ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ І БІОЛОГІЧНА РОЛЬ ЕЛЕМЕНТІВ S-БЛОКУ
До s-елементів відносяться дві групи Періодичної системи: I А і II А.
До групи I А входять 8 елементів: літій, калій, натрій, рубідій, цезій, францій, водень, гелій. До групи II А входять 6 елементів: берилій, магній, кальцій, стронцій, барій, радій.
Спільним є застраіваніе в їх атомах електронами s-підрівня зовнішнього енергетичного рівня. (Т.Є. говоримо про "сімействі елементів". Згадував: "сімейство елементів" визначається тим, який підрівень заповнюється електронами в останню чергу.)
Електронна формула зовнішньої оболонки:
ПОРІВНЯННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЕЛЕМЕНТІВ I А І II А (комплексоутворення, ОСВІТА ОСАДІВ) НА ПРИКЛАДІ Na, K І Mg, Ca
Загальна характеристика елементів I А і II А
Елементні речовини - типові метали, що володіють блиском, високою електричною провідністю і теплоповодімостью, хімічно дуже активні.
Як випливає з електронних формул, елементи I А групи (Na, K) мають на зовнішньому енергетичному рівні по одному s електрону. Елементи II А групи (Mg, Ca) по 2 s електрона.
Хімічні властивості s елементів I А і II А груп подібні.
s-елементи I А і II А мають відносно великі радіуси атомів і іонів.
s-елементи I А і II А груп легко віддають валентні електрони. Є сильними відновниками. Із зростанням радіуса атома в групах I А і II А слабшає зв'язок валентних електронів з ядром, отже s-елементи цих груп мають низькі значення Е і і Е СР до ẽ. Всі лужні і лужноземельні метали мають негативні стандартні окислювально-відновні потенціали, великі за абсолютною величиною. Що також характеризує їх, як сильних відновників. Відбудовні властивості зростають закономірно зі збільшенням радіуса атома. Відновлювальна здатність збільшується в групі зверху вниз.
Для елементів II А групи характерна більша, ніж для елементів I А групи здатність до комплексоутворення.
s-елементи I А і II А утворюють сполуки з іонним типом зв'язку.
Виняток становить водень, для якого у з'єднаннях навіть з самими електронегативними елементами характерна переважно ковалентний зв'язок (наприклад, фтороводень або вода). Частково ковалентний характер зв'язку в з'єднаннях має місце у літію, берилію і магнію.
Порівняння властивостей елементів I А і II А (комплексоутворення, утворення опадів) на прикладі Na, K та Mg, Ca
Атоми елементів I А групи мають по одному валентному електрону на s подуровне зовнішнього енергетичного рівня. Це обумовлює прояв ступеня окислення +1.
Всі елементи I А групи подібні за властивостями, що пояснюється однотипним будовою не тільки зовнішньої, валентної оболонки, але і предвнешнего (виняток літій).
Із зростанням радіуса атома в групі I А слабшає зв'язок валентного електрона з ядром. Відповідно, зменшується енергія іонізації атомів. Так як радіус атома калію більше, ніж радіус атома натрію, то енергія іонізації калію менше, ніж у натрію.
У результаті іонізації утворюються катіони Е +, що мають стійку конфігурацію шляхетних газів.
Хімічна активність металів I А групи зростає закономірно зі збільшенням радіуса атома і зменшенням їх здатності до гідратірованію (чим менше здатність до гідратірованію, тим активніше метал).
Так як радіус атома калію більше, ніж радіус атома натрію, то здатність до гідратації для катіона калію буде нижчою, ніж для катіона натрію, а, отже, хімічна активність катіона калію вище, ніж у катіона натрію.
Внаслідок незначного поляризующего дії (стійка електронна структура, великі розміри, мала заряд ядра) комплексоутворення для іонів лужних металів малохарактерні. Разом з тим, вони здатні утворювати комплексні сполуки з деякими біолігандамі (КЧ для натрію і калію може приймати значення 4 і 6). Здатність утворювати донорно-акцепторні зв'язки з відповідними лігандами ледь намічається у натрію. У калію є значна тенденція до використання наявних в атомі вакантних d-орбіталей.
Наприклад, освіта комплексів калію з антибіотиком валиномицин. Валиномицин утворює з калієм міцні комплекси, зв'язування цього антибіотика з натрієм дуже незначно.
