عنصر الدورة الرابعة

مع ازدياد العدد الذري ، يُؤدي مبدأ أوفباو إلى توزيع إلكترونات عناصر الدورة على المدارات الفرعية 4s و3d و4p، بهذا الترتيب. مع ذلك ، توجد استثناءات، مثل الكروم . أما العناصر الاثنا عشر الأولى - البوتاسيوم والكالسيوم والفلزات الانتقالية - فلديها من إلكترون واحد إلى اثني عشر إلكترون تكافؤ على التوالي، موزعة على المدارين 4s و3d.

^{يصل عدد} الإلكترونات في المدارات الفرعية لعنصر الأرجون إلى اثني عشر إلكترونًا ، ليصل إلى مدار الزنك ، وهو ^3d¹⁰ 4s² . بعد هذا العنصر، ينسحب المدار الفرعي 3d الممتلئ فعليًا من التفاعلات الكيميائية، ويشبه الاتجاه اللاحق إلى حد كبير الاتجاهات في الدورتين الثانية والثالثة . أما عناصر المجموعة p من الدورة الرابعة، فيتكون غلاف تكافؤها من المدارين الفرعيين 4s و4p للغلاف الرابع ( n = 4 ) ، وتخضع لقاعدة الثمانية . 

في الكيمياء الكمومية ، تشهد هذه الدورة انتقالًا من نموذج الغلاف الإلكتروني المبسط إلى دراسة العديد من الأغلفة الفرعية ذات الأشكال المختلفة . ويخضع التوزيع النسبي لمستويات الطاقة لتفاعل تأثيرات فيزيائية متنوعة. تضع فلزات الفئة s في هذه الدورة إلكتروناتها المميزة على المدار 4s، على الرغم من وجود فراغات بين مستويات الطاقة n = 3  الأدنى اسميًا - وهي ظاهرة غير موجودة في العناصر الأخف. في المقابل، تُعد العناصر الستة من الغاليوم إلى الكريبتون الأثقل، حيث تكون جميع أغلفة الإلكترونات أسفل غلاف التكافؤ ممتلئة تمامًا . لم يعد هذا ممكنًا في الدورات اللاحقة بسبب وجود أغلفة فرعية f تبدأ من n = 4 .

البوتاسيوم (K) فلز قلوي ، يقع أسفل الصوديوم وفوق الروبيديوم ، ^{[ 4 ]} وهو أول عنصر في الدورة الرابعة. يُعدّ من أكثر العناصر الكيميائية نشاطًا ، ويوجد عادةً في المركبات فقط . وهو فلز فضي اللون ^{[ 5 ]} يتأكسد بسرعة عند تعرضه لأكسجين الهواء . يتميز بنعومته الكافية لقطعه بالسكين ^{[ 6 ]} ، وهو ثاني أقل العناصر كثافة . يتمتع البوتاسيوم بنقطة انصهار منخفضة نسبيًا ؛ إذ ينصهر تحت لهب صغير مكشوف. ^{[ 5 ]} كما أنه أقل كثافة من الماء، ويمكنه نظريًا أن يطفو ^{[ 7 ]} (مع أنه يتفاعل مع أي ماء يتعرض له). ^{[ 5 ]}

الكالسيوم (Ca) هو العنصر الثاني في الدورة. وهو فلز قلوي ترابي ، ونادرًا ما يوجد الكالسيوم النقي في الطبيعة، لأنه يتفاعل مع الماء. ^{[ 8 ]} يلعب الكالسيوم دورًا بيولوجيًا بالغ الأهمية في جميع الحيوانات وبعض النباتات، حيث يُكوّن عناصر هيكلية كالعظام والأسنان. ^{[ 9 ]} كما يُستخدم في الخلايا ، مثل نقل الإشارات للعمليات الخلوية . ويُعتبر الكالسيوم أكثر المعادن وفرةً في جسم الإنسان.

السكانديوم (Sc) هو العنصر الثالث في الدورة، وأول فلز انتقالي في الجدول الدوري. يُعدّ السكانديوم شائعًا نسبيًا في الطبيعة، لكن يصعب عزله نظرًا لتشابه خصائصه الكيميائية مع مركبات العناصر الأرضية النادرة الأخرى . وللسكانديوم استخدامات تجارية قليلة جدًا، باستثناء سبائك الألومنيوم .

