第4周期の要素

第4 周期元素は、化学元素周期表の第 4 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現れる反復的な (周期的な) 傾向を示すために行ごと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縦の列に分類されます。第 4 周期には、カリウムで始まりクリプトンで終わる 18 個の元素 ( 18 族それぞれに 1 個の元素) が含まれます。この周期表では、 d ブロック(遷移金属を含む)が初めて登場します。

第4周期の元素はすべて安定しており^{[1] 、その多くは}地殻や核に非常に多く存在しています。第4周期は不安定な元素がない最後の周期です。この周期の遷移金属の多くは非常に強度が高く、そのため産業でよく使われています。特に鉄です。^[2]いくつかは有毒で、既知のバナジウム化合物はすべて有毒です。 ^{[3]ヒ素は最もよく知られた}毒物のひとつで、臭素は有毒な液体です。逆に、骨の主成分であるカルシウムなど、人間の生存に不可欠な元素も数多くあります。^[2]

原子番号が大きくなるにつれて、アウフバウ原理により、周期表の元素は、 4s、3d、4p の順に電子をサブシェルに配置します。ただし、クロムなどの例外もあります。最初の 12 個の元素 (K、Ca、遷移金属) は、それぞれ 1 ～ 12 個の価電子を持ち、4s と 3d に配置されます。

アルゴンの電子配置より 12 個の電子が亜鉛の配置、つまり 3d ¹⁰  4s ²に達します。この元素の後、満たされた 3d サブシェルは化学から事実上撤退し、その後の傾向は周期2および3の傾向とよく似ています。周期 4 の p ブロック元素は、その価電子殻が第 4 ( n = 4 ) 殻の 4s および 4p サブシェルで構成され、オクテット則に従います。

量子化学にとって、この期間は、単純化された電子殻パラダイムから、さまざまな形状のサブシェルの研究への移行が見られる期間です。それらのエネルギーレベルの相対的な配置は、さまざまな物理的効果の相互作用によって決まります。この期間の s ブロック金属は、名目上低いn = 3状態の間に空孔があるにもかかわらず、差別化電子を 4s に配置します。これは、より軽い元素では見られない現象です。対照的に、ガリウムからクリプトンまでの 6 つの元素は最も重く、価電子殻より下の電子殻はすべて完全に 満たされています。これは、 n = 4から始まる f サブシェルの存在により、それ以降の期間では不可能になります。

(*)マデルングルールの例外

カリウム（K）は、ナトリウムの下、ルビジウムの上にあるアルカリ金属で、^[4]周期表の第4周期の最初の元素です。最も反応性の高い化学元素の1つで、通常は化合物でのみ見つかります。銀色の金属で^[5]、空気中の酸素にさらされると酸化されて急速に変色します。ナイフで切れるほど柔らかく^[6]、密度が2番目に低い元素です。^[要出典]カリウムの融点は比較的低く、弱火で溶けます。^[5]また、密度は水よりも低く、原理的には浮くことができます^[7]（ただし、触れた水と反応します）。^[5]

カルシウム（Ca）は周期表の2番目の元素です。アルカリ土類金属である天然カルシウムは、水と反応するため、自然界ではほとんど見つかりません。 ^{[要出典] [8]}カルシウムは、すべての動物と一部の植物において、骨や歯などの構造要素を構成する最もよく知られた生物学的役割の1つを持っています。^[9]また、細胞プロセスの信号など、細胞 内での用途もあります。カルシウムは人体で最も豊富なミネラルであると考えられています。 ^[要出典]

スカンジウム(Sc) は周期表の 3 番目の元素であり、最初の遷移金属です。スカンジウムは自然界では非常に一般的ですが、その化学的性質が他の希土類化合物と非常によく似ているため、分離が困難です。スカンジウムの商業的用途はごくわずかで、主な例外はアルミニウム 合金です。

チタン(Ti) は第 4 族の元素です。チタンは最も密度の低い金属の 1 つであると同時に、最も強度が高く耐腐食性に優れた金属の 1 つです。そのため、特に鉄などの他の元素との合金として、さまざまな用途に使用されています。航空機、ゴルフ クラブ、その他強度と軽量性が求められる物体によく使用されます。

バナジウム(V) は、第 5 族の元素です。バナジウムは、自然界では純粋な形では見つかりませんが、化合物としてよく見つかります。バナジウムは、耐腐食性が非常に高いなど、多くの点でチタンに似ていますが、チタンとは異なり、室温でも空気中で酸化します。すべてのバナジウム化合物は、少なくともある程度の毒性があり、非常に毒性の強いものもあります。

クロム(Cr) は、第 6 族の元素です。クロムは、それ以前のチタンやバナジウムと同様に、耐腐食性が極めて高く、ステンレス鋼の主成分の 1 つです。クロムには多くの色鮮やかな化合物もあり、クロムグリーンなどの顔料によく使用されます。

マンガン(Mn) は第 7 族の元素です。マンガンは鉄と結合して存在することが多いです。マンガンは、その前のクロムと同様に、鉄が錆びるのを防ぐステンレス鋼の重要な成分です。マンガンは、やはりクロムと同様に、顔料にもよく使用されます。マンガンは有毒でもあり、大量に吸入すると、回復不能な神経損傷を引き起こす可能性があります。

鉄(Fe) は第 8 族の元素です。鉄は地球上の元素の中で最も一般的なものであり、おそらく最もよく知られています。鉄は鋼の主成分です。鉄 56 はあらゆる元素の同位体の中で最もエネルギー密度が低いため、超 巨星で生成できる最も重い元素です。鉄は人体にも応用されており、ヘモグロビンの一部は鉄で​​す。