Більшість солей лужних металів добре розчиняються у воді (виняток становлять деякі солі літію).
Атоми елементів II А групи мають по два валентних електрона на s подуровне зовнішнього енергетичного рівня.
У нормальному стані у атомів цих елементів немає неспарених електронів, але при переході атомів в збуджений стан один з s валентних електронів переходить на р-підрівень. Це обумовлює прояв ступеня окислення +2.
Ступені окислення більше +2 елементи II А групи не виявляють.
Незважаючи на те, що число валентних електронів s у атомів II А групи однаково, властивості магнію та кальцію відрізняються один від одного.
Це пов'язано з тим, що в атомі кальцію, на відміну від атома магнію, є вільні d-орбіталі, близькі по енергії до ns орбиталям.
Магній і кальцій істотно розрізняються розмірами атомів і іонів:
металевий радіус атома Mg = 160 пм;
металевий радіус атома Ca = 197 пм.
кристалічний радіус іона Mg 2 + = 74 пм;
кристалічний радіус іона Ca 2 + = 104 пм ..
Більший розмір іона кальцію обумовлює і більш високу координаційне число цього іона - КЧ (Ca 2 +) 6, 8, тоді як КЧ (Mg 2 +) - 6. Міцність комплексних сполук зменшується в міру збільшення радіусу атома, отже, комплексні сполуки магнію будуть міцнішими, ніж комплексні сполуки кальцію. Іон Mg 2 + утворює шестикоординаційного з'єднання регулярної структури. Ca 2 + утворює несиметричні комплекси. Кальцій переважно координується з атомами кисню, магній - з атомами азоту.
Багато солі лужноземельних металів малорастворіми у воді (малорастворіми CaF 2, MgF 2; практично не розчиняються фосфати кальцію і магнію). Причому із зростанням порядкового номера розчинність солей знижується.
Такий характер зміни розчинності солей грає важливу роль у біологічному дії катіонів цієї групи. Зменшення розчинності кальцію фосфату і карбонату в порівнянні з фосфатами і карбонатами магнію є, по видимому, однією з причин формування скелета всіх живих організмів саме з цих сполук кальцію.
В живих організмах з іонів кальцію і фосфат-іонів утворився кристалічний мінерал гідроксилапатит - Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 - основна речовина кісткової і зубної тканини. Магній є макроелементом, але краща розчинність магнію фосфату Mg 3 (PO 4) 2 і основного карбонату Mg (OH) 2) * 4 MgCO 3 * H 2 O пояснює той факт, що його сполуки не зіграли значну роль у побудові скелета.
Біологічна роль натрію, калію, кальцію і магнію
Внаслідок дуже легкої окисляемости лужні метали зустрічаються в природі виключно у вигляді сполук.
За змістом в організмі людини натрій (0,08%) і калій (0,23%) відносяться до макроелементів, літій, рубідій і цезій - до мікроелементів.
Натрій і калій відносяться до життєво необхідних елементів, постійно містяться в організмі, беруть участь в обміні речовин.
Натрій
Вміст натрію в організмі людини масою 70 кг - близько 60 г: 44% - в позаклітинній рідині, 9% - у внутрішньоклітинної. Інша кількість натрію знаходиться в кістковій тканині - місце депонування іона Na + в організмі.
В організмі людини натрій знаходиться у вигляді його розчинних солей: хлориду, фосфату, гідрокарбонату.
Розподілений по всьому організму:
в сироватці крові,
в спинномозковій рідині,
в очної рідини,
в травних соках,
в жовчі,
в нирках,
в шкірі,
в кістковій тканині,
в легенях,
в мозку.
Натрій є основним позаклітинним іоном. Концентрація іонів Na + всередині клітини приблизно в 15 разів менше, ніж у позаклітинній рідині.
Іони натрію відіграють важливу роль у забезпеченні сталості внутрішнього середовища людського організму, беруть участь у підтримці постійного осмотичного тиску біорідини (осмотичного гомеостазу).
У вигляді протиіонів у з'єднаннях з фосфорною кислотою (Na 2 HPO 4 + NaH 2 PO 4) органічними кислотами натрій забезпечує кислотно-основну рівновагу організму.
Іони натрію беруть участь в регуляції водного обміну і впливають на роботу ферментів.
