Введение
Четвертый ряд в периодической таблице химических элементов
Элемент четвертого периода — один из химических элементов, расположенных в четвертом ряду (или периоде) периодической таблицы химических элементов. Периодическая таблица организована в ряды для демонстрации закономерностей (периодичности) в химическом поведении элементов при увеличении их атомного номера: новый ряд начинается, когда химическое поведение начинает повторяться, то есть элементы со схожими свойствами оказываются в одних и тех же вертикальных столбцах. Четвертый период содержит 18 элементов, начиная с калия и заканчивая криптоном – по одному элементу на каждую из восемнадцати групп. В этом периоде впервые появляется d-блок (включающий переходные металлы) в таблице.
Свойства
Все элементы 4-го периода стабильны, и многие из них чрезвычайно распространены в земной коре и/или ядре; это последний период, не содержащий неустойчивых элементов. Многие переходные металлы этого периода очень прочны и поэтому широко используются в промышленности, особенно железо. Мышьяк – один из самых известных ядов, а бром – токсичная жидкость. В то же время, многие элементы необходимы для выживания человека, например, кальций, основной компонент костей.
Атомная структура
Прогрессируя к увеличению атомного номера, принцип Ауфбау заставляет элементы периода заполнять электронами подслои 4s, 3d и 4p в этом порядке. Однако существуют исключения, такие как хром. Первые двенадцать элементов – K, Ca и переходные металлы – имеют соответственно от 1 до 12 валентных электронов, которые располагаются на 4s и 3d. Двенадцать электронов сверх электронной конфигурации аргона приводят к конфигурации цинка, а именно 3d¹⁰ 4s². После этого элемента заполненный 3d подслой фактически перестает активно участвовать в химических реакциях, и дальнейшая тенденция во многом напоминает тенденции в периодах 2 и 3. p-блочные элементы четвертого периода имеют свою валентную оболочку, состоящую из подслоев 4s и 4p четвертой (n=4) оболочки, и подчиняются правилу октета. Для квантовой химии именно в этом периоде происходит переход от упрощенной модели электронной оболочки к исследованию множества подслоев различной формы. Относительное расположение их энергетических уровней определяется взаимодействием различных физических эффектов. s-блочные металлы четвертого периода помещают свои дифференцирующие электроны на 4s, несмотря на наличие вакансий в номинально более низких состояниях n=3 – явление, не наблюдаемое у более легких элементов. И наоборот, шесть элементов от галлия до криптона – самые тяжелые, у которых все электронные оболочки ниже валентной оболочки полностью заполнены. Это становится невозможным в последующих периодах из-за появления f-подслоев, начиная с n=4.
Калий
Калий (K) — щелочной металл, расположенный ниже натрия и выше рубидия, и первый элемент 4-го периода. Один из самых реакционноспособных химических элементов, он обычно встречается только в соединениях. Это серебристый металл и второй наименее плотный элемент. Калий имеет относительно низкую температуру плавления и плавится даже под небольшим открытым пламенем. Он также менее плотный, чем вода, и теоретически может плавать (хотя он реагирует с любой водой, с которой вступает в контакт). Калий играет одну из наиболее известных биологических ролей у всех животных и некоторых растений, являясь структурным компонентом костей и зубов. Он также участвует в клеточных процессах, например, в качестве сигналов для их регуляции. Считается самым распространенным минералом в организме человека.
Скандий
Скандий (Sc) — третий элемент в периоде и первый переходный металл в периодической таблице. Скандий довольно распространен в природе, однако его сложно выделить в чистом виде из-за сильного сходства его химии с химией других редкоземельных элементов. Скандий имеет немного коммерческих применений, основным из которых являются алюминиевые сплавы.
Титан
Титан (Ti) — элемент 4-й группы. Титан отличается одновременно низкой плотностью и высокой прочностью, а также устойчивостью к коррозии. Благодаря этим свойствам он находит широкое применение, особенно в сплавах с другими элементами, например, с железом. Его часто используют в авиастроении, для изготовления клюшек для гольфа и других изделий, требующих сочетания прочности и малого веса.
Ванадий
Ванадий (V) — элемент 5-й группы. В природе ванадий никогда не встречается в чистом виде, но широко распространен в соединениях. Ванадий во многом схож с титаном, в частности, обладает высокой коррозионной стойкостью, однако, в отличие от титана, он окисляется на воздухе даже при комнатной температуре. Все соединения ванадия в той или иной степени токсичны, причём некоторые из них обладают крайне высокой токсичностью.
Хром
Хром (Cr) — элемент 6-й группы. Хром, подобно титану и ванадию, обладает исключительной устойчивостью к коррозии и является одним из основных компонентов нержавеющей стали. Хром также образует множество цветных соединений, благодаря чему широко используется в производстве пигментов, например, хромовой зелени.
Манганец
Манган (Mn) — элемент 7-й группы. Манган часто встречается в сочетании с железом. Манган, подобно хрому, является важным компонентом нержавеющей стали, предотвращая коррозию железа. Манган также часто используется в пигментах, как и хром. Манган также является ядовитым; при вдыхании в больших количествах он может вызвать необратимые неврологические повреждения.
Железо
Железо (Fe) — элемент 8-й группы. Железо является самым распространенным на Земле среди элементов данного периода и, вероятно, самым известным из них. Оно является основным компонентом стали. Изотоп железа-56 обладает самой низкой удельной энергией связи на нуклон среди всех изотопов всех элементов, что означает, что это самый тяжелый элемент, который может образовываться в сверхгигантских звездах. Железо также выполняет важные функции в организме человека: оно входит в состав гемоглобина.
