Введение
Элемент третьего периода — один из химических элементов в третьем ряду (или периоде) периодической таблицы химических элементов. Периодическая таблица организована в ряды для иллюстрации повторяющихся (периодических) закономерностей в химическом поведении элементов с увеличением их атомного номера: новый ряд начинается, когда химическое поведение начинает повторяться, то есть элементы со схожими свойствами располагаются в одних и тех же вертикальных столбцах. Третий период содержит восемь элементов: натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон. Первые два, натрий и магний, относятся к s-блоку периодической таблицы, а остальные — к p-блоку. Все элементы третьего периода встречаются в природе и имеют хотя бы один стабильный изотоп.
A period 3 element is one of the chemical elements in the third row (or period) of the periodic table of the chemical elements. The periodic table is laid out in rows to illustrate recurring (periodic) trends in the chemical behavior of the elements as their atomic number increases: a new row is begun when chemical behavior begins to repeat, meaning that elements with similar behavior fall into the same vertical columns. The third period contains eight elements: sodium, magnesium, aluminium, silicon, phosphorus, sulfur, chlorine and argon. The first two, sodium and magnesium, are members of the s block of the periodic table, while the others are members of the p block. All of the period 3 elements occur in nature and have at least one stable isotope.
Атомная структура
В квантово-механическом описании атомной структуры этот период соответствует накоплению электронов в третьей (n = 3) оболочке, а точнее – заполнению ее 3s и 3p подуровней. 3d подуровень существует, но, в соответствии с принципом Ауфбау, он заполняется только начиная с четвертого периода. Это делает все восемь элементов аналогами элементов второго периода в той же последовательности. Правило октета обычно применимо к элементам третьего периода так же, как и ко второму, поскольку 3d подуровень обычно не участвует в образовании химических связей.
Натрий
Натрий (символ Na) — мягкий, серебристо-белый, высокореактивный металл, относящийся к щелочным металлам; его единственным стабильным изотопом является 23Na. Это распространенный элемент, входящий в состав многочисленных минералов, таких как полевые шпаты, содалит и каменная соль. Многие соли натрия обладают высокой растворимостью в воде и поэтому в значительных количествах содержатся в водоемах Земли, особенно в океанах в виде хлорида натрия. Многие соединения натрия полезны в различных областях, например, гидроксид натрия (каустическая сода) используется в производстве мыла, а хлорид натрия — в качестве антигололедного реагента и питательного вещества. Тот же ион также входит в состав многих минералов, таких как нитрат натрия. Свободный металл, элементарный натрий, не встречается в природе и должен быть получен из соединений натрия. Элементарный натрий впервые был выделен Хамфри Дэви в 1807 году путем электролиза гидроксида натрия.
Магний
Магний (символ Mg) — щелочноземельный металл с обычной степенью окисления +2. Он является восьмым по распространенности элементом в земной коре и девятым во Вселенной в целом. Магний — четвертый по распространенности элемент на Земле (после железа, кислорода и кремния), составляя 13% массы планеты и значительную часть ее мантии. Он относительно распространен, поскольку легко образуется в сверхновых звездах путем последовательного присоединения трех ядер гелия к углероду (который, в свою очередь, образуется из трех ядер гелия). Благодаря высокой растворимости ионов магния в воде, он является третьим по распространенности элементом, растворенным в морской воде. Свободный элемент (металл) в природе на Земле не встречается, поскольку он очень реакционноспособен (однако после получения он покрывается тонким слоем оксида, который частично снижает эту реакционную способность). Свободный металл горит ярким белым светом, что делает его полезным компонентом в осветительных ракетах. В настоящее время металл в основном получают электролизом солей магния, извлеченных из рассолов. В коммерческих целях основное применение металла — в качестве легирующей добавки для производства алюминиево-магниевых сплавов, иногда называемых "магналием" или "магнезиумом". Поскольку магний менее плотный, чем алюминий, эти сплавы ценятся за их легкость и прочность. Ионы магния имеют кислый вкус и в низких концентрациях способствуют естественной терпкости свежих минеральных вод.
