第3周期の要素

第3周期元素は、化学元素周期表の第3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ると新しい行が始まります。つまり、同様の挙動を示す元素は同じ垂直の列に分類されます。第3周期には、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、リン、硫黄、塩素、アルゴンの8つの元素が含まれます。最初の2つ、ナトリウムとマグネシウムは、周期表のsブロックのメンバーであり、その他はpブロックのメンバーです。第3周期の元素はすべて自然界に存在し、少なくとも1つの安定同位体を持っています。^[1]

原子構造の量子力学的記述では、この周期は第 3 ( n = 3 ) 殻の電子の増加、より具体的には 3s および 3p サブシェルの充填に対応します。3d サブシェルは存在しますが、アウフバウ原理に従って、周期 4まで充填されません。これにより、8 つの元素すべてが周期 2 の元素とまったく同じ順序で類似します。オクテット則は一般に周期 3 にも周期 2 の元素と同じように適用されます。これは、3d サブシェルは通常は非作用性であるためです。

ナトリウム（記号Na ）は、柔らかく、銀白色で、反応性の高い金属であり、アルカリ金属の仲間です。その唯一の安定同位体は²³ Naです。ナトリウムは、長石、ソーダライト、岩塩など、多くの鉱物に豊富に存在する元素です。ナトリウムの塩の多くは水に非常に溶けやすいため、地球上の水域に大量に存在し、最も多く存在するのは塩化ナトリウムとして海です。

石鹸作りに使われる水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）や、除氷剤や栄養剤として使われる塩化ナトリウムなど、多くのナトリウム化合物が有用です。同じイオンは、硝酸ナトリウムなど多くのミネラルの成分でもあります。

自由金属である元素ナトリウムは自然界には存在せず、ナトリウム化合物から調製する必要があります。元素ナトリウムは、1807 年にハンフリー・デービーによって水酸化ナトリウムの電気分解によって初めて単離されました。

マグネシウム（記号Mg）はアルカリ土類金属であり、共通の酸化数は+2です。地球の地殻で8番目に豊富な元素であり^[2]、既知の宇宙全体では9番目に豊富な元素です。^{[3] [4]}マグネシウムは、地球全体で4番目に多い元素（鉄、酸素、ケイ素に次ぐ）であり、惑星の質量の13％と惑星のマントルの大部分を占めています。マグネシウムは、超新星の中で3つのヘリウム原子核が炭素（3つのヘリウム原子核からできている）に順次追加されることによって簡単に生成されるため、比較的豊富です。マグネシウムイオンは水に溶けやすいため、海水に溶解している3番目に豊富な元素です。^[5]

自由元素（金属）は反応性が非常に高いため、地球上で自然には見つかりません（ただし、生成されると薄い酸化物層で覆われ [不動態化を参照]、この反応性が部分的に隠されます）。自由金属は特徴的な明るい白色光を発して燃えるため、フレアの有用な成分となります。現在、この金属は主に塩水から得られるマグネシウム塩の電気分解によって得られます。商業的には、この金属の主な用途は、アルミニウム- マグネシウム合金（「マグナリウム」または「マグネリウム」と呼ばれることもあります）を作るための合金剤としてです。マグネシウムはアルミニウムよりも密度が低いため、これらの合金は比較的軽くて強度が高いため高く評価されています。

マグネシウムイオンは酸味があり、低濃度であれば新鮮なミネラルウォーターに自然な酸味を与えるのに役立ちます。

アルミニウム（記号：Al）またはアルミニウム（米語： aluminum）は、ホウ素元素群に属する銀白色の元素で、pブロック金属であり、一部の化学者により後遷移金属に分類されている。^[6]通常の状況下では水に溶けない。アルミニウムは、地殻中で3番目に豊富な元素（酸素とケイ素に次ぐ）であり、最も豊富な金属である。地球の固体表面の重量の約8%を占める。アルミニウム金属は化学的に反応性が高く、天然には存在しない。代わりに、270種類以上の鉱物に結合して発見されている。^[7]アルミニウムの主な鉱石はボーキサイトである。