Разом з іонами калію, магнію, кальцію, хлору іони натрію беруть участь в передачі нервових імпульсів. При зміні змісту натрію в організмі відбуваються порушення функцій нервової, серцево-судинної систем, гладких і скелетних м'язів.
Натрію хлорид NaCl - основне джерело соляної кислоти для шлункового соку.
Іони натрію беруть участь у формуванні різниці потенціалів на мембрані.
Препарати натрію, що застосовуються в медицині
Ізотонічний розчин - NaCl (0,9%) - для ін'єкцій вводять підшкірно, внутрішньовенно і в клізмах при зневодненні організму і при інтоксикаціях. Також застосовують для промивання ран, очей, слизової оболонки ока, також для розчинення різних ЛП.
Гіпертонічні розчини - NaCl (3-5-10%) - застосовують зовнішньо у вигляді компресів і примочок при лікуванні гнійних ран. За законом осмосу застосування таких компресів сприяє відділенню гною з ран і плазмоліз бактерій (антимікробна дія).
2-5% р-р NaCl призначають всередину для промивання шлунку при отруєнні AgNO 3.
Ag + (р) + Cl ¯ (р) → AgCl (т)
Натрію гідрокарбонат NaHCO 3 використовують при захворюваннях, що супроводжуються ацидозом.
Механізм
NaHCO 3 + RCOOH → H 2 O + CO 2 + RCOONa
RCOONa натрієві солі органічних кислот значною мірою виводяться із сечею, CO 2 - покидає організм із повітрям, що видихається.
NaHCO 3 також використовують при підвищеній кислотності шлункового соку, виразкової хвороби шлунка та дванадцятипалої кишки.
NaHCO 3 + HCl → H 2 O + NaCl + CO 2
Має ряд побічних ефектів.
NaHCO 3 застосовують у вигляді полоскань, промивання при запальних захворюваннях очей, слизових оболонок верхніх дихальних шляхів. В результаті гідролізу NaHCO 3 водний розчин має слаболужні властивості. При дії лугу на мікробні клітини відбувається їх загибель.
NaHCO 3 + H 2 O → NaOH + CO 2 + H 2 O
Натрію сульфат Na 2 SO 4 * 10 H 2 O - застосовують як проносний засіб. Сіль повільно всмоктується з кишечника, що призводить до підтримання підвищеного осмотичного тиску в порожнині кишечника. В результаті осмосу відбувається накопичення води в кишечнику, вміст його розріджується, скорочення кишечника посилюються і калові маси швидше виводяться.
Натрію тетраборат Na 2 B 4 O 7 * 10 H 2 O - застосовується зовнішньо як антисептичний засіб для полоскань, спринцювань, змазувань. Антисептичну дію аналогічно NaHCO 3, пов'язане з лужною реакцією середовища в результаті гідролізу.
Na 2 B 4 O 7 + 7 H 2 O → 2 NaOH + 4 H 3 BO 3
Радіоактивний ізотоп 24 Na в якості мітки застосовують для визначення швидкості кровотоку, використовують для лікування деяких форм лейкемії.
Калій
Вміст калію в організмі людини масою 70 кг - близько 160 р.: 2% - в позаклітинній рідині, 98% - у внутрішньоклітинної.
В організмі людини калій знаходиться:
в крові,
в нирках,
в серце,
в кістковій тканині,
в серце,
в мозку.
Калій є основним внутрішньоклітинним іоном. Концентрація іонів К + всередині клітини приблизно в 35 разів більше, ніж у позаклітинній жідкості.Іони калію грають важливу роль у фізіологічних процесах - скорочення м'язів, нормальному функціонуванні серця, проведенні нервових імпульсів, обмінних реакціях. Є важливими активаторами внутрішньоклітинних ферментів.
Дія Na +, К +-АТФази і виникнення різниці потенціалів на клітинних мембранах
Багато важливих біологічні процеси здійснюються лише за умови різного іонного і молекулярного складу всередині клітин і в позаклітинній рідині. Концентрація іонів К + всередині клітини приблизно в 35 разів більше, ніж у позаклітинній рідині, концентрація іонів Na + всередині клітини приблизно в 15 разів менше, ніж у позаклітинній рідині. Щоб підтримувати такий розподіл іони калію повинні переміщатися із зовнішнього середовища всередину клітини, а іони натрію - навпаки, вступати з клітки в позаклітинний простір. Тобто повинен здійснюватися перенесення іонів з області з більш низькою концентрацією в область з більш високою концентрацією. Мимовільно такий процес протікати не може. Нормальне розподіл іонів натрію і калію забезпечується роботою натрій-калієвих насосів. Робота цих насосів по перенесенню іонів проти градієнту концентрації і по підтримці цього градієнта вимагає великої витрати енергії, отже, супроводжується макроергічних реакцією гідролізу АТФ.