コバルト(Co) は第 9 族の元素です。コバルト化合物の多くは青色であるため、コバルトは顔料によく使用されます。また、コバルトは多くの磁性合金や高強度合金の主要成分でもあります。唯一の安定同位体であるコバルト 59はビタミン B-12の重要な成分であり、コバルト 60 は放射性降下物の成分であり、その放射能により大量に摂取すると危険です。

ニッケル(Ni) は、第 10 族の元素です。ニッケルは、主に空気中の酸素と反応するため、地殻にはほとんど存在しません。地球上のニッケルのほとんどは、ニッケル鉄隕石に由来しています。しかし、ニッケルは地球の中心核に非常に豊富に存在し、鉄とともに 2 つの主要成分の 1 つです。ニッケルは、ステンレス鋼や多くの超合金の重要な成分です。

銅(Cu) は、第 11 族の元素です。銅は、白色または灰色ではない数少ない金属の 1 つで、他の白色または灰色でない金属は、金、オスミウム、セシウムのみ^です。銅は、何千年もの間、多くの物体に赤みがかった色合いを与えるために使用されてきました。^{また、過剰に}摂取すると有毒ですが、人間にとって必須の栄養素でもあります。銅は、木材の防腐剤や殺菌剤としてもよく使用されます。

亜鉛(Zn) は、第 12 族の元素です。亜鉛は真鍮の主成分の 1 つで、紀元前 10 世紀から使用されています。亜鉛は人間にとっても非常に重要で、世界では 20 億人近くが亜鉛欠乏症に悩まされています。ただし、亜鉛が多すぎると銅欠乏症を引き起こす可能性があります。亜鉛は、炭素亜鉛電池と呼ばれる電池によく使用され、耐腐食性が非常に高いため、多くのメッキで重要です。

ガリウム(Ga) は、アルミニウムのグループ 13の元素です。ガリウムは、室温とほぼ同じ 303ケルビンの融点を持つため注目に値します。たとえば、ガリウムは一般的な春の日には固体ですが、暑い夏の日には液体になります。ガリウムは、スズとともに、ガリンスタン合金の重要な成分です。ガリウムは半導体にも含まれています。

ゲルマニウム(Ge) は、第 14 族の元素です。ゲルマニウムは、その上位のシリコンと同様に重要な半導体であり、ダイオードやトランジスタでよく使用され、多くの場合、ヒ素と組み合わせて使用​​されます。ゲルマニウムは地球上ではかなり希少であるため、比較的遅れて発見されました。化合物中のゲルマニウムは、目、皮膚、または肺を刺激することがあります。

ヒ素(As) は、第 15 族の窒素族に属する元素です。前述のように、ヒ素はゲルマニウムとの合金として半導体によく使用されます。純粋なヒ素や一部の合金のヒ素は、すべての多細胞生物にとって非常に有毒であるため、殺虫剤の一般的な成分です。ヒ素は、毒性が発見される前は、一部の顔料にも使用されていました。

セレン(Se) は、第 16 族のカルコゲン元素です。セレンは第 4 周期の最初の非金属で、硫黄に似た性質を持っています。セレンは、自然界で純粋な形で存在することは非常に稀で、主に黄鉄鉱などの鉱物に含まれていますが、それでも非常に稀です。セレンは微量であれば人間に必要ですが、多量に摂取すると有毒です。セレンは、モノモル構造では赤色ですが、結晶構造では金属的な灰色です。

臭素(Br) は、第 17 族 (ハロゲン)の元素です。自然界では元素の形で存在しません。臭素は室温ではほとんど液体ではなく、約 330 ケルビンで沸騰します。臭素は非常に有毒で腐食性もありますが、比較的不活性な臭化物イオンは岩塩、つまり食塩に含まれています。多くの化合物から遊離臭素原子を放出できるため、 臭素は難燃剤としてよく使用されます。

クリプトン(Kr) は希ガスで、アルゴンの下、キセノンの上に配置されます。希ガスであるクリプトンは、それ自体または他の元素とほとんど相互作用しません。化合物が検出されていますが、それらはすべて不安定で急速に崩壊するため、クリプトンは蛍光灯によく使用されます。クリプトンは、ほとんどの希ガスと同様に、その多数のスペクトル線と前述の理由により、照明にも使用されます。

第4周期元素の多くは、二次メッセンジャー、構造成分、酵素補因子としてタンパク質の機能を制御する役割を果たしている。細胞はカリウムの勾配を利用して膜電位を維持し、神経伝達物質の放出や拡散促進などのプロセスを可能にする。カルシウムはカルモジュリンなどのタンパク質の一般的なシグナル分子であり、脊椎動物の骨格筋収縮を誘発する上で重要な役割を果たしている。セレンは非標準 アミノ酸であるセレノシステインの成分であり、セレノシステインを含むタンパク質はセレノプロテインとして知られている。マンガン酵素は真核生物と原核生物の両方で利用されており、一部の病原細菌の毒性に役割を果たしている可能性がある。^{[10]バナジウム関連タンパク質としても知られる} バナビンは、一部のホヤの血球に見られる。これらのタンパク質の役割は議論の余地があるが、酸素運搬体として機能するという推測もある。亜鉛イオンは、多くのDNA 結合タンパク質のジンクフィンガー 環境を安定化するために使用されます。

第4周期元素は、有機小分子と複合体を形成して補因子を形成することもあります。その最も有名な例はヘムです。これは鉄を含むポルフィリン化合物で、ミオグロビンとヘモグロビンの酸素運搬機能とシトクロム酵素の触媒活性を担っています。^[11]ヘモシアニンは、カブトガニ、タランチュラ、タコなどの特定の無脊椎動物の血液中で、ヘモグロビンに代わって酸素運搬体として好まれています。ビタミンB12_は、コバルトの数少ない生化学的用途の1つです。