التيتانيوم (Ti) عنصر من عناصر المجموعة  الرابعة . يُعد التيتانيوم من أقل المعادن كثافةً، ومن أقوى المعادن وأكثرها مقاومةً للتآكل. ولذلك، له استخدامات عديدة، لا سيما في السبائك مع عناصر أخرى، كالحديد. ويُستخدم بكثرة في صناعة الطائرات ، ومضارب الغولف ، وغيرها من المنتجات التي تتطلب قوةً وخفة وزن.

الفاناديوم (V) عنصر من عناصر المجموعة  الخامسة . لا يوجد الفاناديوم في الطبيعة بصورة نقية، ولكنه يوجد عادةً في مركبات. يشبه الفاناديوم التيتانيوم في نواحٍ عديدة، منها مقاومته العالية للتآكل، إلا أنه على عكس التيتانيوم، يتأكسد في الهواء حتى في درجة حرارة الغرفة. جميع مركبات الفاناديوم سامة بدرجات متفاوتة، وبعضها شديد السمية.

الكروم (Cr) عنصر من عناصر المجموعة  السادسة . يتميز الكروم، مثله مثل التيتانيوم والفاناديوم، بمقاومته العالية للتآكل، وهو أحد المكونات الرئيسية للفولاذ المقاوم للصدأ . كما أن للكروم العديد من المركبات الملونة، ولذلك يُستخدم بكثرة في صناعة الأصباغ، مثل الأخضر الكرومي .

المنغنيز (Mn) عنصر من عناصر المجموعة  السابعة . يوجد المنغنيز غالبًا مرتبطًا بالحديد. ومثل الكروم، يُعدّ المنغنيز مكونًا أساسيًا في الفولاذ المقاوم للصدأ ، إذ يمنع صدأ الحديد. كما يُستخدم المنغنيز بكثرة في صناعة الأصباغ، تمامًا مثل الكروم. المنغنيز مادة سامة، واستنشاق كميات كبيرة منه قد يُسبب تلفًا عصبيًا لا رجعة فيه.

الحديد (Fe) عنصر من عناصر المجموعة  الثامنة . وهو أكثر عناصر هذه الدورة شيوعًا على الأرض، وربما أشهرها. وهو المكون الرئيسي للفولاذ . يتميز الحديد-56 بأقل كثافة طاقة بين جميع نظائر العناصر، مما يجعله العنصر الأثقل كتلةً الذي يمكن إنتاجه في النجوم العملاقة . وللحديد أيضًا بعض الاستخدامات في جسم الإنسان؛ فالهيموجلوبين يتكون جزئيًا من الحديد.

الكوبالت (Co) عنصر من عناصر المجموعة  التاسعة . يُستخدم الكوبالت بكثرة في صناعة الأصباغ، إذ أن العديد من مركباته زرقاء اللون. كما يُعد الكوبالت مكونًا أساسيًا في العديد من السبائك المغناطيسية والسبائك عالية القوة. النظير المستقر الوحيد له، الكوبالت-59 ، عنصر مهم في فيتامين ب12 ، بينما يُعد الكوبالت-60 أحد مكونات التساقط النووي، وقد يكون خطيرًا بكميات كبيرة نظرًا لنشاطه الإشعاعي.

النيكل (Ni) عنصر من عناصر المجموعة  العاشرة . يُعدّ النيكل نادرًا في قشرة الأرض، ويعود ذلك أساسًا إلى تفاعله مع الأكسجين في الهواء، حيث يأتي معظمه من النيازك الحديدية النيكلية . مع ذلك، يتوفر النيكل بوفرة في لبّ الأرض ؛ فهو، إلى جانب الحديد، أحد المكوّنين الرئيسيين. يُعدّ النيكل عنصرًا هامًا في الفولاذ المقاوم للصدأ، وفي العديد من السبائك الفائقة .

النحاس (Cu) عنصر من عناصر المجموعة  الحادية عشرة . وهو من المعادن القليلة التي لا يكون لونها أبيض أو رمادي، إلى جانب الذهب والأوزميوم والسيزيوم . استخدم الإنسان النحاس لآلاف السنين لإضفاء لون محمر على العديد من الأشياء، وهو عنصر غذائي أساسي للإنسان، مع العلم أن الإفراط في تناوله سام. كما يُستخدم النحاس بشكل شائع كمادة حافظة للأخشاب ومبيد للفطريات .