За рахунок енергії гідролізу однієї молекули АТФ три іона Na + виводяться з клітини, а два іони К + - надходять в клітину. У підсумку на мембрані клітини виникає різниця потенціалів: зовнішня поверхня мембрани заряджається позитивно, а внутрішня - негативно.
Малюнок на дошці
Магній
Формально відноситься до макроелементів. Загальний вміст в організмі 0,027% (близько 20 г). Найбільшою мірою магній концентрується в дентині і емалі зубів, кісткової тканини. Накопичується в
підшлунковій залозі,
скелетних м'язах,
нирках,
мозку,
печінки і серце.
Є внутрішньоклітинним катіоном. Концентрація іонів Mg 2 + всередині клітин приблизно в 2,5-3 рази вище, ніж у позаклітинній рідині.
Під внутрішньоклітинної рідини АТФ і АДФ присутні, в основному, у вигляді комплексів Mg АТФ 2 - і Mg АДФ 2 -.
Малюнок на дошці
У багатьох ферментативних реакціях на активну форму АТФ є комплекс Mg АТФ 2 -.
Препарати магнію, що застосовуються в медицині
MgO магнію оксид - застосовують як антацидного кошти при підвищеній кислотності шлункового соку.
MgO + HCl → H 2 O + MgCl 2
MgCl 2 - має легкий послябляющім ефектом.
MgO магнію оксид (85%) і магнію пероксид MgO 2 (15%) "магній перекис". Застосовують при кишкових розладах.
MgSO 4 * 7 H 2 O магнію сульфат (гірка сіль) - залежно від дози може мати седативну, снодійним або наркотичним ефектом. Застосовують і як проносне.
Як адсорбуючою і обволікаючий засіб застосовують тальк силікатне похідне Mg 2 + - 2 MgSiO 3 * Mg (HSiO 3) 2.
Кальцій
Відноситься до макроелементів. Загальний вміст в організмі - 1,4%.
Міститься в кожній клітині людського організму. Основна маса - в кісткової і зубної тканинах. В кістках і зубах дорослої людини близько 1 г кальцію знаходиться у вигляді нерозчинного кристалічного мінералу гідроксилапатиту - Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2. Іони кальцію беруть активну участь в передачі нервових імпульсів, скороченні м'язів, регулюванні роботи серцевого м'яза, механізмах згортання крові.
Препарати кальцію, що застосовуються в медицині
Кальцію хлорид CaCl 2 - при отруєнні солями магнію, також оксалат-і фторид-іонами. Застосування препарату в першому випадку грунтується на взаімозамещаемості іонів кальцію і магнію в організмі, у другому - на освіту нетоксичних малорозчинних сполук.
Кальцію карбонат CaCO 3 - володіє антацидних і адсорбуючим дією, призначають всередину при підвищеній кислотності шлункового соку.
Кальцію сульфат CaSO 4 * 1 / 2 H 2 O - палений гіпс. Застосовують для приготування гіпсових пов'язок при переломах.
Хімічне подібність і біологічний антагонізм натрію, калію, кальцію і магнію
Подібність електронної будови іонів лужних (натрій і калій) і лужноземельних (магній і кальцій) металів і відмінності фізико-хімічних характеристик визначає їх дії на біологічні процеси.
Натрій і калій є антагоністами. У ряді випадків близькість багатьох фізико-хімічних властивостей обумовлює їх взаімозамещеніе в живих організмах. Наприклад, при збільшенні кількості натрію в організмі посилюється виведення калію нирками, настає гіпокаліємія.
Магній і кальцій є антагоністами. Іони кальцію пригнічують активність багатьох ферментів, що активізується іонами магнію. Антагонізм іонів кальцію і магнію виявляється ще й у тому, що іон кальцію є позаклітинним іоном. При тривалому надходженні в організм надлишкових кількостей солей магнію спостерігається посилене виділення кальцію з кісткової тканини.