ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИБИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ S-БЛОКА
К s-элементамотносятся две группы Периодической системы: IАи IIА.
В группу IАвходят 8 элементов: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, франций, водород,гелий. В группу IIА входят 6элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий.
Общим являетсязастраивание в их атомах электронами s-подуровнявнешнего энергетического уровня. (Т.Е. говорим о «семействе элементов».ВСПОМИНАЕМ: «семейство элементов» определяется тем, какой подуровеньзаполняется электронами в последнюю очередь.)
Электронная формулавнешней оболочки:
/>
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВЭЛЕМЕНТОВ IАИ IIА(КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ) НА ПРИМЕРЕ Na,KИ Mg,Ca
Общая характеристикаэлементов IАи IIА
Элементные вещества — типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью итеплоповодимостью, химически весьма активны.
Как следует изэлектронных формул, элементы IАгруппы (Na, K)имеют на внешнем энергетическом уровне по одному sэлектрону. Элементы IIАгруппы (Mg, Ca)по 2 s электрона.
Химические свойства sэлементов IА иIIАгрупп сходны.
s-элементыIА иIIАимеют относительно большие радиусы атомов и ионов.
s-элементыIА иIIАгрупп легко отдают валентные электроны. Являются сильными восстановителями. Сростом радиуса атома в группах IАиIIАослабевает связь валентных электронов с ядром, следовательно s-элементыэтих групп имеют низкие значения Еи и Еср. к ẽ. Всещелочные и щелочноземельные металлы имеют отрицательные стандартныеокислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Чтотакже характеризует их, как сильных восстановителей. Восстановительные свойствавозрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительнаяспособность увеличивается по группе сверху вниз.
Для элементов IIАгруппы характерна большая, чем для элементов IАгруппы способность к комплексообразованию.
s-элементыIА иIIАобразуют соединения с ионным типом связи.
Исключение составляетводород, для которого в соединениях даже с самыми электроотрицательнымиэлементами характерна преимущественно ковалентная связь (например, фтороводородили вода). Частично ковалентный характер связи в соединениях имеет место улития, бериллия и магния.
Сравнение свойствэлементов IАи IIА(комплексообразование, образование осадков) на примере Na,Kи Mg,Ca
Атомы элементов IАгруппы имеют по одному валентному электрону на sподуровне внешнего энергетического уровня. Это обуславливает проявление степениокисления +1.
/>
Все элементы IАгруппы сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не тольковнешней, валентной оболочки, но и предвнешней (исключение литий).
С ростом радиуса атомав группе IАослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, уменьшаетсяэнергия ионизации атомов. Так как радиус атома калия больше, чем радиус атоманатрия, то энергия ионизации калия меньше, чем у натрия.
В результате ионизацииобразуются катионы Э+, имеющие устойчивую конфигурацию благородныхгазов.
Химическая активностьметаллов IАгруппы возрастает закономерно с увеличением радиуса атома и уменьшением ихспособности к гидратированию (чем меньше способность к гидратированию, темактивнее металл).
Так как радиус атомакалия больше, чем радиус атома натрия, то способность к гидратации для катионакалия будет ниже, чем для катиона натрия, а, следовательно, химическаяактивность катиона калия выше, чем у катиона натрия.
Вследствиенезначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура,большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочныхметаллов малохарактерно. Вместе с тем, они способны образовывать комплексныесоединения с некоторыми биолигандами (КЧ для натрия и калия может приниматьзначения 4 и 6). Способность образовывать донорно-акцепторные связи ссоответствующими лигандами едва намечается у натрия. У калия имеетсязначительная тенденция к использованию имеющихся в атоме вакантных d-орбиталей.
Например, образование комплексовкалия с антибиотиком валиномицином. Валиномицин образует с калием прочныекомплексы, связывание этого антибиотика с натрием очень незначительно.
Большинство солейщелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение составляют некоторые солилития).
Атомы элементов IIАгруппы имеют по два валентных электрона на sподуровне внешнего энергетического уровня.
В нормальном состоянииу атомов этих элементов нет неспаренных электронов, но при переходе атомов ввозбужденное состояние один из sвалентных электронов переходит на р-подуровень. Это обуславливаетпроявление степени окисления +2.
/>
Степени окислениябольше +2 элементы IIАгруппы не проявляют.
Несмотря на то, чточисло валентных s электронов уатомов IIАгруппы одинаково, свойства магния и кальция отличаются друг отдруга.
Это связанно с тем, чтов атоме кальция, в отличие от атома магния, имеются свободные d-орбитали,близкие по энергии к nsорбиталям.
Магний и кальцийсущественно различаются размерами атомов и ионов:
· металлическийрадиус атома Mg = 160 пм;
· металлическийрадиус атома Ca = 197 пм.
