第2周期の要素

周期2 の元素は、化学元素の周期表の2 番目の行 (または周期) にある化学元素の 1 つです。周期表は、原子番号が増加するにつれて元素の化学的挙動に繰り返される (周期的な) 傾向を示すために行に配置されています。化学的挙動が繰り返され始めると新しい行が開始され、同様の特性を持つ元素の 列が作成されます。

第 2 周期には、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、ネオンの各元素が含まれます。原子構造の量子力学的記述では、この周期は第 2 ( n = 2 ) 殻、より具体的には2sおよび2pサブシェルの充填に対応します。第 2 周期の元素 (炭素、窒素、酸素、フッ素、ネオン) は、価電子殻を完成させるために 8 個の電子を必要とするという点でオクテット則に従います(リチウムとベリリウムはデュエット則に従い、ホウ素は電子が不足しています)。最大で 8 個の電子 (2s 軌道に 2 個、2p サブシェルに 6 個) を収容できます。

第 2 周期は、周期表で周期的な傾向を導き出せる最初の周期です。第 1 周期には 2 つの元素 (水素とヘリウム) しか含まれておらず、特にこの 2 つの元素が他の s ブロック元素とはまったく異なる挙動を示すため、決定的な傾向を導き出すには小さすぎます。^{[1] [2]}第 2 周期には、はるかに決定的な傾向があります。第 2 周期のすべての元素では、原子番号が増加するにつれて、元素の原子半径は減少し、電気陰性度は増加し、イオン化エネルギーは増加します。^[3]

第2周期には8つの元素のうち2つの金属（リチウムとベリリウム）しかなく、数と割合の両面で後続の周期よりも少ない。また、非金属の数も全周期中最多の5つである。第2周期の元素は、それぞれのグループの中で最も極端な特性を持つことが多い。例えば、フッ素は最も反応性の高いハロゲンであり、ネオンは最も不活性な希ガスであり、^[4]リチウムは最も反応性の低いアルカリ金属である。^[5]

第2周期のすべての元素はマデルング則に完全に従います。第2周期では、リチウムとベリリウムが2sサブシェルを満たし、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素、ネオンが2pサブシェルを満たします。この周期は、この規則から外れることの多い遷移元素や内部遷移元素を含まない第1周期と第3周期とこの特徴を共有しています。^[5]

リチウム (Li) は原子番号 3 のアルカリ金属で、天然には⁶ Li と^{7 Li の}2 つの同位体があります。地球上のリチウムの天然存在はすべてこの 2 つですが、他の同位体が合成されています。イオン化合物では、リチウムは電子を失って正に帯電し、陽イオンLi ^{+ を}形成します。リチウムは周期表の最初のアルカリ金属であり、^{[注 1]}周期表の最初の金属でもあります。^{[注 2]}標準温度および圧力 では、リチウムは柔らかく、銀白色で、反応性の高い金属です。密度は 0.564 g⋅cm ⁻³で、リチウムは最も軽い金属であり、最も密度の低い固体元素です。^[6]

リチウムはビッグバンで合成された数少ない元素の1つです。リチウムは地球上で31番目に豊富な元素であり、^[7]重量で20～70 ppmの濃度で存在しますが、^[8]反応性が高いため、天然には化合物中にしか存在しません。^[8]

リチウム塩は、気分安定 剤として薬理学業界で使用されています。^{[9] [10]}双極性障害の治療に使用され、うつ病や躁病の治療に役立ち、自殺の可能性を減らす可能性があります。^[11]最も一般的に使用されている化合物は、炭酸リチウム、Li ₂ CO ₃、クエン酸リチウム、Li ₃ C ₆ H ₅ O ₇、硫酸リチウム、Li ₂ SO ₄、およびオロト酸リチウム、LiC ₅ H ₃ N ₂ O ₄ ·H ₂ Oです。リチウムはバッテリーのアノードとしても使用され、アルミニウム、カドミウム、銅、マンガンとの合金は、航空機、最も有名なスペースシャトルの外部燃料タンクの高性能部品の製造に使用されます。^[6]

