ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ
S
-БЛОКА
К s-элементам относятся две группы Периодической системы: IА и IIА.
В группу IА входят 8 элементов: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, франций, водород, гелий. В группу IIА входят 6 элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий.
Общим является застраивание в их атомах электронами s-подуровня внешнего энергетического уровня. (Т.Е. говорим о "семействе элементов". ВСПОМИНАЕМ: "семейство элементов" определяется тем, какой подуровень заполняется электронами в последнюю очередь.
)
Электронная формула внешней оболочки:
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ
I
А И
II
А (КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ) НА ПРИМЕРЕ
Na
,
K
И
Mg
,
Ca
Общая характеристика элементов
I
А и
II
А
Элементные вещества - типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью и теплоповодимостью, химически весьма активны.
Как следует из электронных формул, элементы I
А
группы (Na
,
K
) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s электрону. Элементы II
А
группы (Mg
,
Ca
) по 2 s электрона.
Химические свойства s элементов I
А
иII
А
групп сходны.
s-элементы I
А
иII
А
имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.
s-элементы I
А
иII
А
групп легко отдают валентные электроны. Являются сильными восстановителями. С ростом радиуса атома в группах I
А
иII
А
ослабевает связь валентных электронов с ядром, следовательно s-элементы этих групп имеют низкие значения Еи
и Еср. к ẽ
. Все щелочные и щелочноземельные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Что также характеризует их, как сильных восстановителей. Восстановительные свойства возрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительная способность увеличивается по группе сверху вниз.
Для элементов II
А
группы характерна большая, чем для элементов I
А
группы способность к комплексообразованию.
s-элементы I
А
иII
А
образуют соединения с ионным типом связи.
Исключение составляет водород, для которого в соединениях даже с самыми электроотрицательными элементами характерна преимущественно ковалентная связь (например, фтороводород или вода). Частично ковалентный характер связи в соединениях имеет место у лития, бериллия и магния.
Сравнение свойств элементов
I
А и
II
А (комплексообразование, образование осадков) на примере
Na
,
K
и
Mg
,
Ca
Атомы элементов I
А
группы имеют по одному валентному электрону на s подуровне внешнего энергетического уровня. Это обуславливает проявление степени окисления +1.
Все элементы I
А
группы сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только внешней, валентной оболочки, но и предвнешней (исключение литий).
С ростом радиуса атома в группе I
А
ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, уменьшается энергия ионизации атомов. Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то энергия ионизации калия меньше, чем у натрия.
В результате ионизации образуются катионы Э+
, имеющие устойчивую конфигурацию благородных газов.
Химическая активность металлов I
А
группы возрастает закономерно с увеличением радиуса атома и уменьшением их способности к гидратированию (чем меньше способность к гидратированию, тем активнее металл).
Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то способность к гидратации для катиона калия будет ниже, чем для катиона натрия, а, следовательно, химическая активность катиона калия выше, чем у катиона натрия.
Вследствие незначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура, большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочных металлов малохарактерно. Вместе с тем, они способны образовывать комплексные соединения с некоторыми биолигандами (КЧ для натрия и калия может принимать значения 4 и 6). Способность образовывать донорно-акцепторные связи с соответствующими лигандами едва намечается у натрия. У калия имеется значительная тенденция к использованию имеющихся в атоме вакантных d-орбиталей.
Например, образование комплексов калия с антибиотиком валиномицином. Валиномицин образует с калием прочные комплексы, связывание этого антибиотика с натрием очень незначительно.
Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение составляют некоторые соли лития).
Атомы элементов II
А
группы имеют по два валентных электрона на s подуровне внешнего энергетического уровня.
В нормальном состоянии у атомов этих элементов нет неспаренных электронов, но при переходе атомов в возбужденное состояние один из s валентных электронов переходит на р
-подуровень. Это обуславливает проявление степени окисления +2.
Степени окисления больше +2 элементы II
А
группы не проявляют.
Несмотря на то, что число валентных s электронов у атомов II
А
группы одинаково, свойства магния
и кальция
отличаются друг от друга.
Это связанно с тем, что в атоме кальция, в отличие от атома магния, имеются свободные d-орбитали, близкие по энергии к ns орбиталям.
