 |
| シリーズの一部 |
| 周期表 |
|---|
 |
第3周期元素は、化学元素周期表の第3行（周期）にある化学元素の1つである。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る。化学的挙動が繰り返され始めると新しい行が開始され、同様の挙動を示す元素は同じ垂直の列に配置されることを意味する。第3周期には、ナトリウム、マグネシウム、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄、塩素、アルゴンの8つの元素が含まれる。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ある。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つ。[ 1 ]
原子構造
原子構造の量子力学的記述において、この周期は第3殻（n = 3）の電子の蓄積、より具体的には3sおよび3pサブシェルの充足に対応します。3dサブシェルも存在しますが、アウフバウ原理に従い、第4周期まで充足されません。これにより、8つの元素すべてが、第2周期の元素と全く同じ順序で類似しています。3dサブシェルは通常は非作用であるため、オクテット則は一般に第3周期にも第2周期の元素と同様に適用されます。
要素
| 要素 | # | シンボル | ブロック | 電子配置 |
|---|---|---|---|---|
| ナトリウム | 11 | ナ | Sブロック | [Ne] 3秒1 |
| マグネシウム | 12 | マグネシウム | Sブロック | [Ne] 3s 2 |
| アルミニウム | 13 | アル | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 1 |
| シリコン | 14 | シ | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 2 |
| リン | 15 | P | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 3 |
| 硫黄 | 16 | S | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 4 |
| 塩素 | 17 | 塩素 | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 5 |
| アルゴン | 18 | アル | pブロック | [Ne] 3s 2 3p 6 |
ナトリウム
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、アルカリ金属に属します。唯一の安定同位体はNa23です。長石、ソーダライト、岩塩など、多くの鉱物に豊富に含まれる元素です。多くのナトリウム塩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、中でも海洋では塩化ナトリウムとして最も多く存在します。
石鹸作りに用いられる水酸化ナトリウム（苛性ソーダ）や、凍結防止剤や栄養剤として用いら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。また、硝酸ナトリウムなど、多くのミネラルの成分としても用いられています。
遊離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
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よく溶けるため、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、地球上では自然には存在しません（ただし、生成されると薄い酸化物層（不動態化を参照）に覆われ、この反応性は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焼するため、フレアの有用な材料となります。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ています。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）を製造す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量で強度が高いことから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、低濃度では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
アルミニウム（記号：Al）またはアルミニウム（米語： aluminum）は、ホウ素族の銀白色の元素で、pブロック金属であり、一部の化学者には遷移後金属に分類されています。[ 6 ]通常の状況下では水に溶けません。アルミニウムは、地殻中で3番目に豊富な元素（酸素とケイ素に次いで）であり、最も豊富な金属です。地球の固体表面の重量の約8％を占めています。アルミニウム金属は化学的に反応性が高く、自然界に存在しません。代わりに、270種類以上の鉱物に結合して存在します。[ 7 ]アルミニウムの主鉱石はボーキサイトです。
アルミニウムは、その低密度と不動態化現象による耐腐食性において優れた特性を持っています。アルミニウムおよび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、輸送機器や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見ると、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