^{ベリリウム（Be）は原子番号4の化学元素で、 9} Beの形で存在します。標準温度と圧力では、ベリリウムは強度があり、灰色がかった鋼鉄のような色をしており、軽量で脆い二価の アルカリ土類金属で、密度は1.85 g⋅cm ⁻³です。^{[12]また、}軽金属の中で最も融点が高いものの1つです。ベリリウムの最も一般的な同位体は⁹ Beで、4個の陽子と5個の中性子を含みます。これは天然に存在するベリリウムのほぼ100%を構成し、唯一の安定同位体ですが、他の同位体が合成されています。イオン性化合物では、ベリリウムは2つの価電子を失って陽イオンBe ²⁺を形成します。

少量のベリリウムはビッグバンの間に合​​成されましたが、そのほとんどは崩壊するか、さらに反応して炭素、窒素、酸素などのより大きな原子核を作りました。ベリリウムは、ベルトランダイト（Be ₄ Si ₂ O ₇ (OH) _{2 ）}、緑柱石（Al ₂ Be ₃ Si ₆ O ₁₈）、クリソベリル（Al ₂ BeO _{4 ）}、フェナカイト（Be ₂ SiO _{4 ）など、4000種類の既知の}鉱物のうち100種類の成分です。緑柱石の貴重な形態は、アクアマリン、レッドベリル、エメラルドです。商業的に使用されるベリリウムの最も一般的な供給源は、緑柱石とベルトランダイトであり、その製造には、マグネシウム金属によるフッ化ベリリウムの還元、または溶融塩化ベリリウムの電気分解（塩化ベリリウムは電気の伝導率が低いため、塩化ナトリウムをいくらか含む）が含まれます。^[12]

ベリリウム金属は、その剛性、軽量性、および広い温度範囲での寸法安定性のため、航空機、ミサイル、通信衛星の構造材料として使用されています。^[12]ベリリウム銅の合金剤として使用され、その高い電気伝導性と熱伝導性により、電気部品の製造に使用されています。^[13]ベリリウムのシートは、可視光をフィルタリングしてX線のみを通過させるX線検出器で使用されます。 ^[12]軽い原子核は重い原子核よりも中性子を減速させるのに効果的であるため、原子炉では中性子減速材として使用されます。 ^{[12]ベリリウムは軽量で剛性が高いため、}スピーカーのツイーターの構造にも役立ちます。^[14]

ベリリウムおよびベリリウム化合物は、国際がん研究機関によってグループ1の発がん性物質に分類されており、動物と人間の両方に発がん性があります。^[15]慢性ベリリウム症は、ベリリウムへの曝露によって引き起こされる肺および全身の 肉芽腫性疾患です。1%～15%の人がベリリウムに敏感で、呼吸器系と皮膚に炎症反応を起こすことがあります。これを慢性ベリリウム症またはベリリウム症と呼びます。体の免疫系はベリリウムを異物と認識し、通常は吸入した肺で攻撃を開始します。これにより、発熱、疲労、衰弱、寝汗、呼吸困難が生じる可能性があります。^[16]

