Общая химия (часть 2, 2012 г

Несовпадение значений валентности и степени окисления у атомов происходит и в том случае, когда наряду с обменным реализуется и донорно – акцепторный механизм образования ковалентной связи. Например, в молекуле С ≡ О валентность атомов углерода и кислорода равна 3, а степень окисления, соответственно, − «+2», и «-2; в ионе NН4+ валентность азота равна 4, а степень окисления – «-3».

101

ХИМИЯ БИОГЕННЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

102

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Все живые существа, в том числе и человек, находятся в тесном контакте с окружающей средой, т.е. представляют собой открытые термодинамические системы. Необходимым условием их существования является постоянный обмен различными веществами с окружающей средой. Пищевые продукты, питьевая вода и вдыхаемый воздух способствуют нахождению в организме практически всех химических элементов, которые постоянно поступают в ткани и выводятся из них.

В конце XIX – начале ХХ в.в. американский геохимик Ф.У. Кларк систематизировал данные по распространенности химических элементов в различных объектах (горные породы, природная вода, почва, воздух и т.д.). В ознаменование его заслуг российский геохимик А.Е. Ферсман предложил содержание определённого элемента в той или иной выделенной системе (вселенной, земной коре, океане, биомассе, как совокупности всех живых существ, человеческом организме и т.д.) характеризовать с помощью кларков.

Александр Евгеньевич Ферсман (1883

– 1945) – русский геохимик и минеролог, один из основоположников геохимии. Написал более 1500 статей и печатных работ по кристаллографии, минералогии, геологии, химии, геохимии, географии, аэрофотосъемке, астрономии, философии, искусству, археологии, почвоведению, биологии.Знаток драгоценных и поделочных камней. Блестящий популяризатор науки.

Кларк – дольная величина, которая показывает, какая часть выделенной системы, приходится на данный элемент. Различают кларки химических элементов: массовые и атомные. Атомные кларки представляют собой отношение числа атомов данного

103

элемента к общему числу всех атомов, присутствующих в данной системе. Очевидно, что эта величина по своей сущности совпадает с мольной долей и измеряется в долях единицы или в %.

Владимир Иванович Вернадский

(1863–1945) – русский и советский учёный XX века. Создатель многих научных школ. В круг его интересов входили геология и кристаллография, минералогия и геохимия, организаторская деятельность в науке и общественная деятельность, радиогеология и биология и философия. Вернадским опубликовано более 700 научных трудов.Основал новую науку – биогеохимию и сделал огромный вклад в геохимию. Был учителем целой плеяды советских геохимиков.Из философского наследия Вернадского наибольшую известность получило учение о ноосфере; он считается одним из основных мыслителей направления, из-

вестного как русский космизм.

Массовые кларки представляют собой отношение массы атомов данного элемента к общей массе всех атомов, присутствующих в той или иной системе. Они измеряются в долях единицы или в весовых %.

Элементы, необходимые для построения клеток организма и поддержания его жизнедеятельности, называются биогенными

или эссенциальными.

По содержанию в живых клетках биогенные элементы подразделяются на макроэлементы (содержание 10-2 % и выше),

микроэлементы (содержание 10-3 – 10-5 %) и ультрамикроэле-

менты (содержание 10-6 % и ниже) (табл. 12).

Хотя классификация по количественному признаку является сравнительно простой, она не даёт ответа на вопрос о биологической роли того или иного элемента.

В связи с этим, в зависимости от выполняемых в организме человека функций, присутствующие в нём химические элементы можно разделить на 4 группы.

1. Органогенные элементы. Из их атомов построена основная масса тела человека и животных. К ним относятся: углерод, кислород, водород, азот, фосфор и сера. Данные элементы

104

Таблица 12. Содержание (массовая доля, %) некоторых химических элементов в организме человека

105

играют незаменимую роль в образовании белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений. Без них не может быть построена ни одна клетка. В организме человека на долю этих элементов приходится около 97% всех атомов.

2. Жизненно необходимые (биотические) элементы, к ко-

торым можно отнести кальций, калий, натрий, хлор, цинк, марганец, молибден, иод, селен, магний, железо, медь, кобальт. Они могут выполнять в организме самые различные функции, среди которых различают: механическую или опорную, осмотическую, регуляторную, биоэлектрическую и т.д.