· кристаллическийрадиус иона Mg2+= 74 пм;
· кристаллическийрадиус иона Ca2+= 104 пм..
Больший размер ионакальция обусловливает и более высокое координационное число этого иона – КЧ (Ca2+)6, 8, тогда как КЧ (Mg2+)– 6. Прочность комплексных соединений уменьшается по мере увеличения радиусаатома, следовательно, комплексные соединения магния будут более прочными, чемкомплексные соединения кальция. Ион Mg2+образует шестикоординационные соединения регулярной структуры. Ca2+образует несимметричные комплексы. Кальций предпочтительно координируется сатомами кислорода, магний – с атомами азота.
Многие соли щелочноземельныхметаллов малорастворимы в воде (малорастворимы CaF2,MgF2;практически не растворимы фосфаты кальция и магния). Причем с ростомпорядкового номера растворимость солей снижается.
Такой характеризменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действиикатионов этой группы. Уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната посравнению с фосфатами и карбонатами магния является, по видимому, одной изпричин формирования скелета всех живых организмов именно из этих соединенийкальция.
В живых организмах изионов кальция и фосфат-ионов образовался кристаллический минералГИДРОКСИЛАПАТИТ – Ca10(PO4)6(OH)2– основное вещество костной и зубной ткани. Магний является макроэлементом, но лучшаярастворимость магния фосфата Mg3(PO4)2и основного карбоната Mg(OH)2)*4MgCO3*H2Oобъясняет тот факт, что его соединения не сыграли значительной роли впостроении скелета.
Биологическая рольнатрия, калия, кальция и магния
Вследствие очень легкойокисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в видесоединений.
По содержанию ворганизме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам,литий, рубидий и цезий – к микроэлементам.
Натрий и калийотносятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме,участвуют в обмене веществ.
Натрий
Содержание натрия ворганизме человека массой 70 кг – около 60 г: 44% — во внеклеточной жидкости,9% — во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани– место депонирования иона Na+в организме.
В организме человеканатрий находится в виде его растворимых солей: хлорида, фосфата,гидрокарбоната.
Распределен по всемуорганизму:
в сыворотке крови,
в спинномозговойжидкости,
в глазной жидкости,
в пищеварительныхсоках,
в желчи,
в почках,
в коже,
в костной ткани,
в легких,
в мозге.
Натрий являетсяосновным внеклеточным ионом. Концентрация ионов Na+внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости.
Ионы натрия играютважную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма,участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости(осмотического гомеостаза).
В виде противоионов всоединениях с фосфорной кислотой (Na2HPO4+ NaH2PO4)органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесиеорганизма.
Ионы натрия участвуют врегуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.
Вместе с ионами калия,магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов. Приизменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной,сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц.
Натрия хлорид NaCl– основной источник соляной кислоты для желудочного сока.
Ионы натрия принимаютучастие в формировании разности потенциалов на мембране.
Препараты натрия,применяемые в медицине
Изотонический раствор –NaCl(0,9%) – для инъекций вводят подкожно, внутривенно и вклизмах при обезвоживании организма и при интоксикацях. Также применяют дляпромывания ран, глаз, слизистой оболочки глаза, также для растворения различныхЛП.
Гипертоническиерастворы — NaCl(3-5-10%) – применяют наружно в виде компрессов и примочекпри лечении гнойных ран. По закону осмоса применение таких компрессовспособствует отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие).
2-5% р-рNaClназначаютвнутрь для промывания желудка при отравлении AgNO3.
Ag+(р)+ Cl¯(р) → AgCl(т)
Натрия гидрокарбонат NaHCO3используют при заболеваниях, сопровождающихся ацидозом.
Механизм
NaHCO3+ RCOOH → H2O + CO2 + RCOONa
RCOONaнатриевые соли органических кислот в значительной мере выводятся с мочой, CO2– покидает организм с выдыхаемым воздухом.
NaHCO3также используют при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезнижелудка и двенадцатиперстной кишки.
NaHCO3+ HCl → H2O + NaCl + CO2
Имеет ряд побочныхэффектов.
NaHCO3применяют в виде полосканий, промывания при воспалительных заболеваниях глаз,слизистых оболочек верхних дыхательных путей. В результате гидролиза NaHCO3водный раствор имеет слабощелочные свойства. При воздействии щелочи намикробные клетки происходит их гибель.
NaHCO3+ H2O → NaOH + CO2 + H2O
Натрия сульфат Na2SO4*10H2O– применяют в качестве слабительного средства. Соль медленно всасывается изкишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления вполости кишечника. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике,содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массыбыстрее выводятся.
Натрия тетраборат Na2B4O7*10H2O– применяется наружно как антисептическое средство для полосканий,спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие аналогично NaHCO3,связано со щелочной реакцией среды в результате гидролиза.