Кобальт
Кобальт (Co) — элемент 9-й группы. Кобальт широко используется в пигментах, поскольку многие его соединения имеют синий цвет. Кобальт также является ключевым компонентом многих магнитных и высокопрочных сплавов. Единственный стабильный изотоп, кобальт-59, является важным компонентом витамина B12, а кобальт-60 входит в состав продуктов ядерных взрывов и может быть опасен в значительных количествах из-за своей радиоактивности.
Никель
Никель (Ni) — элемент 10-й группы. Никель редко встречается в земной коре, главным образом из-за того, что он реагирует с кислородом воздуха, и большая часть никеля на Земле происходит из никелево-железных метеоритов. Однако никель в изобилии представлен в ядре Земли, где вместе с железом составляет его два основных компонента. Никель является важным компонентом нержавеющей стали и многих жаропрочных сплавов.
Медь
Медь (Cu) — элемент 11-й группы. Медь — один из немногих металлов, не имеющих белого или серого цвета; другие такие металлы — золото, осмий и цезий. Люди используют медь на протяжении тысячелетий для придания красноватого оттенка различным предметам, и она даже является жизненно важным питательным веществом для человека, хотя в избытке она ядовита. Медь также широко применяется в качестве древесного консерванта или фунгицида.
Цинк
Цинк (Zn) — элемент 12-й группы. Цинк является одним из основных компонентов латуни и используется с 10-го века до нашей эры. Цинк чрезвычайно важен для человека: почти 2 миллиарда людей в мире страдают от его дефицита. Однако избыток цинка может вызывать дефицит меди. Цинк широко применяется в батареях, в частности в углецинковых батареях, и важен для многих видов покрытий благодаря высокой коррозионной стойкости.
Галлий
Галлий (Ga) — элемент 13-й группы, расположенный под алюминием. Галлий примечателен тем, что имеет температуру плавления около 303 кельвинов, что близко к комнатной температуре. Например, он будет твердым в обычный весенний день, но жидким в жаркий летний день. Галлий является важным компонентом сплава галинстан, вместе с оловом. Галлий также используется в полупроводниках.
Германий
Германий (Ge) — это элемент 14-й группы. Как и кремний, расположенный выше, германий является важным полупроводником и широко используется в диодах и транзисторах, часто в сочетании с мышьяком. Германий относительно редок на Земле, что обусловило его сравнительно позднее открытие. Соединения германия иногда могут вызывать раздражение глаз, кожи или легких.
Арсен
Арсен (As) — элемент 15-й группы, пниктогены. Как упоминалось выше, арсен часто используется в полупроводниках в сплавах с германием. Арсен в чистом виде и в некоторых сплавах чрезвычайно ядовит для всех многоклеточных организмов и поэтому является распространенным компонентом пестицидов. Ранее арсен также использовался в некоторых пигментах, до открытия его токсичности.
Селен
Селен (Se) — элемент 16-й группы, халькогены. Селен является первым неметаллом в 4-м периоде и обладает свойствами, сходными с серой. В чистом виде в природе селен встречается довольно редко, в основном в виде минералов, таких как пирит, и даже в этом случае его содержание невелико. Селен необходим человеку в микродозах, но в больших количествах он токсичен. В мономолекулярной структуре селен имеет красный цвет, а в кристаллической — металлический серый.
Бром
Бром (Br) — это элемент 17-й группы (галоген). В природе он не встречается в элементарном виде. Бром является жидкостью лишь при комнатной температуре, с температурой кипения около 330 кельвинов. Бром также достаточно токсичен и обладает коррозионными свойствами, однако ионы бромида, которые относительно инертны, можно обнаружить в галите, или поваренной соли. Бром часто используется в качестве антипирена, поскольку многие соединения способны выделять свободные атомы брома.
Криптон
Криптон (Kr) — благородный газ, расположенный под аргоном и над ксеноном. Как благородный газ, криптон редко вступает в реакции с самим собой или другими элементами; хотя соединения криптона и были обнаружены, все они нестабильны и быстро распадаются, поэтому криптон часто используется в люминесцентных лампах. Криптон, подобно большинству благородных газов, также применяется в освещении благодаря большому числу спектральных линий и указанным выше причинам.
Биологическая роль
Многие элементы 4-го периода участвуют в контроле функции белков, выступая в роли вторичных посредников, структурных компонентов или кофакторов ферментов. Клетки используют градиент калия для поддержания мембранного потенциала, который обеспечивает возбуждение нейротрансмиттеров и облегченную диффузию, среди прочих процессов. Кальций является распространенной сигнальной молекулой для таких белков, как кальмодулин, и играет ключевую роль в запуске сокращения скелетных мышц у позвоночных. Селен входит в состав неканонической аминокислоты селеноцистеина; белки, содержащие селеноцистеин, известны как селенопротеины. Ферменты, содержащие марганец, используются как эукариотами, так и прокариотами и могут играть роль в вирулентности некоторых патогенных бактерий. Ванабины, также известные как ванадий-ассоциированные белки, обнаружены в клетках крови некоторых видов морских асцидий. Функция этих белков остается предметом споров, хотя высказываются предположения об их роли в качестве переносчиков кислорода. Ионы цинка используются для стабилизации цинкового пальца в структуре многих белков, связывающихся с ДНК. Элементы 4-го периода также могут образовывать кофакторы, комплексируясь с органическими малыми молекулами. Наиболее известным примером является гемоглобин: железосодержащее порфириновое соединение, отвечающее за функцию переноса кислорода миоглобином и гемоглобином, а также за каталитическую активность цитохромов. У некоторых беспозвоночных, включая ракообразных-подков, тарантулов и осьминогов, гемоцианин заменяет гемоглобин в качестве основного переносчика кислорода в крови. Витамин B12 представляет собой одно из немногих биохимических применений кобальта.