الزنك (Zn) عنصر من عناصر المجموعة  الثانية عشرة . وهو أحد المكونات الرئيسية للنحاس الأصفر ، الذي يُستخدم منذ القرن العاشر قبل الميلاد. كما أن للزنك أهمية بالغة للإنسان؛ إذ يعاني ما يقرب من ملياري شخص حول العالم من نقص الزنك. مع ذلك، فإن الإفراط في تناول الزنك قد يُسبب نقص النحاس. يُستخدم الزنك بكثرة في البطاريات، وخاصة بطاريات الكربون والزنك ، كما أنه عنصر مهم في العديد من أنواع الطلاء، نظرًا لمقاومته العالية للتآكل.

الغاليوم (Ga) عنصرٌ يقع في المجموعة  13 ، أسفل الألومنيوم . يتميز الغاليوم بنقطة انصهاره التي تبلغ حوالي 303 كلفن ، أي ما يقارب درجة حرارة الغرفة. فعلى سبيل المثال، يكون صلبًا في يوم ربيعي عادي، ولكنه سائل في يوم صيفي حار. يُعد الغاليوم مكونًا أساسيًا في سبيكة الغالينستان ، إلى جانب القصدير. كما يدخل الغاليوم في صناعة أشباه الموصلات.

الجرمانيوم (Ge) عنصرٌ من عناصر المجموعة  14. يُعدّ الجرمانيوم، كالسليكون الذي يسبقه، شبه موصلٍ هام ، ويُستخدم بكثرة في الثنائيات والترانزستورات، غالبًا مع الزرنيخ. يُعتبر الجرمانيوم نادرًا نسبيًا على سطح الأرض، مما أدى إلى اكتشافه في وقتٍ متأخر نسبيًا. قد يُسبب الجرمانيوم، في مركباته، تهيجًا للعينين أو الجلد أو الرئتين.

الزرنيخ (As) عنصر من عناصر المجموعة  15 ، وهي مجموعة البنيكتوجينات. وكما ذُكر سابقًا، يُستخدم الزرنيخ بكثرة في أشباه الموصلات ضمن سبائك مع الجرمانيوم. يُعدّ الزرنيخ، في صورته النقية وفي بعض السبائك، شديد السمية لجميع الكائنات متعددة الخلايا، ولذلك فهو مُكوّن شائع في المبيدات الحشرية. كما استُخدم الزرنيخ في بعض الأصباغ قبل اكتشاف سميته.

السيلينيوم (Se) عنصرٌ من عناصر المجموعة  16 ، وهي مجموعة الكالكوجينات. يُعدّ السيلينيوم أول عنصر لا فلزي في الدورة  الرابعة، وله خصائص مشابهة للكبريت . يُعدّ السيلينيوم نادرًا جدًا في الطبيعة بصورته النقية، إذ يوجد غالبًا في معادن مثل البيريت ، وحتى في هذه الحالة، يبقى نادرًا. يُعدّ السيلينيوم ضروريًا للإنسان بكميات ضئيلة، ولكنه سامّ بكميات أكبر. يكون لون السيلينيوم أحمر في بنيته أحادية المول، بينما يكون رماديًا معدنيًا في بنيته البلورية.

البروم (Br) عنصر من عناصر المجموعة  17 (الهالوجينات) . لا يوجد في الطبيعة بصورته العنصرية. يكون البروم سائلاً بالكاد في درجة حرارة الغرفة، ويغلي عند حوالي 330 كلفن. كما أنه سامٌّ ومُؤكِلٌّ للغاية، ولكن يمكن إيجاد أيونات البروميد، وهي خاملة نسبيًا، في الهاليت أو ملح الطعام. يُستخدم البروم غالبًا كمثبط للاشتعال نظرًا لإمكانية إنتاج العديد من المركبات التي تُطلق ذرات البروم الحرة.

الكريبتون (Kr) غاز نبيل ، يقع أسفل الأرجون وفوق الزينون . ولأنه غاز نبيل، نادرًا ما يتفاعل الكريبتون مع نفسه أو مع العناصر الأخرى؛ ورغم اكتشاف مركبات له، إلا أنها جميعًا غير مستقرة وتتحلل بسرعة، ولذلك يُستخدم الكريبتون غالبًا في المصابيح الفلورية. كما يُستخدم الكريبتون، كمعظم الغازات النبيلة، في الإضاءة نظرًا لكثرة خطوطه الطيفية وللأسباب المذكورة آنفًا.