Магний и кальций существенно различаются размерами атомов и ионов:
· металлический радиус атома Mg = 160 пм;
· металлический радиус атома Ca = 197 пм.
· кристаллический радиус иона Mg2+
= 74 пм;
· кристаллический радиус иона Ca2+
= 104 пм..
Больший размер иона кальция обусловливает и более высокое координационное число этого иона – КЧ (Ca2+
) 6, 8, тогда как КЧ (Mg2+
) – 6. Прочность комплексных соединений уменьшается по мере увеличения радиуса атома, следовательно, комплексные соединения магния будут более прочными, чем комплексные соединения кальция. Ион Mg2+
образует шестикоординационные соединения регулярной структуры. Ca2+
образует несимметричные комплексы. Кальций предпочтительно координируется с атомами кислорода, магний – с атомами азота.
Многие соли щелочноземельных металлов малорастворимы в воде (малорастворимы CaF2
, MgF2
; практически не растворимы фосфаты кальция и магния). Причем с ростом порядкового номера растворимость солей снижается.
Такой характер изменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действии катионов этой группы. Уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната по сравнению с фосфатами и карбонатами магния является, по видимому, одной из причин формирования скелета всех живых организмов именно из этих соединений кальция.
В живых организмах из ионов кальция и фосфат-ионов образовался кристаллический минерал ГИДРОКСИЛАПАТИТ – Ca10
(PO4
)6
(OH)2
– основное вещество костной и зубной ткани. Магний является макроэлементом, но лучшая растворимость магния фосфата Mg3
(PO4
)2
и основного карбоната Mg(OH)2
)*4MgCO3
*H2
O объясняет тот факт, что его соединения не сыграли значительной роли в построении скелета.
Биологическая роль натрия, калия, кальция и магния
Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений.
По содержанию в организме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, литий, рубидий и цезий – к микроэлементам.
Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ.
Натрий
Содержание натрия в организме 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 человека натрий находится в виде его растворимых солей: хлорида, фосфата, гидрокарбоната.
Распределен по всему организму:
в сыворотке крови,
в спинномозговой жидкости,
в глазной жидкости,
в пищеварительных соках,
в желчи,
в почках,
в коже,
в костной ткани,
в легких,
в мозге.
Натрий является основным внеклеточным ионом. Концентрация ионов Na+
внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости.
Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости (осмотического гомеостаза).
В виде противоионов в соединениях с фосфорной кислотой (Na2
HPO4
+ NaH2
PO4
) органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма.
Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.
Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов. При изменении 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 принимают участие в формировании разности потенциалов на мембране.
Препараты натрия, применяемые в медицине
Изотонический раствор –
NaCl
(0,9%)
– для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикацях. Также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки глаза, также для растворения различных ЛП.
Гипертонические растворы -
NaCl
(3-5-10%)
– применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. По закону осмоса применение таких компрессов способствует отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие).
2-5% р-р
NaCl
назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNO3
.
Ag+
(р)
+ Cl¯(р)
→ AgCl(т)
Натрия гидрокарбонат
NaHCO
3
используют при заболеваниях, сопровождающихся ацидозом.
Механизм
NaHCO3
+ RCOOH → H2
O + CO2
+ RCOONa
RCOONa натриевые соли органических кислот в значительной мере выводятся с мочой, CO2
– покидает организм с выдыхаемым воздухом.
NaHCO3
также используют при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
NaHCO3
+ HCl → H2
O + NaCl + CO2
Имеет ряд побочных эффектов.
NaHCO3
применяют в виде полосканий, промывания при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. В результате гидролиза NaHCO3
водный раствор имеет слабощелочные свойства. При воздействии щелочи на микробные клетки происходит их гибель.
NaHCO3
+ H2
O → NaOH + CO2
+ H2
O
Натрия сульфат
Na
2
SO
4
*10
H
2
O
– применяют в качестве слабительного средства. Соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массы быстрее выводятся.
Натрия тетраборат
Na
2
B
4
O
7
*10
H
2
O
– применяется наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие аналогично NaHCO3
, связано со щелочной реакцией среды в результате гидролиза.