アルミニウムは、金属の低密度と不動態化現象による耐腐食性で注目されています。アルミニウムとその合金で作られた構造部品は、航空宇宙産業に不可欠であり、輸送および構造材料の他の分野でも重要です。少なくとも重量ベースで、アルミニウムの最も有用な化合物は、酸化物と硫酸塩です。

シリコン（記号Si）は、第 14 族の半 金属です。周期表ですぐ上にある化学的類似体の炭素（非金属）よりも反応性は低いですが、すぐ下にある半金属のゲルマニウムよりも反応性が高いです。シリコンの特性に関する論争は発見当初からありました。シリコンは、1824 年に純粋な形で初めて作成され、特性が調べられ、金属を示唆する-iumで終わる語尾を持つ silicium（ラテン語のsilicis、火打ち石から）という名前が付けられました。しかし、1831 年に提案された最終的な名前は、化学的により類似した元素である炭素とホウ素を反映しています。

ケイ素は質量で見ると宇宙で8番目に多い元素ですが、自然界で純粋な自由元素として存在するのは非常にまれです。ケイ素は、二酸化ケイ素（シリカ）またはケイ酸塩のさまざまな形で、塵、砂、小惑星、惑星に最も広く分布しています。地球の地殻の90％以上はケイ酸塩鉱物で構成されており、ケイ素は地球の地殻で酸素に次いで2番目に多い元素（質量で約28％）となっています。^[8]

シリコンのほとんどは分離されることなく商業的に利用されており、実際、自然界の化合物をほとんど加工せずに利用されることも少なくありません。これには、粘土、珪砂、石の直接的な工業建築利用が含まれます。珪素はセラミックレンガに使用されます。珪酸塩はモルタルやスタッコ用のポートランドセメントに使用され、珪砂や砂利と混合されてコンクリートが作られます。珪酸塩は、磁器などの白磁や、伝統的な石英ベースのソーダ石灰ガラスにも含まれています。炭化ケイ素などのより現代的なシリコン化合物は、研磨剤や高強度セラミックを形成します。シリコンは、シリコーンと呼ばれる、どこにでもある合成シリコンベースのポリマーの基礎です。

元素シリコンは現代の世界経済にも大きな影響を及ぼしています。遊離シリコンのほとんどは鉄鋼精錬、アルミニウム鋳造、および精製化学​​産業（多くの場合、フュームドシリカの製造）で使用されていますが、半導体電子機器に使用される比較的少量の非常に高純度のシリコン（10% 未満）は、おそらくさらに重要です。ほとんどのコンピューターの基礎である集積回路でシリコンが広く使用されているため、現代のテクノロジーの多くはシリコンに依存しています。

リン（記号P）は窒素族の多価 非金属で、鉱物としてのリンは、無機リン鉱石として、ほぼ常に最大限に酸化された（五価）状態で存在します。元素リンは、白リンと赤リンの 2 つの主要な形態で存在しますが、その高い反応性のため、リンは地球上で自由元素として見つかることはありません。

最初に生成された元素リン（1669年製、白リン）は、酸素に触れるとかすかな光を発するため、ギリシャ神話の「光の運び手」（ラテン語：ルシファー）を意味するΦωσφόροςにちなんで名付けられ、「明けの明星」である金星を指しています。「リン光」という用語は、照明後の輝きを意味し、リンのこの特性に由来していますが、リンの輝きは白リン（赤リンではない）の酸化から生じるため、化学発光と呼ぶべきです。また、オクテット則の安定した例外を簡単に生成できる最も軽い元素でもあります。

リン化合物の大部分は肥料として消費されています。その他の用途としては、洗剤、殺虫剤、神経ガス、マッチにおける有機リン化合物の役割があります。^[9]

硫黄（記号S）は、豊富に存在する 多価非金属で、カルコゲンの 1 つです。通常の状態では、硫黄原子は化学式 S _8の環状八原子分子を​​形成します。元素硫黄は、室温では明るい黄色の結晶性固体です。化学的には、硫黄は酸化剤または還元剤として反応します。硫黄はほとんどの金属と、炭素を含むいくつかの非金属を酸化するため、ほとんどの有機硫黄化合物で負に帯電しますが、酸素やフッ素などのいくつかの強力な酸化剤は還元します。