Алюминий
Алюминий (символ Al) или алюминий (американский английский) — серебристо-белый представитель группы бора в периодической таблице химических элементов и p-металл, который некоторые химики классифицируют как постпереходный металл. При обычных условиях он не растворяется в воде. Алюминий — третий по распространенности элемент в земной коре (после кислорода и кремния) и наиболее распространенный металл. Он составляет около 8% массы твердой поверхности Земли. Алюминий в чистом виде химически слишком активен, чтобы встречаться в природе. Вместо этого он обнаруживается в составе более чем 270 различных минералов. Основной рудой алюминия является боксит. Алюминий отличается низкой плотностью и способностью противостоять коррозии благодаря явлению пассивации. Конструкционные элементы из алюминия и его сплавов жизненно важны для аэрокосмической отрасли и играют важную роль в других областях транспорта и в производстве конструкционных материалов. Наиболее важными соединениями алюминия, по массе, являются оксиды и сульфаты.
Кремний
Кремний (символ Si) — это металлоид 14-й группы. Он менее реакционноспособен, чем его химический аналог углерод, расположенный непосредственно выше него в периодической таблице, но более реакционноспособен, чем германий, расположенный непосредственно ниже него. Споры о природе кремния возникли с момента его открытия: кремний был впервые получен и охарактеризован в чистом виде в 1824 году и получил название силиций (от латинского *silicis* — кремень) с окончанием -ium, указывающим на металл. Однако его окончательное название, предложенное в 1831 году, отражает сходство с углеродом и бором. Кремний — восьмой по распространенности элемент во Вселенной по массе, но в природе он редко встречается в виде чистого свободного элемента. Наиболее широко он распространен в пыли, песке, планетоидах и планетах в виде различных форм диоксида кремния (кремнезема) или силикатов. Более 90% земной коры состоит из силикатных минералов, что делает кремний вторым по распространенности элементом в земной коре (около 28% по массе) после кислорода. Большая часть кремния используется в промышленности без выделения в чистом виде, часто с минимальной обработкой природных соединений. К ним относится непосредственное использование в строительстве глины, кварцевого песка и камня. Кварц используется в производстве керамического кирпича. Силикаты входят в состав портландцемента для приготовления раствора и штукатурки, а в сочетании с песком и гравием — для производства бетона. Силикаты также входят в состав керамики, такой как фарфор, и традиционного содо-известкового стекла на основе кварца. Более современные соединения кремния, такие как карбид кремния, используются в качестве абразивов и для производства высокопрочной керамики. Кремний является основой широко используемых синтетических полимеров на основе кремния, называемых силиконами. Элементарный кремний также оказывает значительное влияние на современную мировую экономику. Хотя большая часть свободного кремния используется в сталелитейной, алюминиевой литейной и тонкой химической промышленности (часто для производства дымного кремнезема), относительно небольшая доля высокоочищенного кремния, используемого в полупроводниковой электронике (менее 10%), возможно, еще более важна. Благодаря широкому использованию кремния в интегральных схемах, лежащих в основе большинства компьютеров, большая часть современных технологий зависит от него.
Фосфор
Фосфор (символ P) — многовалентный неметалл группы азота. В минералах фосфор почти всегда присутствует в максимально окисленном (пятивалентном) состоянии, в виде неорганических фосфатных пород. Элементарный фосфор существует в двух основных формах — белый и красный фосфор, однако из-за высокой реакционной способности фосфор никогда не встречается в свободном виде на Земле. Первая полученная форма элементарного фосфора (белый фосфор, в 1669 году) излучает слабое свечение при контакте с кислородом, отсюда и его название, происходящее из греческой мифологии, Φωσφόρος, означающее «носитель света» (лат. Lucifer), отсылающее к «Утренней звезде» — планете Венере. Хотя термин «фосфоресценция», обозначающий свечение после освещения, происходит от этого свойства фосфора, свечение фосфора возникает в результате окисления белого (но не красного) фосфора и должно называться хемолюминесценцией. Фосфор также является самым легким элементом, который легко образует стабильные исключения из правила октета. Подавляющее большинство соединений фосфора используется в качестве удобрений. Другие области применения включают использование органофосфорных соединений в моющих средствах, пестицидах, нервно-паралитических веществах и спичках.