Na2B4O7+ 7H2O→2NaOH + 4H3BO3
Радиоактивный изотоп 24Naв качестве метки применяют для определения скорости кровотока, используют длялечения некоторых форм лейкемии.
Калий
Содержание калия ворганизме человека массой 70 кг – около 160 г.: 2% — во внеклеточной жидкости,98% — во внутриклеточной.
В организме человека калийнаходится:
в крови,
в почках,
в сердце,
в костной ткани,
в сердце,
в мозге.
Калий является основнымвнутриклеточным ионом. Концентрация ионов К+ внутри клетки примернов 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости.Ионы калия играют важную роль в физиологическихпроцессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведениинервных импульсов, обменных реакциях. Являются важными активаторамивнутриклеточных ферментов.
Действие Na+,К+-АТФазы и возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах
Многие важные биологическиепроцессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярногосостава внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Концентрация ионов К+внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости,концентрация ионов Na+внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Чтобыподдерживать такое распределение ионы калия должны перемещаться из внешнейсреды внутрь клетки, а ионы натрия – наоборот, поступать из клетки вовнеклеточное пространство. Т.е. должен осуществляться перенос ионов из областис более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией.Самопроизвольно такой процесс протекать не может. Нормальное распределениеионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Работаэтих насосов по переносу ионов против градиента концентрации и по поддержаниюэтого градиента требует большой затраты энергии, следовательно, сопровождаетсямакроэргической реакцией гидролиза АТФ.
За счет энергиигидролиза одной молекулы АТФ три иона Na+выводятся из клетки, а два иона К+ — поступают в клетку. В итоге намембране клетки возникает разность потенциалов: наружная поверхность мембранызаряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Рисунок на доске
Магний
Формально относится кмакроэлементам. Общее содержание в организме 0,027% (около 20 г). В наибольшейстепени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани.Накапливается в
поджелудочной железе,
скелетных мышцах,
почках,
мозге,
печени и сердце.
Является внутриклеточнымкатионом. Концентрация ионов Mg2+внутри клеток примерно в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточной жидкости.
Во внутриклеточнойжидкости АТФ и АДФ присутствуют, в основном, в виде комплексов MgАТФ2- и MgАДФ2-.
Рисунок на доске
Во многихферментативных реакциях активной формой АТФ является комплекс MgАТФ2-.
Препараты магния,применяемые в медицине
MgOмагния оксид – применяют в качестве антацидногосредства при повышенной кислотности желудочного сока.
MgO+ HCl →H2O+ MgCl2
MgCl2– обладает легким послябляющим эффектом.
MgOмагния оксид (85%) и магния пероксид MgO2(15%) «магний перекись». Применяют при кишечныхрасстройствах.
MgSO4*7H2Oмагния сульфат (горькая соль) – в зависимости отдозы может обладать седативным, снотворным или наркотическим эффектом.Применяют и как слабительное.
В качествеадсорбирующего и обволакивающего средства применяют тальк силикатноепроизводное Mg2+ — 2 MgSiO3*Mg(HSiO3)2.
Кальций
Относится кмакроэлементам. Общее содержание в организме – 1,4%.
Содержится в каждойклетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях. Вкостях и зубах взрослого человека около 1 г кальция находится в виденерастворимого кристаллического минерала ГИДРОКСИЛАПАТИТА – Ca10(PO4)6(OH)2.Ионыкальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращениимышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.
Препараты кальция,применяемые в медицине
Кальция хлорид CaCl2– приотравлении солями магния, также оксалат- и фторид- ионами. Применение препаратав первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния ворганизме, во втором – на образовании нетоксичных малорастворимых соединений.
Кальция карбонат CaCO3– обладает антацидным и адсорбирующим действием, назначают внутрь при повышеннойкислотности желудочного сока.
Кальция сульфат CaSO4*1/2H2O– жженыйгипс. Применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах.
Химическое сходство ибиологический антагонизм натрия, калия, кальция и магния
Сходство электронногостроения ионов щелочных (натрий и калий) и щелочноземельных (магний и кальций) металлови различия физико-химических характеристик определяет их действия набиологические процессы.
Натрий и калий являютсяантагонистами. В ряде случаев близость многих физико-химических свойствобусловливает их взаимозамещение в живых организмах. Например, при увеличенииколичества натрия в организме усиливается выведение калия почками, наступаетгипокалиемия.
Магний и кальцийявляются антагонистами. Ионы кальция подавляют активность многих ферментов,активизируемых ионами магния. Антагонизм ионов кальция и магния проявляется ещеи в том, что ион кальция является внеклеточным ионом. При длительномпоступлении в организм избыточных количеств солей магния наблюдается усиленноевыделение кальция из костной ткани.