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元素である炭素よりも反応性は低いですが、すぐ下にある半金属元素である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始まっています。シリコンは1824年に初めて純粋な形で調製され、その特性が明らかにされました。当時、金属を連想させる語尾に-iumを付けて、シリシウム（ラテン語のsilicis、フリントに由来）と命名されました。しかし、1831年に提案された最終的な名称は、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ことは非常に稀です。ケイ素は塵、砂、小惑星、惑星に、二酸化ケイ素（シリカ）またはケイ酸塩の様々な形態で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において酸素に次いで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、石を工業建築に直接利用することが含まれます。シリカはセラミックレンガに使用されます。ケイ酸塩は、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、コンクリートを作る際には珪砂や砂利と混合されます。ケイ酸塩は、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。より現代的なシリコン化合物、例えば炭化ケイ素は、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与えています。遊離シリコンの大部分は鉄鋼精錬、アルミニウム鋳造、そしてファインケミカル産業（多くの場合、フュームドシリカの製造に利用されます）で使用されていますが、半導体エレクトロニクスで使用される比較的少量（10%未満）の非常に高純度のシリコンは、おそらくさらに重要です。ほとんどのコンピュータの基盤となる集積回路にシリコンが広く使用されているため、現代の技術の多くはシリコンに依存しています。
リン
リン（記号P）は窒素族の多価非金属です。鉱物としてのリンは、ほとんどの場合、最大限に酸化された（五価）状態、すなわち無機リン鉱石として存在します。元素リンは白リンと赤リンという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、地球上ではリンは自由元素として存在しません。
最初に生成された元素リン（白リン、1669年）は、酸素に触れるとかすかな光を発します。そのため、ギリシャ神話の「光の担い手」（ラテン語：ルシファー）を意味するΦωσφόρος （ルシファー）にちなんで名付けられました。これは「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、照明後に光るという意味で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）の酸化によって発生するため、化学発光と呼ぶべきです。また、リンはオクテット則の安定した例外を容易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、マッチなどの有機リン化合物が挙げられます。[ 9 ]
硫黄
硫黄（記号S）は、カルコゲン族元素の一つで、豊富に存在する多価非金属です。通常の条件下では、硫黄原子は化学式S 8で表される環状八原子分子を形成します。元素硫黄は室温では鮮やかな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。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は負に帯電しますが、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。聖書では硫黄は英語で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が与えられ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、錬金術師たちはその明るい黄色の粉に金のいくつかの特性が含まれていると仮定し、金の合成を試みていました。 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、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、ほぼすべての元素硫黄は、天然ガスや石油から硫黄含有汚染物質を除去する際の副産物として生産されている。この元素の商業的用途は、主に肥料（植物の比較的高い要求性のため）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、着臭した天然ガス、スカンクの臭い、グレープフルーツ、ニンニクの臭いは、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臭いを与える。
塩素
塩素（記号Cl ）は、ハロゲンの中で2番目に軽い元素です。この元素は標準条件下で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・ヘルモントによって塩素ガスが発見されました。元素塩素の合成と特性解析は、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。彼は、当時酸は必然的に酸素を含む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、これを「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」は酸素と未発見の元素の化合物であるに違いないと示唆し、シェーレはこの酸化物に含まれるとされる新元素をムリアティカム（muriaticum）と名付けました。この新発見のガスが単純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。
塩素は多くの化合物の成分です。地殻中では2番目に豊富なハロゲン元素であり、21番目に豊富な元素です。塩素の強力な酸化力は、漂白剤や消毒剤として使用されるだけでなく、化学産業において不可欠な試薬でもあります。塩素化合物は一般的な消毒剤として、プールを清潔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ことが指摘されています。
アルゴン
アルゴン（記号Ar ）は、第18族の希ガスに属する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、その割合は0.93%であり、二酸化炭素よりも多く含まれています。このアルゴンのほぼ全ては、地殻におけるカリウム40の崩壊によって生成される放射性アルゴン40です。宇宙では、アルゴン36が圧倒的に多い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の中で最も多く使用されています。
「アルゴン」という名称は、ギリシャ語の中性形容詞ἀργόνに由来し、「怠惰な」または「不活性なもの」を意味します。これは、アルゴンが化学反応をほとんど起こさないことに由来しています。原子外殻に8つの電子（オクテット）が揃っているため、アルゴンは安定しており、他の元素と結合しにくい性質を持っています。アルゴンの三重点温度は83.8058 Kで、1990年の国際温度目盛りにおいて定義的な固定点となっています。
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性を持つようになる溶接などの高温工業プロセスにおいて、不活性シールドガスとして使用されます。例えば、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。