ホウ素（B）は原子番号5の化学元素で、¹⁰ Bおよび¹¹ Bとして存在します。標準温度および圧力では、ホウ素はいくつかの異なる同素体を持つ三価の半 金属です。非晶質ホウ素は、多くの化学反応の生成物として形成される茶色の粉末です。結晶性ホウ素は、高融点の非常に硬い黒色の物質で、多くの多形で存在します。2つの菱面体形、α-ホウ素とβ-ホウ素は、菱面体単位格子にそれぞれ12個と106.7個の原子を含み、50原子の正方晶ホウ素が最も一般的です。ホウ素の密度は2.34 ⁻³です。^[17]ホウ素の最も一般的な同位体は80.22%の¹¹ Bで、5個の陽子と6個の中性子を含みます。他の一般的な同位体は¹⁰ Bで19.78%で、5個の陽子と5個の中性子を含みます。^[18]これらはホウ素の唯一の安定同位体ですが、他の同位体が合成されています。ホウ素は他の非金属と共有結合を形成し、酸化状態は1、2、3、4です。 ^{[19] [20] [21]} ホウ素は自由元素として自然界に存在せず、ホウ酸塩などの化合物の形で存在します。ホウ素の最も一般的な供給源は、トルマリン、ホウ砂、Na ₂ B ₄ O ₅ (OH) ₄ ·8H ₂ O、およびケルナイト、Na ₂ B ₄ O ₅ (OH) ₄ ·2H ₂ Oです。 ^{[17]純粋なホウ素を得ることは困難です。}三酸化ホウ素B ₂ O ₃のマグネシウム還元によって作ることができます。この酸化物は、ホウ砂から得られるホウ酸（B(OH) _{3 ）を溶融することによって作られる。少量の純粋なホウ素は、}触媒として機能する高温のタンタル線上で水素ガス中の臭化ホウ素（BBr _{3 ）を}熱分解することによって作ることができる。^[17]商業的に最も重要なホウ素源は、四ホウ酸ナトリウム五水和物（Na ₂ B ₄ O ₇ · 5H _{2 ）である。} Oは、絶縁ガラス繊維や過ホウ酸ナトリウム 漂白剤の製造に大量に使用されます。セラミック材料である炭化ホウ素は、特に兵士や警察官の防弾チョッキの装甲材料の製造に使用されます。オルトホウ酸、H ₃ BO _{3またはホウ酸は、繊維ガラス}繊維やフラットパネルディスプレイの製造に使用されます。四ホウ酸ナトリウム十水和物、Na ₂ B ₄ O ₇ · 10H ₂ Oまたはホウ砂は、接着剤の製造に使用されます。同位体ホウ素10は、原子炉の制御、核放射線の遮蔽、および中性子の検出に使用される機器に使用されます。^[18]

ホウ素は植物に不可欠な微量栄養素であり、細胞壁の強度と発達、細胞分裂、種子と果実の発達、糖の輸送、ホルモンの発達に必要です。^[22]しかし、土壌中のホウ素濃度が 1.0 ppmを超えると、葉が壊死し、生育が悪くなります。0.8 ppm という低濃度でも、特にホウ素に敏感な植物ではこれらの症状が現れることがあります。ほとんどの植物は、土壌中のホウ素に耐性がある植物でも、ホウ素濃度が 1.8 ppm を超えるとホウ素中毒の症状を示します。^{[18]動物では、ホウ素は}超微量元素です。人間の食事では、1 日の摂取量は 2.1 ～ 4.3 mg/kg 体重です。^[23]ホウ素は、骨粗しょう症や関節炎の予防と治療のためのサプリメントとしても使用されています。^[24]

炭素は原子番号6の化学元素で、¹² C、¹³ C、¹⁴ Cとして存在します。 ^[25]標準温度および圧力では、炭素は固体で、多くの異なる同素体で存在し、最も一般的なものはグラファイト、ダイヤモンド、フラーレン、非晶質炭素です。^[25]グラファイトは、優れた導電性と熱力学的に安定した特性を持つ、柔らかい六方晶系の不透明な黒色の半金属です。一方、ダイヤモンドは透明度が高く無色の立方晶で導電性は低く、天然鉱物の中で最も硬く、すべての宝石の中で最も高い屈折率を持っています。ダイヤモンドやグラファイトの結晶格子構造とは対照的に、フラーレンは分子であり、分子の構造が似ているリチャード・バックミンスター・フラーにちなんで名付けられました。数種類のフラーレンがありますが、最もよく知られているのは「バッキーボール」C ₆₀です。フラーレンについてはほとんど知られておらず、現在研究対象となっています。^[25]非晶質炭素もあり、これは結晶構造を持たない炭素です。^[26]鉱物学では、この用語はすすや石炭を指すために使用されますが、これらは少量のグラファイトやダイヤモンドを含むため、真の非晶質ではありません。^{[27] [28]}炭素の最も一般的な同位体は、6つの陽子と6つの中性子を持つ12Cで、98.9％です。^[ 29 ^{] 13} Cも安定しており、6つの陽子と7つの中性子を持ち、1.1％です。^[29]微量の¹⁴ Cも自然界に存在しますが、この同位体は放射性であり、半減期は5730年です。放射性炭素年代測定に使用されます。^[30]炭素の他の同位体も合成されています。炭素は、酸化状態が-4、-2、+2、または+4の他の非金属と共有結合を形成します。^[25]

