Лекция 9(S-элементы)

Л9 БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

S – элементы, их соединения, свойства.

Биогенные элементы – элементы необходимые для построения и жизнедеятельности клетки.

В состав живых организмов входят множество элементов, но биогенность установлена для 24 элементов. Принцип отбора этих элементов не ясен. Во всяком случае, решающим критерием является не относительная распространенность в природе. Такие распространенные элементы, как кремний и алюминий в организме находятся в достаточно малых количествах, а редкий в окружающей среде молибден имеет относительно большую концентрацию и входит в состав некоторых металлоферментов.

Вернадский разделил биогенные элементы на группы:

1. Макроэлементы - содержание в организме более 0,01%.

2. Микроэлементы - содержание в организме от 0,01% до 0,00001%.

3. Ультра микроэлементы - содержание в организме менее 0,00001%.

Главная функция макроэлементов – это построение тканей, поддержание постоянства осмотического давления и кислотно-основного равновесия. Главная функция микроэлементов – это активация биохимических процессов: обмен веществ, тканевое дыхание, воспроизведение.

Структурную основу живой клетки составляют 6 элементов: С, H, O, N, P, S. Эти неметаллы входят в состав нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, аминокислот, они жизненно необходимы, поэтому их называют органогенными. Они входят в состав любой клетки и составляют 97% от количества всех элементов, присутствующих в организме.

Среди 24 биогенных элементов особо выделены 10 «металлов жизни»: Na, K, Mg, Ca – макроэлементы (содержание в организме от 1 г до 100 г, s-элементы); Fe, Co, Zn, Cu, Mo, Mn – микроэлементы (содержание в организме от 0,1 г до 0,0001 г, d-элементы). «Металлы жизни» участвуют в построении клеточных структур, обеспечивают осмотическое давление, определенный рН среды, регулируют работу ферментов и гормонов.

Внутренние органы по-разному концентрируют в себе химические элементы. Большая часть микроэлементов депонируется в костной и мышечной тканях. Некоторые элементы проявляют специфические сродство к отдельным органам или тканям. Йод находится в щитовидной железе, фтор в эмали зубов, молибден в почках. Атомы металлов быстро теряют валентные электроны, поэтому «металлы жизни» в организме находятся в виде катионов (неметаллы в виде анионов). При этом они располагают свободными орбиталями и являются хорошими комплексообразователями.

Выявлено немало заболеваний, связанных с недостатком или избытком в организме биогенных элементов, так, например недостаток фтора приводит к возникновению кариеса зубов, избыток молибдена вызывает эндемическую подагру суставов, недостаток йода – эндемический зоб. Недостаток того или иного элемента чаще обусловлен неправильным питанием. Тем не менее, существуют заболевания, связанные с аномальным содержанием элементов в окружающей среде определённой географической зоны – эндемические заболевания (биогеохимическая провинция – это место где отмечается частые случаи заболеваний, связанных с избытком или недостатком химических элементов).

Например, низкое содержание йода зарегистрировано на западе Украины и севере Тюменской области, низкое содержание кобальта – в Ярославской области, высокое содержание молибдена – в Армении.

На содержание микроэлементов в организме влияет окружающая среда. Сероводород, оксиды азота (IV и II – валентные), сернистый ангидрид, попадая в организм, нейтрализуют микроэлементы.

Общая характеристика S – элементов.

К S – элементам относятся первые два элемента каждого периода. Всего их 14, они входят в 1 и 2 группу главных подгрупп, только гелий находится в 8 группе. Валентными электронами являются ns¹ и ns².

К S – элементам IA группы относятся: H, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr – эти металлы (кроме водорода) называют щелочными, так как растворясь в воде они образуют щёлочь. Особо выделяют литий 1s²2s¹, который имеет гелевый экран. S – элементы имеют малую энергию ионизации.

Энергия ионизации – J – это энергия, необходимая для отрыва одного электрона с внешнего уровня. С увеличением радиуса атома энергия ионизации уменьшается, металлические свойства возрастают, химическая активность возрастает. Радиус атома увеличивается в группах сверху вниз, в периодах справа налево.

Все щелочные металлы находятся в степени окисления +1, так как они стремятся завершить свою электронную структуру до 8, то отдают 1 электрон и превращаются в катион.

Na 1s²2s²2p⁶3s¹ хранят под слоем керосина, так как легко взрывается.

Na⁺ 1s²2s²2p⁶3s⁰ входит в состав поваренной соли, употребляется в пищу, так как инертен.

К S – элементам IIA группы относят: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra. У бериллия есть гелевый экран. Ca, Sr, Ba, Ra – называют щелочноземельными металлами, а их оксиды – земли. Be – амфотерный металл. У всех элементов на внешнем уровне по 2 неспаренных электрона при возбуждении, поэтому степень окисления равна +2, тип гибридизации – sp.

Химические свойства IA группы.

1. Взаимодействие с водородом:

2Ме + Н₂ = 2Ме⁺Н^- – гидрид металла.

2. Взаимодействие с галогенами:

2Ме + Hal₂ = 2МеHal – галогенид металла.