Na2
B4
O7
+ 7H2
O → 2NaOH + 4H3
BO3
Радиоактивный изотоп 24
Na
в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, используют для лечения некоторых форм лейкемии.
Калий
Содержание калия в организме человека массой 70 кг – около 160 г.: 2% - во внеклеточной жидкости, 98% - во внутриклеточной.
В организме человека калий находится:
в крови,
в почках,
в сердце,
в костной ткани,
в сердце,
в мозге.
Калий является основным внутриклеточным ионом. Концентрация ионов К+
внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости.Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Являются важными активаторами внутриклеточных ферментов.
Действие
Na
+, К+-АТФазы и возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах
Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного состава 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. Чтобы поддерживать такое распределение ионы калия должны перемещаться из внешней среды внутрь клетки, а ионы натрия – наоборот, поступать из клетки во внеклеточное пространство. Т.е. должен осуществляться перенос ионов из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией. Самопроизвольно такой процесс протекать не может. Нормальное распределение ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Работа этих насосов по переносу ионов против градиента концентрации и по поддержанию этого градиента требует большой затраты энергии, следовательно, сопровождается макроэргической реакцией гидролиза АТФ.
За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Na+
выводятся из клетки, а два иона К+
- поступают в клетку. В итоге на мембране клетки возникает разность потенциалов: наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Рисунок на доске
Магний
Формально относится к макроэлементам. Общее содержание в организме 0,027% (около 20 г). В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается в
поджелудочной железе,
скелетных мышцах,
почках,
мозге,
печени и сердце.
Является внутриклеточным катионом. Концентрация ионов Mg2+
внутри клеток примерно в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточной жидкости.
Во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют, в основном, в виде комплексов MgАТФ 2-
и MgАДФ 2-
.
Рисунок на доске
Во многих ферментативных реакциях активной формой АТФ является комплекс MgАТФ 2-
.
Препараты магния, применяемые в медицине
MgO
магния оксид
– применяют в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока.
MgO + HCl → H2
O + MgCl2
MgCl2
– обладает легким послябляющим эффектом.
MgO
магния оксид (85%) и магния пероксид
MgO
2
(15%)
"магний перекись". Применяют при кишечных расстройствах.
MgSO
4
*7
H
2
O
магния сульфат (горькая соль)
– в зависимости от дозы может обладать седативным, снотворным или наркотическим эффектом. Применяют и как слабительное.
В качестве адсорбирующего и обволакивающего средства применяют тальк силикатное производное Mg2+
- 2 MgSiO3
* Mg(HSiO3
)2
.
Кальций
Относится к макроэлементам. Общее содержание в организме – 1,4%.
Содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях. В костях и зубах взрослого человека около 1 г кальция находится в виде нерастворимого кристаллического минерала ГИДРОКСИЛАПАТИТА –
Ca
10
(
PO
4
)6
(
OH
)2
.
Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.
Препараты кальция, применяемые в медицине
Кальция хлорид
CaCl
2
–
при отравлении солями магния, также оксалат- и фторид- ионами. Применение препарата в первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния в организме, во втором – на образовании нетоксичных малорастворимых соединений.
Кальция карбонат
CaCO
3
– обладает антацидным и адсорбирующим действием, назначают внутрь при повышенной кислотности желудочного сока.
Кальция сульфат
CaSO
4
*1/2
H
2
O
–
жженый гипс. Применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах.
Химическое сходство и биологический антагонизм натрия, калия, кальция и магния
Сходство электронного строения ионов щелочных (натрий и калий) и щелочноземельных (магний и кальций) металлов и различия физико-химических характеристик определяет их действия на биологические процессы.
Натрий и калий являются антагонистами. В ряде случаев близость многих физико-химических свойств обусловливает их взаимозамещение в живых организмах. Например, при увеличении количества натрия в организме усиливается выведение калия почками, наступает гипокалиемия.
Магний и кальций являются антагонистами. Ионы кальция подавляют активность многих ферментов, активизируемых ионами магния. Антагонизм ионов кальция и магния проявляется еще и в том, что ион кальция является внеклеточным ионом. При длительном поступлении в организм избыточных количеств солей магния наблюдается усиленное выделение кальция из костной ткани.
|