Сера
Сера (символ S) — распространённый поливалентный неметалл, один из халкогенов. В нормальных условиях атомы серы образуют циклические октатомные молекулы с химической формулой S8. Элементарная сера — ярко-жёлтое кристаллическое вещество при комнатной температуре. Химически сера может выступать как окислитель, так и восстановитель. Она окисляет большинство металлов и некоторые неметаллы, включая углерод, что приводит к отрицательному заряду в большинстве органосерных соединений, но восстанавливает ряд сильных окислителей, таких как кислород и фтор. В природе сера встречается как в чистом виде, так и в виде сульфидов и сульфатных минералов. Кристаллы элементарной серы часто востребованы коллекционерами минералов благодаря их ярко окрашенным многогранным формам. Благодаря своей распространённости в самородном виде, сера была известна с древних времён и упоминается в связи с её применением в Древней Греции, Китае и Египте. Дым серы использовался в качестве фумиганта, а содержащие серу лекарственные смеси — в качестве бальзамов и противопаразитарных средств. В Библии сера упоминается как сера, и это название до сих пор используется в некоторых не научных терминах. Сера считалась достаточно важной, чтобы иметь собственный алхимический символ. Она была необходима для производства высококачественного чёрного пороха, а ярко-жёлтый порошок, по мнению алхимиков, содержал некоторые свойства золота, которое они стремились синтезировать. В 1777 году Антуан Лавуазье помог убедить научное сообщество в том, что сера — это основной элемент, а не соединение. Раньше элементарную серу добывали из соляных куполов, где она иногда встречается в почти чистом виде, но этот метод устарел к концу XX века. Сегодня почти вся элементарная сера получается как побочный продукт при удалении серосодержащих примесей из природного газа и нефти. Основные области коммерческого применения элемента — производство удобрений, в связи с относительно высокой потребностью растений в сере, и производство серной кислоты, важнейшего промышленного химиката. Другие известные области применения элемента — в спичках, инсектицидах и фунгицидах. Многие соединения серы обладают запахом, а запах одорированного природного газа, скунса, грейпфрута и чеснока обусловлен серосодержащими соединениями. Сероводород, производимый живыми организмами, придает характерный запах тухлым яйцам и другим биологическим процессам.
Хлор
Хлор (символ Cl) — второй по легкости галоген. Этот элемент образует двухатомные молекулы в стандартных условиях, называемые дихлорином. Он обладает наивысшим сродством к электрону и одной из наивысших электроотрицательностей среди всех элементов; таким образом, хлор является сильным окислителем. Наиболее распространенное соединение хлора, хлорид натрия (поваренная соль), было известно с древних времен; однако, около 1630 года бельгийский химик и врач Ян Батист ван Гельмонт получил хлор в виде газа. Синтез и характеристика элементарного хлора были осуществлены в 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, который назвал его «дефлогистированным кислотным воздухом муриата», поскольку он полагал, что синтезировал оксид, полученный из соляной кислоты, так как в то время считалось, что кислоты обязательно содержат кислород. Ряд химиков, включая Клода Бертолле, предположили, что «дефлогистированный кислотный воздух муриата» Шееле должен быть комбинацией кислорода и еще не открытого элемента, и Шееле назвал предполагаемый новый элемент в составе этого оксида муриатиком. Предположение о том, что этот недавно открытый газ является простым элементом, было выдвинуто в 1809 году Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком. Это было подтверждено в 1810 году сэром Хамфри Дэви, который назвал его хлором, от греческого слова χλωρός (chlōros), означающего «светло-зеленый» или «желтовато-зеленый». Хлор является компонентом многих других соединений. Это второй по распространенности галоген и 21-й по распространенности химический элемент в земной коре. Высокая окислительная способность хлора обусловила его применение в качестве отбеливателя и дезинфицирующего средства, а также в качестве важного реагента в химической промышленности. В качестве распространенного дезинфицирующего средства соединения хлора используются в бассейнах для поддержания чистоты и санитарного состояния воды. В верхних слоях атмосферы молекулы, содержащие хлор, такие как хлорфторуглероды, были связаны с разрушением озонового слоя.
