиялық рөлі (пайдалы немесе керісінше) осы күні де зерттеулерге арналған тақырып. Кремний биологияда маңызды элемент, бірақ жануарларға оның тек аз мөлшерде қажеттігі анықталған, алайда әртүрлі теңіз швабраларына құрылымдық қолдау үшін кремний қажет. Бұл өсімдіктердің, әсіресе көптеген шөптердің метаболизмі үшін әлдеқайда маңызды, ал кремний қышқылы (кремнийдің бір түрі) микроскопиялық диатомдардың қорғаныш қабықтарының керемет жиынтығының негізін құрайды. Фосфор тіршілік үшін өте маңызды. Фосфат түрінде ол ДНК, РНК, АТФ және барлық жасушалық мембраналарды құрайтын фосфолипидтердің құрамына кіреді. Фосфор мен тіршіліктің байланысын көрсететін элементтік фосфор алғаш рет адам зәрiнен оқшауланды, ал сүйек күлі фосфаттың маңызды бастауы болды. Фосфат минералдары – қазбалар. Фосфаттың төмен деңгейі кейбір су экожүйелерінде өсудің маңызды шектеуші факторы болып табылады. Бүгінде фосфорға негізделген химиялық заттардың ең маңызды коммерциялық қолданысы – өсімдіктер топырақтан алып тастайтын фосфорды толықтыру үшін тыңайтқыштарды өндіру. Күкірт – барлық тіршілік үшін қажетті элемент және биохимиялық процестерде кеңінен қолданылады. Метаболизм реакцияларында күкірт қосылыстары қарапайым организмдер үшін отын және тыныс алу (оттекті алмастыратын) материал ретінде қызмет етеді. Органикалық күкірт биотин және тиамин витаминдерінің құрамында болады, соңғысы күкірт деген грек сөзінен алынған. Күкірт көптеген ферменттердің және глутатион мен тиоредоксин сияқты антиоксидантты молекулалардың маңызды бөлігі болып табылады. Органикалық байланыстағы күкірт барлық ақуыздардың құрамына кіреді, сондай-ақ цистеин және метионин аминқышқылдары. Дисульфидтік байланыстар кератиннің механикалық күшіне және ерімеушілігіне жауап береді, ол сыртқы теріде, шашта және қауырсындарда кездеседі, ал элемент оларды күйдірген кезде олардың иіс суына әсер етеді. Элементарлы хлор барлық тіршілік формалары үшін өте қауіпті және улы, химиялық соғыста өкпеге әсер ететін агент ретінде қолданылады; алайда хлор хлорид иондары түрінде көптеген тіршілік формаларына, соның ішінде адамдарға да қажет. Аргонның биологиялық рөлі жоқ. Аргон, оттегіден басқа газдар сияқты, тұншықтыратын газ болып табылады.