炭素は、質量では水素、ヘリウム、酸素に次いで宇宙で4番目に多い元素であり^[31]、人体では質量では酸素に次いで2番目に多い元素であり^[32]、原子数では3番目に多い。^[33]炭素はC—C結合の長く安定した鎖を形成できるため、炭素を含む化合物の数はほぼ無限である。^{[34] [35]}最も単純な炭素含有分子は炭化水素であり、炭素と水素を含むが^[34]、官能基に他の元素を含むこともある。炭化水素は化石燃料として、またプラスチックや石油化学製品の製造に使用されている。生命に不可欠なすべての有機化合物には、少なくとも1つの炭素原子が含まれている。^{[34] [35]炭素}は酸素や水素と結合すると、糖、リグナン、キチン、アルコール、脂肪、芳香族エステル、カロテノイド、テルペンなど、多くの重要な生物学的化合物のグループを形成できます。窒素とともにアルカロイドを形成し、硫黄を加えると抗生物質、アミノ酸、ゴム製品も形成されます。これらの他の元素にリンを加えると、生命の化学コードキャリアであるDNAとRNA、およびすべての生細胞で最も重要なエネルギー伝達分子であるアデノシン三リン酸（ATP）が形成されます。 ^[35]

窒素は、原子番号7、記号N、原子量14.00674 uの化学元素です。窒素元素は、標準状態では無色、無臭、無味で、ほとんど不活性な 二原子ガスであり、地球の大気の体積の78.08%を占めています。窒素元素は、 1772年にスコットランドの医師ダニエル・ラザフォードによって空気の分離可能な成分として発見されました。 ^[36]窒素は、窒素-14と窒素-15の2つの同位体の形で自然に存在します。^[37]

アンモニア、硝酸、有機硝酸塩（推進剤および爆薬）、シアン化物など、工業的に重要な化合物の多くは窒素を含む。窒素の化学反応は極めて強い結合によって支配されており、生物と産業の両方にとって、結合を切断して窒素を変換することが困難となっている。
₂分子を有用な化合物に変換しますが、同時に、化合物が燃焼、爆発、または窒素ガスに戻るときに、多くの場合有用な大量のエネルギーが放出されます。

窒素はすべての生物に存在し、窒素循環は窒素が空気から生物圏や有機化合物へ、そして再び大気中へ移動する過程を表わしています。合成された硝酸塩は工業用肥料の主要成分であり、水系の富栄養化を引き起こす主要な汚染物質でもあります。窒素はアミノ酸、つまりタンパク質や核酸（DNAとRNA ）の構成要素です。窒素はほぼすべての神経伝達物質の化学構造に存在し、多くの生物が生成する生物学的分子であるアルカロイドの定義成分でもあります。 ^[38]

酸素は原子番号 8 の化学元素で、ほとんどが¹⁶ O として存在しますが、¹⁷ O や¹⁸ O として存在することもあります。

酸素は、質量で宇宙で 3 番目に多い元素です (炭素原子の数は炭素原子の方が多いですが、各炭素原子はより軽いです)。酸素は電気陰性度が高く、非常に低温まで非金属で、通常は二原子のガスです。非金属元素の中ではフッ素だけが酸素より反応性が高いです。酸素は完全なオクテットより電子が 2 つ少なく、他の元素から容易に電子を奪います。酸素は室温でアルカリ金属や白リンと激しく反応し、マグネシウムより重いアルカリ土類金属とはそれほど激しく反応しません。より高温では、他のほとんどの金属と多くの非金属 (水素、炭素、硫黄を含む) を燃焼させます。多くの酸化物は、水、二酸化炭素、アルミナ、シリカ、酸化鉄 (後者はしばしばさびとして現れる) のように、分解しにくい極めて安定した物質です。酸素は、金属の塩や酸素を含む酸 (硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩、ケイ酸塩、炭酸塩) として最もよく説明される物質の一部です。

