Группа IA и IIА

Металлы IA и IIA группы относятся к s-семейству.

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью - ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NaHCO₃ с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углекислый газ, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NaHCO₃(р) + RCOOH(р) ®RCOONa(р) + Н₂О(ж) + СО₂(г)

Используют NaHCO₃ и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме NaHCO₃ протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NaHCO₃(р) + HCl(р) = NaCl(р) + Н₂О(ж) + СО₂(г)

желудоч. сок

Следует иметь в виду, что применение NaHCO₃ вызывает ряд побочных эффектов. Выделяющийся при реакции диоксид углерода раздражает рецепторы слизистой оболочки желудка и вызывает вторичное усиление секреции, кроме того, он может способствовать перфорации стенки желудка при язвенной болезни. Слишком большая доза NaHCO₃ в результате гидролиза приводит к алкалозу, что не менее вредно, чем ацидоз.

Среди оксидов элементов IIА-группы в качестве лекарственного препарата применяют оксид магния MgO. Основные свойства оксида магния и его нерастворимость в воде обуславливают его применение в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока:

MgO(тв.) + 2HCl(желудоч. сок) = MgCl₂(р) + Н₂О(ж)

Оксид магния имеет преимущество перед гидрокарбонатом натрия, так как при взаимодействии MgO с кислотой желудочного сока не происходит выделение диоксида углерода. Поэтому при действии оксида магния не наблюдается гиперсекреции. Образующийся при реакции хлорид магния переходит в кишечник, оказывает легкий послабляющий эффект, обусловленный осмотическим действием.

Антацидным и адсорбирующим действием обладает карбонат кальция СаСО₃. Его назначают внутрь при повышенной кислотности желудка, так как он нейтрализует соляную кислоту:

СаСО₃(тв.) + 2HCl (желудоч. сок) = CaCl₂(р) + Н₂О(ж) + СО₂(г).

Жесткость воды

Растворимые соли Са и Mg обуславливают важное свойство природной воды, называемое жесткостью (суммарное содержание солей кальция и магния). Определение жесткости воды имеет большое практическое значение и широкое применение в лабораторной практике различных производств. При стирке белья жесткая вода ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла, которое расходуется на связывание катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

2С₁₇Н₃₅СОО^– + Са²⁺ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Са¯

2С₁₇Н₃₅СОО^– + Mg²⁺ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Mg¯.

Пена образуется лишь после полного осаждения этих катионов. Правда, некоторые синтетические моющие средства хорошо моют и в жесткой воде, так как их кальциевые и магниевые соли легко растворяются. В жесткой воде плохо развариваются овощи. Очень плохо заваривается чай, и вкус его теряется. В то же время в санитарно-гигиеническом отношении эти катионы не представляют опасности, хотя при большом содержании катионов магния Mg²⁺ (как в море или океане) вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник человека. Однако использование жесткой воды в качестве питьевой способствует возникновению мочекаменной и желчекаменной болезней (образованию камней).

Различают жесткость временную (или устранимую) и постоянную. Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатов Ca(HCO₃)₂, реже Mg(HCO₃)₂ и иногда Fe(HCO₃)₂. Постоянная жесткость обусловлена присутствием других растворимых солей этих металлов (хлоридов, сульфатов и др.).

При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок, и жесткость уменьшается.

Ca(HCO₃)₂® CaCO₃¯ + H₂O + CO₂­

Ca²⁺ + 2HCO₃^-® CaCO₃¯ + H₂O + CO₂­

2Mg(HCO₃)₂® (MgOH)₂CO₃¯ + H₂O + 3CO₂­

2Mg²⁺ + 2HCO₃^2- ® (MgOH)₂CO₃¯ + H₂O + 3CO₂­.

Сохраняющаяся после кипячения воды жесткость, называется постоянной (некарбонатной).

В соответствии с ГОСТ 6055-86 по значению общей жесткости (ммоль/л) различают воду: очень мягкую < 1, 5, мягкую 1, 5–3, 0, средней жесткости 3, 0–6, 0, жесткую 6, 0–9, 0, очень жесткую > 9, 0.

Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль/л.

Для определения жесткости воды применяют титриметрический метод (см. лабораторную работу №1).

В даннойработе методом кислотно-основного титрования (метод нейтрализации) определяется временная (гидрокарбонатная) жесткость воды. Гидрокарбонаты кальция и магния титруют соляной кислотой в присутствии индикатора.

Ca(HCO₃)₂ + 2НCl®CaCl₂ + 2H₂O +2CO₂

HCO₃^– + Н⁺®H₂O +CO₂

Группа IIIA (алюминий)

По содержанию в организме человека алюминий относится к примесным микроэлементам (10^–5 %). Известно, что алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костной ткани, на обмен фосфора. Катион Al³⁺ способен замещать ионы Ca²⁺ и Mg²⁺, влияя тем самым на протекание ферментативных процессов. Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина, так как благодаря довольно высокой способности к комплексообразованию ионы алюминия блокируют активные центры ферментов, участвующих в кроветворении.

Алюминий – амфотерный металл, растворяется в растворах кислот и в щелочах. Амфотерными свойствами обладают оксид (Al₂O₃) и гидроксид алюминия (Al(OH)₃).

Соли алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде, за исключением фосфата алюминия AlPO₄. Это следует учитывать при назначении препаратов алюминия, в частности гидроксида алюминия при повышенной кислотности желудка. В желудке гидроксид алюминия нейтрализует соляную кислоту

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + 3H⁺ = Al³⁺ + 3H₂O

Перешедшие в раствор ионы алюминия в кишечнике переходят в малорастворимую форму – фосфат алюминия, который выводится из организма. Таким образом, в присутствии ионов алюминия уменьшается усвоение фосфора.