Механическая или опорная функция данных элементов (Ca, Mg, Na, F, Co и др.) связана с их вхождением в состав скелета, волос, ногтей в виде нерастворимых минеральных компонентов и органических соединений.

Осмотическая функция заключается в поддержании определённой величины осмотического давления в жидкостях организма. Причем осмотическое давление межклеточных жидкостей определяется, главным образом, ионами Ca2+, Na+, CO32–, HCO3–, а внутриклеточных – ионами K+, Mg2+, Cl–, CO32–, HCO3–.

Элементы Ca, Mg, К, Na, Сl называют иначе элементами электролитного фона.

Регуляторная функция обусловлена способностью ионов металлов взаимодействовать с ферментами и оказывать тем самым влияние на скорость и направление соответствующих биохимических реакций.

Все ферменты, нуждающиеся в координационном взаимодействии с металлами для проявления своей максимальной активности, делятся на 2 группы: металлоферменты и ферменты, активизируемые металлами.

Вметаллоферментах ионы металлов образуют стабильные координационные комплексы с органическими молекулами, которые тяжело разрушить.

Вферментах, активизируемых металлами, ионы металлов связаны непрочно и могут быть удалены диализом.

Вроли регуляторов активности ферментов в организме че-

ловека выступают ионы: Mg2+, Ca2+, Cl–, Cr2+, Cu2+, Mn2+, Fe2+,

Cо2+, Ni2+. Катионы, имеющие примерно одинаковые радиусы,

106

электронную конфигурацию и электроотрицательность в ряде случаев могут заменять друг друга.

Биоэлектрическая функция связана с возникновением разности потенциалов между внешней и внутренней стороной клеточной мембраны за счёт различного ионного состава биологиче-

ских жидкостей, например, неодинакового содержания ионов Na+ и K+ в них.

Таким образом, критерием эссенциальности или биотичности элемента является наличие в организме хотя бы одной структуры или соединения, включающих его в свой состав. Причём важная физиологическая роль данной структуры или соединения для организма должна быть достоверно установлена. Как известно, все молекулы, находящиеся в организме, рано или поздно разрушаются, взамен им необходимо синтезировать новые. Искусственное устранение из среды обитания одного из эссенциальных элементов приводит к быстрой гибели организма.

3.Вероятно необходимые элементы. Их потребность для организма и физиологическая роль к настоящему времени достоверно не установлены, но их присутствие в нём желательно. Таковыми элементами являются: титан, ванадий, бром, стронций, кремний и др.

Вероятно, необходимые элементы по мере усовершенствования методов исследования и накопления знаний о функциональной роли тех или иных структур человеческого организма могут переходить в разряд жизненно необходимых элементов. Наличие условно-эссенциальных элементов тем самым отражает динамический характер развития научных знаний.

4.Элементы с неустановленной ролью. Они обнаружива-

ются в организме, но их роль и значение для организма не выявлены. Вероятнее всего, они играют роль фона или примесей, т.к. присутствуют в поступающей в организм пище и воде. В зависимости от своих свойств данные элементы могут накапливаться в той или иной части организма или беспрепятственно удаляться из него с мочой и потом.

Как уже отмечалось ранее, жизнь всех организмов неразрывно связана с окружающей средой. Изменение концентрации микроэлемента в среде обитания может существенно влиять на

107

функциональное состояние организма, вызывая появление патологических явлений, так называемых, микроэлементозов.

Состав земной поверхности неоднородный. В ней имеются области с повышенным или пониженным содержанием определённых химических элементов. Такие местности получили называние биогеохимических провинций. Обитающие в них живые организмы, в том числе и человек, будут давать определённую биологическую реакцию на недостаточность или избыточность соответствующих жизненно важных элементов, которая привёдет к возникновению эндемических (endemos – местность) заболеваний.

Исследование биогеохимических провинций позволяет научно применять минеральные добавки в пищевые продукты, разрабатывать профилактические и лечебные мероприятия против эндемических болезней.

В последнее время опасность развития эндемических микроэлементозов уменьшается в связи с процессами глобализации, что приводит к использованию в любой местности продуктов питания, произведённых не только в ней, но и в самых различных регионах земного шара.

Только в слаборазвитых странах Африки и в некоторых регионах Юго-Восточной Азии, где продукты питания имеют исключительно местное происхождение, за исключением гуманитарной помощи, вероятность возникновения эндемических заболеваний остаётся достаточно высокой.