生物学的役割
ナトリウムはすべての動物と一部の植物にとって必須元素です。動物においては、ナトリウムイオンはカリウムイオンと相互作用して細胞膜に電荷を蓄積し、電荷が消失することで神経インパルスの伝達を可能にします。そのため、ナトリウムは食物性無機ミネラルに分類されます。
マグネシウムは、人体において質量で11番目に多い元素である。そのイオンはすべての生体細胞に必須であり、 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主要な役割を果たしている。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する。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るため、肥料の一般的な添加物である。[ 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）にも使用されている。
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、いかなる生物にも利用されることは知られていない。その普遍性に鑑み、植物や動物はアルミニウム塩を良好な耐容性で吸収する。[ 12 ]アルミニウム化合物の普遍性ゆえに、その潜在的な生物学的役割（あるいはその他の役割）は、依然として関心を集めている。
ケイ素は生物学において必須元素ですが、動物には微量しか必要とされないようです[ 13 ]。しかし、様々な海綿動物は構造を維持するためにケイ素を必要とします。植物、特に多くのイネ科植物の代謝においては、ケイ素ははるかに重要であり、ケイ酸（シリカの一種）は、微細な珪藻類の印象的な保護殻の配列の基礎を形成しています。
リンは生命にとって不可欠です。リン酸として、DNA、RNA、ATP、そしてあらゆる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示すものとして、元素リンは歴史的に人間の尿から初めて単離され、初期の重要なリン酸源は骨灰でした。リン酸塩鉱物は化石です。低リン酸レベルは、一部の水生生物の成長にとって重要な制限となります。今日、リン系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う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と呼吸（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も含まれています。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のように、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原因でもあります。
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。
元素表
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| グループ → | ||||||||||||||||||
| ↓ 期間 | ||||||||||||||||||
| 3 | ナトリウム11ナ22.990 | マグネシウム12マグネシウム24.305 | アルミニウム13アル26.982 | シリコン14シ28.085 | リン15P30.974 | 硫黄16S32.06 | 塩素17塩素35.45 | アルゴン18アル39.95 | ||||||||||
注記
参考文献
- ^周期表第3元素アーカイブ2012年7月29日Wayback Machineより Scienceaid.co.uk
- ^ Railsback, L. Bruce. 「地球の大陸地殻における最も豊富な元素の存在量と形態」(PDF)。『鉱物学と地球化学の基礎』。2011年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2008年2月15日閲覧。
- ^ Housecroft, CE; Sharpe, AG (2008).無機化学（第3版）. Prentice Hall. pp. 305– 306. ISBN 978-0-13-175553-6。
- ^アッシュ、ラッセル (2005). 『2006年版トップ10：究極のリスト集』 DK Pub. ISBN 0-7566-1321-3. 2010年2月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Anthoni, J Floor (2006). 「海水の化学組成」
- ^ Huheey JE、Keiter EA、Keiter RL 1993、「構造と反応性の原理」第4版、HarperCollins College Publishers、 ISBN 0-06-042995-X、28ページ
- ^ Shakhashiri, Bassam Z. 「今週の化学物質：アルミニウム」。Science is Fun。2007年9月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2007年8月28日閲覧。
- ^ Nave, R.地殻中の元素の存在量、ジョージア州立大学
- ^ハーバート・ディスコウスキー、トーマス・ホフマン「リン」 、ウルマン工業化学百科事典 2005、Wiley-VCH、ヴァインハイム。doi: 10.1002/14356007.a19_505
- ^ Greenwood, NN; & Earnshaw, A. (1997). 『元素化学』（第2版）, Oxford:Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4。
- ^ 「健康におけるマグネシウム」。
- ^オットー、ヘルムボルト;キース・ハドソン、L.ミスラ、チャナキヤ。ウェーファーズ、カール。てか、ヴォルフガング。スターク、ハンス。ダナー、マックス。ロシュ、ノルベルト (2007)。 「アルミニウム化合物、無機」。ウルマンの工業化学百科事典。土井: 10.1002/14356007.a01_527.pub2。ISBN 978-3527306732。
- ^ Nielsen, Forrest H. (1984). 「栄養学における超微量元素」. Annual Review of Nutrition . 4 (1): 21– 41. Bibcode : 1984ARNut...4...21N . doi : 10.1146/annurev.nu.04.070184.000321 . PMID 6087860 .