酸素はすべての生命にとって不可欠です。植物と植物プランクトンは、太陽光の下で水と二酸化炭素（両方の酸化物）を光合成して、酸素を放出しながら糖を形成します。その後、糖はセルロースや（窒素と多くの場合硫黄とともに）タンパク質などの生命に不可欠な物質に変換されます。特に動物だけでなく、菌類やバクテリアも、最終的には光合成植物と植物プランクトンから食物と酸素を得ています。

火は、建物や森林を破壊する制御不能な大火の場合でも、エンジン内の制御された火の場合でも、タービンからの電力、建物を暖めるための熱、車両を動かす動力を供給する火の場合でも、酸素を使用して、通常は炭素と水素の化合物を水と二酸化炭素（他の要素が関与する場合もあります）に酸化します。

酸素は地球の大気のおよそ 21% を占めています。この酸素はすべて光合成によって生成されます。純粋な酸素は呼吸困難の人々の医療に使用されます。過剰な酸素は有毒です。

酸素はもともと酸の形成と関連付けられていましたが、一部の酸には酸素が含まれていないことが判明しました。酸素は、特に非金属と反応して酸を形成することからその名が付けられました。一部の非金属の酸化物は非常に酸性が強く、例えば三酸化硫黄は水と接触すると硫酸を形成します。金属と反応する酸化物のほとんどはアルカリ性で、酸化カリウムのように非常にアルカリ性のものもあります。一部の金属酸化物は酸化アルミニウムのように両性で、酸と塩基の両方と反応します。

酸素は通常二原子ガスですが、オゾンと呼ばれる同素体を形成することがあります。オゾンは酸素よりもさらに反応性の高い三原子ガスです。通常の二原子酸素とは異なり、オゾンは一般に汚染物質とみなされる有毒物質です。上層大気では、一部の酸素がオゾンを形成し、オゾン層内で危険な紫外線を吸収する性質があります。オゾン層が形成される前は、陸上生物は存在できませんでした。

フッ素は原子番号9の化学元素です。天然には唯一の安定した形態である^19Fとして存在します。^[39]

フッ素は、通常の状態および非常に低い温度まで、淡黄色の二原子ガスである。各原子の非常に安定したオクテットの電子が1つ不足しているため、フッ素分子は不安定で簡単に切れてしまい、遊離したフッ素原子は他のほぼすべての元素から電子を1つ奪う傾向がある。フッ素はすべての元素の中で最も反応性が高く、多くの酸化物を攻撃して酸素をフッ素に置き換えることさえある。フッ素は、強酸を輸送するための好ましい材料の1つであるシリカを攻撃し、アスベストを燃やす。フッ素は、最も安定した化合物の1つである食塩を攻撃して塩素を放出する。フッ素は自然界で結合していない状態になることはなく、結合していない状態が長く続くことはほとんどありません。どちらかが液体または気体であれば、絶対零度に近い温度であっても、水素を同時に燃焼させる。^[40]結合していない状態に保つことはおろか、化合物から分離することさえ極めて困難である。

フッ素ガスは、生体を含むほぼすべての有機物を侵すため、極めて危険です。フッ素が形成する二元化合物（フッ化物と呼ばれる）の多くは、溶解性フッ化物、特にフッ化水素を含め、それ自体が非常に有毒です。フッ素は多くの元素と非常に強い結合を形成します。硫黄とは、極めて安定しており化学的に不活性な六フッ化硫黄を形成します。炭素とは、安定した不燃性の固体で融点が高く摩擦係数が非常に低いため、調理鍋やレインコートの裏地として最適なテフロンという優れた素材を形成します。フッ素炭素化合物には、いくつかのユニークなプラスチックが含まれます。また、歯磨き粉の製造における反応物としても使用されます。

ネオンは原子番号10の化学元素であり、^20Ne、^21Ne、^22Neとして存在する。^[41]

ネオンは単原子ガスです。外殻電子が完全な八重電子であるため、電子の除去に対して非常に耐性があり、何からも電子を受け入れることができません。ネオンは、通常の温度と圧力下では、通常の化合物を形成する傾向がなく、実質的に不活性です。いわゆる「希ガス」の 1 つです。

ネオンは、生物学的役割を持たない大気の微量成分です。

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