![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
S-Элементы IA и IIA групп
На внешнем уровне атомов s-элементов содержится у щелочных металлов по 1 электрону, у щелочно-земельных – по 2 электрона. Простые вещества. Радиусы атомов s-элементов в группах последовательно возрастают с увеличением порядкового номера элементов. В этом же направлении растет и способность атомов отдавать электроны. Вследствие высокой восстановительной активности s-элементы в природе встречаются в окисленной форме, а в основе их получения лежит процесс восстановления их из окисленных форм. Физические свойства. В отличие от р-элементов атомы s-элементов характеризуются бoльшим радиусом (имеются в виду радиусы атомов элементов одного периода), малым числом внешних электронов, низкой электроотрицательностью и значительной восстановительной способностью. Простые вещества, образованные атомами s-элементов, являются типичными металлами: их характеризуют металлический блеск, тепло- и электропроводность, пластичность. Некоторые физические свойства простых веществ приведены ниже: Простые вещества, образованные s-элементами I группы, кристаллизуются в объемно-центрированной кубической решетке. Они имеют небольшую плотность, мягкие, легко режутся ножом. Металлы, образованные s-элементами II группы, имеют гранецентрированную кристаллическую структуру. Это более плотная структура, поэтому металлы II группы отличаются большей плотностью, твердостью и более высокими температурами плавления. Химические свойства. Простые вещества, образованные атомами s-элементов, энергично взаимодействуют с простыми веществами, образованными атомами р-элементов, при этом образуются соединения с ионной или ковалентной полярной связью. Так, щелочные металлы взаимодействуют с кислородом и галогенами при обычных условиях, с другими веществами – при нагревании. При взаимодействии с кислородом s-элементов I группы только литий образует нормальный оксид, остальные металлы образуют пероксиды и супероксиды: 4Li + O2 = 2Li2O 2Na + O2 = Na2O2 K + O2 = KO2 2Са + О2 = 2СаО Са + О2 = СаО2 Бериллий и магний при обычных условиях образуют только оксиды. Оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов являются ионными соединениями, легко взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов: К2О + Н2О = 2КОН Оксид бериллия проявляет амфотерные свойства, с водой не взаимодействует, но реагирует с концентрированными кислотами и щелочами: BeO + 2HCl (конц.) = BeCl2 + H2O BeO + 2NaOH (конц., гор.) + H2O = Na2[Be(OH)4] BeO + 2NaOH = Na2BeO2 + H2O Простые вещества, образованные атомами s-элементов, взаимодействуют со сложными веществами. Все рассматриваемые металлы взаимодействуют а) с водой: 2Na + H2O = 2NaOH + H2↑ Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2↑ б) с кислотами: Be + 2HCl = BeCl2 + H2↑ Нахождение в природе и получение. Многие щелочные и щелочноземельные металлы принадлежат к числу самых распространенных на Земле элементов (Ca, Na, Mg, K входят в число десяти наиболее распространенных элементов). Щелочные металлы содержатся в земной коре в виде солей– хлоридов и сульфатов, которые являются наиболее подвижными ее составными частями, так как эти соли растворимы. Они растворены в морской воде, в водах других природных источников (глауберова соль Na2SO4*10H2O). В морской воде также содержится хлорид натрия. Отложения каменной соли на месте бывших морей служат источниками получения KCl, NaCl, MgCl2. В результате выветривания горных пород в природные воды попадают ионы щелочных металлов, которые содержатся в алюмосиликатах и полевых шпатах. Щелочные и щелочно-земельные металлы получают электролизом расплавов их солей. Исходным сырьем для получения щелочных металлов служат хлориды и гидроксиды, для получения щелочно-земельных металлов – хлориды. Из щелочных металлов наибольшее значение для живых систем имеют калий и натрий. Несмотря на большое сходство химических свойств этих элементов их биологические функции различны. Катионы калия содержатся в основном в плазме клеток, а катионы натрия – во внеклеточной жидкости. Катион калия связан с внутриклеточной активностью, а катион натрия участвует в процессах на внешней поверхности клетки и эти катионы не могут заменять друг друга. Катион калия является важным активатором более чем 60 ферментов внутри