自然界では、硫黄は純粋な元素として、また硫化物や硫酸塩鉱物として見つかります。元素硫黄の結晶は、その鮮やかな多面体の形状から、鉱物収集家によく求められています。天然の形で豊富に存在するため、硫黄は古代から知られており、古代ギリシャ、中国、エジプトでその用途が言及されています。硫黄の煙は燻蒸剤として使用され、硫黄を含む医薬混合物は香油や駆虫薬として使用されました。硫黄は聖書の中で英語でbrimstoneと呼ばれており、この名前は現在でもいくつかの非科学的な用語で使用されています。^[10]硫黄は、独自の錬金術のシンボルを受け取るほど重要であると考えられていました。硫黄は最高品質の黒色火薬を作るのに必要であり、錬金術師は明るい黄色の粉末に金のいくつかの特性が含まれていると仮定し、金の合成を目指しました。 1777 年、アントワーヌ・ラボアジエは、硫黄が化合物ではなく基本元素であることを科学界に納得させることに貢献しました。

元素硫黄はかつて岩塩ドームから抽出され、そこではほぼ純粋な形で存在することもあったが、この方法は 20 世紀後半から廃れてしまった。今日では、元素硫黄のほぼすべてが、天然ガスや石油から硫黄含有汚染物質を除去した後に副産物として生成される。この元素の商業的用途は、主に肥料 (植物の要求量が比較的高いため) と、主要な工業用化学物質である硫酸の製造である。この元素のよく知られた用途には、マッチ、殺虫剤、殺菌剤がある。多くの硫黄化合物は臭気を発し、臭気を帯びた天然ガス、スカンクの匂い、グレープフルーツ、ニンニクの匂いは、硫黄化合物によるものである。生物によって生成される硫化水素は、腐った卵やその他の生物学的プロセスに特徴的な匂いを与える。

塩素（記号Cl）は、2番目に軽いハロゲンです。この元素は、標準条件下では二原子分子を​​形成し、二塩素と呼ばれます。塩素はすべての元素の中で最も高い電子親和力と電気陰性度を持ち、そのため強力な酸化剤です。

塩素の最も一般的な化合物である塩化ナトリウム（食塩）は、古代から知られていましたが、1630年頃、ベルギーの化学者で医師のヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントが塩素ガスを発見しました。元素塩素の合成と特性評価は、1774年にスウェーデンの化学者カール・ヴィルヘルム・シェーレによって行われました。シェーレは、当時は酸には必ず酸素が含まれていると考えられていたため、塩酸から得られる酸化物を合成したと考え、それを「脱フロジスティケートされた塩酸空気」と呼びました。クロード・ベルトレを含む多くの化学者は、シェーレの「脱フロジスティケートされた塩酸空気」は酸素とまだ発見されていない元素の組み合わせに違いないと示唆し、シェーレはこの酸化物内の想定される新元素をmuriaticumと名付けました。この新しく発見されたガスが単純な元素であるという示唆は、1809年にジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとルイ＝ジャックによってなされました。これは 1810 年にハンフリー・デービー卿によって確認され、彼はこれを「緑黄色」を意味する ギリシャ語のχλωρός (chlōros) から塩素と名付けました。

塩素は、他の多くの化合物の成分です。塩素は、地殻で2番目に豊富なハロゲンであり、21番目に豊富な元素です。塩素の強力な酸化力により、漂白剤や消毒剤として使用され、化学産業では不可欠な試薬となっています。一般的な消毒剤として、塩素化合物はプールを清潔で衛生的に保つために使用されています。上層大気では、クロロフルオロカーボンなどの塩素含有分子がオゾン層の破壊に関与していると言われています。

アルゴン（記号Ar ）は、第 18 族の希ガスの 3 番目の元素です。アルゴンは、地球の大気中で 3 番目に多い気体で、0.93% 存在し、二酸化炭素よりも多くなっています。このアルゴンのほぼすべては、地球の地殻でカリウム 40が崩壊して生じた放射性 アルゴン 40です。宇宙では、アルゴン 36 が圧倒的に最も一般的なアルゴン同位体であり、恒星内元素合成によって生成されるアルゴン同位体として好まれています。