Следует отметить, что практически все эссенциальные и условно-эссенциальные микроэлементы в количествах, превышающих потребности организма, оказывают токсическое воздействие. Многие примесные элементы четвёртой группы становятся также опасными даже при незначительном увеличении их поступления в организм с пищей и водой. Это может происходить в результате активной хозяйственной деятельности человека, приводящей к увеличению содержания того или иного элемента в почве либо воде данной местности. В связи с эти необходим постоянный и неослабный контроль соответствующих организаций за работой промышленных и сельскохозяйственных предприятий.

108

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГРУПП ЭЛЕМЕНТОВ

Общая характеристика неметаллов

В таблице Д.И. Менделева неметаллы располагаются в основном в малых периодах и в конце больших периодов. Все они, кроме Н и Не, принадлежат к семейству р-элементов. Число электронов на внешнем слое у их атомов равно номеру группы, в которой данный элемент расположен, и изменяется в интервале от 3 (бор) до 8 (благородные или инертные газы). Исключение составляет водород Н, содержащий на внешнем слое 1 электрон и гелий Не – 2 электрона.

Общее количество неметаллов невелико. Из 118 известных на сегодняшний день элементов к ним относятся 23.

Неметаллы в ходе химических реакций могут как отдавать электроны со своего внешнего слоя при взаимодействии с атомами более электроотрицательных элементов, так и забирать их у других менее электроотрицательных атомов. В первом случае они выступают в роли восстановителя и проявляют положительную степень окисления, во втором случае – в роли окислителя и проявляют отрицательную степень окисления.

Активнее всех присоединяют электроны атомы фтора. Этот элемент является самым электроотрицательным и поэтому в соединениях проявляет только отрицательную степень окисления, а в химических реакциях атомы фтора всегда выступают в роли окислителя.

У остальных элементов – неметаллов, изучаемых в средней школе, способность присоединять к себе электроны уменьшает-

ся в таком порядке: O, N, Cl, S, C, P, H, Si.

Эти элементы могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления, обладая окислительновосстановительной двойственностью.

Высшая положительная степень окисления для неметаллов совпадает с номером группы, в которой они находятся (исключение составляют кислород и фтор).

Величина отрицательной степени окисления равна числу электронов, недостающих до завершения внешнего электронного слоя их атомов.

109

При составлении химических формул бинарных соединений неметаллов (т.е. образованных атомами только двух элементов) принято первым записывать символ менее электроотрицательного элемента, проявляющего в этом веществе положительную степень окисления. На второе место ставится символ более электро-

4 2	4 1	1 2
отрицательного элемента, например: C O2 ;	S Cl4 ; K2 S и т.д. Ис-

ключение составляют соединения неметаллов с водородом, вод-

3 1

ные растворы которых не проявляют кислотных свойств: N H3 ;

4 1 3 1

C H4 ; P H3 .

Согласно нормам современной номенклатуры в названиях бинарных соединений неметаллов принято называть элемент, который проявляет в них отрицательную степень окисления, с добавлением окончания -ид (причем могут использовать как латинское название элемента, так и русское). Например, соедине-

ния кислорода с менее электроотрицательными элементами

1 2

называются оксиды ( Na2 O – натрий-оксид); соединения азота с

3

менее электроотрицательными элементами – нитриды ( Na3 N -

натрий-нитрид); соединения фосфора с менее электроотрица-

3

тельными элементами – фосфиды ( Na3 P – натрий-фосфид).

Скислородом неметаллы образуют, главным образом, кис-

x 2

лотные оксиды общего вида R 2 Ox . Некоторые из неметаллов, находясь в своей низшей положительной степени окисления, образуют несолеобразующие оксиды (CO, N2O, SiO).

При растворении кислотных оксидов (кроме SiO2) в Н2О получается соответствующая кислородсодержащая кислота.

Из нескольких кислородсодержащих кислот одного неметалла сильнее та, в которой он проявляет бóльшую положительную степень окисления.

Сводородом неметаллы образуют летучие водородные со-

x 1

единения общего вида R Hx , молекулы которых образованы полярной (HCl, H2O, H2S, NH3) или малополярной (CH4, SiH4) ковалентной связью.

110