В медицинской практике также находят применение алюмокалиевые квасцы (KAl(SO₄)₂∙ 12H₂O) и жженые квасцы (KAl(SO₄)₂). Эти соединения используются для наружного применения для полосканий, промываний, примочек при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых, как кровоостанавливающее средство при порезах. Фармакологическое действие солей алюминия основано на том, что ионы Al³⁺ образуют с белками комплексы, выпадающие в виде гелей, что приводит к гибели микробных клеток.

Группа VA (азот)

Опыт 6. Получение и свойства аммиака

Азот (N) – элемент VА группы (р-элемент). Из соединений азота, в которых он проявляет степень окисления –3, наибольший интерес для медиков и биологов представляет аммиак NH₃ и его производные – соли аммония и аминокислоты. Аммиак NH₃ в организме человека является одним из продуктов метаболизма аминокислот и белков.

Причина токсического действия аммиака на мозг до конца не выяснена. В крови при рН = 7, 4 аммиак почти полностью находится в виде ионов аммония. Ионы NH₄⁺, несмотря на то, что они в крови находятся в большом избытке, не могут проникать через клеточные мембраны, в то время как нейтральные молекулы NH₃ легко проходят и могут воздействовать на мозг.

NH₃ – бесцветный газ с резким запахом, очень хорошо растворим в воде: в 1 объеме воды при 20°С растворяется около 700 объемов аммиака (растворимость 31 моль/л). В концентрированном водном растворе массовая доля аммиака составляет 25%. В медицинской практике применяют 10%-ный раствор аммиака (нашатырный спирт) для выведения из обморочного состояния. При вдыхании аммиак оказывает возбуждающее влияние на дыхательный центр. При больших дозах наступает удушье.

Группа VIA (кислород)

Кислород – важнейший биогенный элемент, находится в VIА группе (р-элемент).

В атмосфере Земли содержится около 21% кислорода (по объему). В промышленности кислород получают из жидкого воздуха путем ректификации – дробной перегонки, основанной на различии температур кипения кислорода (–183°С) и азота (–195, 8°С). В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества О₂ можно получать взаимодействием раствора KMnO₄с подкисленным раствором Н₂О₂ (см. опыт 4.2 в работе 8) или термическим разложением некоторых кислородсодержащих веществ, например, перманганата калия:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂­.

Велика биологическая роль кислорода. Элемент кислород входит в состав всех жизненно важных органических веществ – белков, жиров, углеводов. Без О₂ невозможны чрезвычайно важные жизненные процессы: дыхание, окисление аминокислот, жиров, углеводов. Только немногие растения, называемые анаэробными, могут обходиться без кислорода. За сутки человек фактически использует около 0, 1 м³ кислорода. У высших животных О₂ проникает в кровь, соединяется с гемоглобином, образуя оксигемоглобин, который поступает в капилляры различных органов. Здесь О₂ отщепляется от гемоглобина и через стенки капилляров диффундирует в ткани. В тканях кислород расходуется на окисление различных веществ. Эти реакции в конечном итоге приводят к образованию углекислого газа, воды и созданию запаса энергии.

Регенерация кислорода осуществляется в растениях в результате фотосинтеза.

Кислород используют в медицине при затрудненном дыхании. В последние годы при лечении газовой гангрены и ряда других заболеваний, при которых накапливаются микробы в омертвевших тканях, применяют гипербарическуюоксигенацию, т.е. помещают больных в барокамеры с повышенным давлением кислорода в воздухе. При этом улучшается снабжение тканей кислородом, и во многих случаях такой способ лечения дает хорошие результаты.

Группа VIIA (йод)

Йод (I) находится в VIIА группе, относится к р-элементам. Он относится к числу незаменимых биогенных элементов, и его соединения играют важную роль в процессах обмена веществ. Имеются данные, что йод влияет на синтез некоторых белков, жиров и гормонов. В организме человека содержится около 25 мг йода, из них больше половины находится в щитовидной железе, причем в связанном состоянии – в виде гормонов – и только около 1% его находится в виде иодид-иона. Щитовидная железа секретирует иод-содержащие гормоны тироксин и трииодтиронин.

Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением ее способности накапливать иодид-ионы, а также с недостатком в пище иода (эндемический зоб).

При эндемическом зобе назначают препараты иода: KJ или NaJ. В районах, где имеется дефицит иода, для профилактики эндемического зоба добавляют к поваренной соли NaJ или KJ (1-2, 5 г на 100 кг).

При повышенной активности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие избыточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов.

KJ применяют и при гипотиреозе (эндемический зоб), и при гипертиреозе. В первом случае иодид-ионы используют для синтеза гормонов, во втором случае иодид-ион тормозит иодирование тирозина иодом. При неэффективности указанных препаратов для лечения гипертиреоза применяют препарат радиоактивного иодаJ-131, излучение которого разрушает фолликулы щитовидной железы и уменьшает избыточный синтез гормонов.

NaJ и KJ используют также как отхаркивающее средство при воспалительных заболеваниях дыхательных путей.

Иод применяют в медицине в виде раствора в этиловом спирте (массовая доля иода 3, 5 или 10%), который является превосходным антисептическим и кровоостанавливающим средством. Кроме того, йод входит в состав ряда фармацевтических препаратов.