3. Взаимодействие с кислотами:

Ме + Кислота (кроме HNO₃) = Соль + H₂

Ме + HNO_{3 (конц.)} = МеNO₃ + N₂O + H₂O

Ме + HNO_{3 (разб.)} = МеNO₃ + NH₄NO₃ + H₂O

4. Взаимодействие с водой:

Ме + H₂O = Щёлочь + H₂

5. Взаимодействие с кислородом:

4Li + O₂ = 2Li₂O – оксид лития.

2Na + O₂ = Na₂O₂ – пероксид натрия (соль).

K + O₂ = KO₂ – надпероксид калия (соль).

6. Получение оксидов:

Na₂O₂ + 2Na = 2Na₂O – оксид натрия.

KO₂ + 3K = 2K₂O – оксид калия.

Все соли щелочных металлов хорошо растворимы и подвергаются гидролизу за исключением солей лития. У лития есть один электрон на внешнем уровне и не одного p – электрона, поэтому гелевый экран обуславливает его специфические свойства: способен образовывать комплексные соединения.

1. Гидролиз солей:

Na₂O₂ + 2H₂O = 2NaOH + H₂O₂

2KO₂ + 2H₂O = 2KOH + H₂O₂ + O₂

Соль + H₂O = Щёлочь + Кислота

Химические свойства IIA группы.

1. Взаимодействие с кислотами:

Ме + Кислота (кроме HNO₃) = Соль + H₂

Ме + HNO_{3 (конц.)} = МеNO₃ + N₂O + H₂O

Ме + HNO_{3 (разб.)} = МеNO₃ + NH₄NO₃ + H₂O

2. Взаимодействие с кислородом:

2Ме + O₂ = 2МеO – оксид металла.

3. Ве + 2NaOH = Na₂BeO₂ + H₂

ВеО + 2NaOH = Na₂BeO₂ (берилат натрия) + H₂O

ВеО + 2NaOH + H₂O = Na₂[Be(OH)₄] – тетрагидроксоберилат (II) натрия

BeF₂ + 2KF = K₂[BeF₄] – тетрафтороберилат (II) калия

Соединения бериллия имеют сладкий вкус, но очень ядовиты.

4. СаО (негашёная известь) + Н₂О = Са(ОН)₂ (гашёная известь, известковое молоко)

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О

5. ВаCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2HCl – качественная реакция на SO₄^2-

2BaO₂ (пероксид бария) = 2BaO + O₂ так получают кислород на подводных лодках.

Биологическая роль S – элементов, применение в медицине.

Ионы натрия и калия распределены по всему организму, причём ионы натрия в большой степени входят в состав межклеточной жидкости, а ионы калия – внутриклеточной. С точки зрения термодинамического равновесия оба этих иона должны бы одинаково располагаться в этих жидкостях, но они переносятся NaK-насосом, который требует энергии, выделяющейся за счёт гидролиза АТФ. В результате гидролиза 1 молекулы АТФ 3 иона натрия выходят из клетки, а 2 иона калия заходят в клетку. Происходит дисбаланс электронных зарядов, который является причиной возникновения разности потенциалов на мембране клетки. Внутри клетки появляется «–» заряд, в то время как снаружи «+» заряд. Ионы Na и K ответственны за поддержание осмотического давления и за сокращение мышц. Ионы натрия и калия – антагонисты – вещества, обладающие противоположным действием.

NaСl 0,9% раствор (физиологический, изотонический) применяют для внутривенного введения при интоксикациях, обезвоживаниях, наружно – для промывания глаз. 5% раствор (гипертонический) применяют для промывания гнойных ран (способствует оттоку гноя).

KCl – внутривенно при нарушениях сердечных ритмов (расслабляет сердечную мышцу), отёках.

Na₂SO₄∙10H₂O – (английская соль) как слабительное средство

NaHCO₃ – для нейтрализации ацидоза.

Mg⁺² – входит в состав хлорофилла, внутрикомплексных соединений. Находится в абрикосах и персиках.

Са⁺² – находится в костной ткани.

Кальций и магний антагонисты. Магний снижает возбудимость нервной системы, находится в основном в клетке, а кальций вне клетки.

MgO – (жжёная магнезия) для нейтрализации ацидоза (антацид).

MgSO₄∙7H₂O – (магнезия) как спазмолитическое, желчегонное, успокаивающее, противосудорожное средство.

CaCl₂∙6H₂O – как кровоостанавливающее, противоаллергическое, противоядие при отравлении солями магния.

СаО – для нейтрализации ацидоза (антацид).

Уровень Са в крови регулируется 2 гормонами: кальцитонином и паратиреоидным. Кальцитонин препятствует освобождению кальция из костей, а паратиреоидный способствует вымыванию кальция из костей.

При недостатке магния наблюдается утомляемость, снижение выносливости, депрессия, поэтому на каждые 100 мг ионов кальция в рационе питания должно быть 15 мг ионов магния. Кальций входит в состав зубов, костей, необходим для работы почек, свёртывающей системы крови. Избыток ионов кальция ведёт к ишемии миокарда. Для снятия блокирующего действия больным дают препараты магния (аспаркам, коринфар). При нарушении обмена ионов кальция повышается литогенность желчи (патологическое свойство желчи, ведущее к камнеобразованию), вероятность возникновения катаракты и артритов.