Аргон
Аргон (символ Ar) — третий элемент в группе 18, группе благородных газов. Аргон является третьим по распространенности газом в атмосфере Земли, составляя 0,93%, что делает его более распространенным, чем углекислый газ. Почти весь этот аргон — радиогенный аргон-40, образовавшийся в результате распада калия-40 в земной коре. Во Вселенной аргон-36 является наиболее распространенным изотопом аргона, предпочтительно образующимся в ходе звездного нуклеосинтеза. Название "аргон" происходит от греческого нейтрального прилагательного ἀργόν, означающего "ленивый" или "неактивный", поскольку элемент практически не вступает в химические реакции. Заполненная октетом (восемью электронами) внешняя атомная оболочка делает аргон стабильным и устойчивым к образованию связей с другими элементами. Его температура тройной точки, равная 83,8058 К, является определяющей фиксированной точкой в Международной температурной шкале 1990 года. Аргон получают промышленным способом методом фракционной перегонки жидкого воздуха. Аргон в основном используется как инертный защитный газ при сварке и других высокотемпературных промышленных процессах, где обычно нереактивные вещества становятся реакционноспособными: например, атмосфера аргона используется в графитовых электропечах для предотвращения сгорания графита. Аргон также применяется в лампах накаливания и люминесцентных лампах, а также в других типах газоразрядных труб. Аргон генерирует характерный сине-зеленый газовый лазер.
Биологические роли
Натрий является важнейшим элементом для всех животных и некоторых растений. У животных ионы натрия используются совместно с ионами калия для создания разности потенциалов на клеточных мембранах, что обеспечивает передачу нервных импульсов при рассеянии заряда; поэтому он классифицируется как незаменимый неорганический макроминерал в питании. Магний – одиннадцатый по распространенности элемент в человеческом организме по массе; его ионы необходимы для всех живых клеток, где они играют ключевую роль в регуляции важных биологических полифосфатных соединений, таких как АТФ, ДНК и РНК. Следовательно, сотням ферментов требуются ионы магния для функционирования. Магний также является центральным металлическим ионом в хлорофилле и, таким образом, широко используется в качестве добавки к удобрениям. Соединения магния применяются в медицине как общеупотребимые слабительные, антациды (например, молоко магнезии) и в ряде случаев, когда требуется стабилизация при аномальном возбуждении нервной системы и спазме кровеносных сосудов (например, при лечении эклампсии). Несмотря на широкое распространение в окружающей среде, не известно о применении солей алюминия какими-либо формами жизни. В соответствии с его повсеместностью, растения и животные хорошо его переносят. Ввиду их распространенности, потенциальные полезные (или иные) биологические роли соединений алюминия продолжают представлять интерес. Кремний – важный элемент в биологии, хотя для животных требуются лишь незначительные его количества, в то время как различным морским губкам необходим кремний для поддержания структуры. Он гораздо важнее для метаболизма растений, особенно злаков, а кремниевая кислота (форма диоксида кремния) составляет основу впечатляющего разнообразия защитных оболочек микроскопических диатомовых водорослей. Фосфор необходим для жизни. В форме фосфата он входит в состав ДНК, РНК, АТФ, а также фосфолипидов, формирующих все клеточные мембраны. Подтверждая связь между фосфором и жизнью, элементарный фосфор был впервые выделен исторически из человеческой мочи, а костная зола являлась важным ранним источником фосфатов. Фосфатные минералы – это ископаемые. Низкий уровень фосфатов является важным фактором, ограничивающим рост в некоторых водных экосистемах. В настоящее время наиболее важное коммерческое применение фосфорсодержащих химических веществ – производство удобрений для восполнения фосфора, удаляемого растениями из почвы. Сера – незаменимый элемент для всей жизни и широко используется в биохимических процессах. В метаболических реакциях соединения серы служат как источником энергии, так и заменителями кислорода для простых организмов. Сера в органической форме присутствует в витаминах биотин и тиамин, последний из которых получил свое название от греческого слова, означающего "сера". Сера является важной частью многих ферментов и антиоксидантных молекул, таких как глутатион и тиоредоксин. Органически связанная сера входит в состав всех белков, а также аминокислот цистеина и метионина. Дисульфидные связи в значительной степени отвечают за механическую прочность и нерастворимость белка кератина, содержащегося в коже, волосах и перьях, а также способствуют их характерному запаху при сжигании. Элементарный хлор чрезвычайно опасен и ядовит для всех форм жизни и используется в качестве удушающего вещества в химической войне; однако хлор необходим большинству форм жизни, включая человека, в форме ионов хлорида. Аргон не играет никакой биологической роли. Как и любой газ, кроме кислорода, аргон является удушающим.