「アルゴン」という名前は、ギリシア語の中性形容詞ἀργόνに由来しており、「怠け者」または「不活性な」という意味で、この元素はほとんど化学反応を起こさない。原子外殻に完全なオクテット（電子 8 個）があるため、アルゴンは安定しており、他の元素と結合しにくい。アルゴンの三重点温度 83.8058  Kは、 1990 年の国際温度目盛りの定義的な固定点である。

アルゴンは、液体空気の分留によって工業的に生産されます。アルゴンは主に、通常は反応しない物質が反応するようになる溶接やその他の高温工業プロセスで不活性シールドガスとして使用されます。たとえば、グラファイト電気炉では、グラファイトの燃焼を防ぐためにアルゴン雰囲気が使用されます。アルゴンガスは、白熱灯や蛍光灯、その他のタイプのガス放電管にも使用されます。アルゴンは、特徴的な青緑色のガスレーザーを生成します。

ナトリウムはすべての動物と一部の植物にとって必須の元素です。動物では、ナトリウムイオンはカリウムイオンに対して使用され、細胞膜に電荷を蓄積し、電荷が散逸すると神経インパルスを伝達できるようになります。そのため、ナトリウムは食物無機マクロミネラルに分類されます。

マグネシウムは、人体の中で質量で11番目に多い元素です。マグネシウムのイオンはすべての生体細胞に不可欠で、 ATP、DNA、RNAなどの重要な生物学的ポリリン酸化合物の操作に大きな役割を果たしています。したがって、何百もの酵素が機能するためにマグネシウムイオンを必要とします。マグネシウムはクロロフィルの中心にある金属イオンでもあり、肥料の一般的な添加物です。^{[11]マグネシウム化合物は、一般的な}下剤、制酸剤（例、マグネシアミルク）として医療用に使用され、異常な神経興奮や血管けいれんの安定化が必要な多くの状況（例、子癇の治療）でも使用されています。

アルミニウム塩は環境中に広く存在するにもかかわらず、いかなる生命体にも利用されていないことが知られています。その普遍性に鑑みて、アルミニウムは植物や動物によく許容されます。^[12]アルミニウム化合物は広く存在するため、その潜在的な有益な（またはそうでない）生物学的役割は引き続き注目されています。

ケイ素は生物学において必須の元素ですが、動物にはごく微量しか必要とされないようです。^[13]しかし、さまざまな海綿動物は構造を形成するためにケイ素を必要とします。ケイ素は植物、特に多くの草の代謝にとってはるかに重要であり、ケイ酸（シリカの一種）は微細な珪藻類の保護殻の印象的な配列の基礎を形成します。

リンは生命に不可欠です。リン酸塩はDNA、RNA、ATPの成分であり、すべての細胞膜を形成するリン脂質の成分でもあります。リンと生命のつながりを証明する元素リンは、歴史的に人間の尿から初めて単離され、骨灰は初期の重要なリン源でした。リン酸塩鉱物は化石です。低リン酸塩レベルは、一部の水生システムの成長にとって重要な制限です。今日、リンベースの化学物質の最も重要な商業的用途は、植物が土壌から除去するリンを補充するための肥料の製造です。

硫黄はすべての生命にとって必須の元素であり、生化学プロセスで広く使用されています。代謝反応では、硫黄化合物は単純な生物の燃料および呼吸（酸素補充）物質の両方として機能します。有機硫黄はビタミンのビオチンとチアミンに含まれており、後者はギリシャ語で硫黄を意味する言葉にちなんで名付けられています。硫黄は多くの酵素の重要な部分であり、グルタチオンやチオレドキシンなどの抗酸化分子に含まれています。有機結合した硫黄は、アミノ酸の システインやメチオニンと同様に、すべてのタンパク質の成分です。ジスルフィド結合は、外皮、髪、羽毛に含まれるタンパク質ケラチンの機械的強度と不溶性に大きく関与しており、この元素は燃焼時の刺激臭の一因となっています。

元素塩素はあらゆる生命体にとって極めて危険で有毒であり、化学戦争では肺剤として使用されます。しかし、塩素は塩化物イオンの形で、人間を含むほとんどの生命体にとって必要です。

アルゴンには生物学的役割はありません。酸素以外のガスと同様に、アルゴンは窒息性物質です。