клетки. Катион натрия не действует на К+-зависимые ферменты и наоборот. Содержащийся в клетке калий играет большую роль в стабилизации рибонуклеиновых кислот и контролируемых ими синтетических систем клетки. Определенная концентрация калия в клетках растений необходима для активизации синтеза углеводов, усвоения нитратов и синтеза белков. Разность концентраций калия и натрия внутри и вне клетки возникает в результате избирательной проницаемости клеточной мембраны по отношению к катионам К+ и Na+. Перенос ионов через мембрану осуществляется двумя способами: 1) облегченной диффузией, 2) активным транспортом. Облегченная диффузия – это движение ионов из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Облегченная диффузия ионов сквозь клеточную мембрану происходит через образованные ионофорами каналы, которые пронизывают мембрану насквозь. Эти каналы снабжены молекулярными затворными механизмами, способными различать катионы и контролировать их вход. Активный транспорт ионов осуществляется из области с меньшей концентрацией ионов в область, где их концентрация выше, за счет энергии гидролиза аденозинтрифосфата. Активный транспорт осуществляет так называемый натриевый насос. Одновременное действие облегченной диффузии и активного транспорта катионов позволяет поддерживать постоянный состав внутриклеточного раствора. Организм человека содержит 0, 2% калия и 0, 14% натрия. Суточная потребность человеческого организма в калии восполняется за счет сельскохозяйственных продуктов растительного и животного происхождения, а потребность в натрии – за счет поваренной соли (хлорида натрия). Из s2-элементов магний и кальций относятся к числу биогенных макроэлементов. Физиологические функции катионов Mg2+ и Са2+ основаны на их свойствах образовывать комплексные соединения с различными биолигандами. Средние по прочности и лабильные координационные связи позволяют катионам Mg2+ и Са2+ изменять пространственное расположение О- и N-донорных групп биолигандов и тем самым переводить эти вещества в состояние, обеспечивающее протекание важнейших биохимических процессов. Обладая различными координационными возможностями, катионы Mg2+ и Са2+ играют разную роль в живой клетке. Mg2+, обладающий меньшим радиусом, образует более компактную и почти всегда октаэдрическую координационную сферу. Белки часто проявляют недостаточную конформационную гибкость и не могут насытить все шесть коодинационных позиций Mg2+ своими донорными группами. Катион Са2+ крупнее и может координировать не только шесть, но и семь и даже восемь донорных атомов белков, от молекул которых поэтому требуется меньшая пластичность. В биохимии растений особую роль играет комплексное соединение магния – хлорофилл. Хлорофилл – важнейшая часть фотосинтетического аппарата растительной клетки. При недостатке магния в почве у растений возникает эндемическое заболевание – хлороз. Катион магния активирует ферменты, участвующие в переносе фосфатных групп, синтезе и распаде АТФ, превращении многих витаминов, в частности витамина В6, в активные коферменты. Магний чрезвычайно важен для нормального функционирования нервной системы. Одна из его важнейших функций – торможение процессов возбуждения в коре головного мозга. Дефицит магния снижает устойчивость организмов к инфекциям, стрессовым ситуациям и острым нарушениям мозгового кровообращения. С обменом кальция в организмах человека и животных связано функционирование многочисленных белков и ферментов. Наличие кальция в достаточных концентрациях необходимо для нормального свертывания крови, регуляции мембранного потенциала клеток и тонуса сосудов. Нарушение баланса кальция в организме приводят к многочисленным заболеваниям. Замедление поступления кальция в костную ткань вызывает деформацию костей в взрослых и рахит у детей. Плохая растворимость солей кальция может приводить к обызвествлению стенок кровеносных сосудов, к образованию камней в почках. Малорастворимые соли кальция играют роль конструкционного материала в организмах растений и животных. Мельчайшие кристаллы гидроксилапатита Са5(РО4)3ОН – неорганические компоненты скелета позвоночных. Минеральной основой клеточных стенок растений, панцирей моллюсков, скорлупы яиц служит карбонат кальция СаСО3
d – ЭЛЕМЕНТЫ При изучении данной темы необходимо усвоить следующие понятия. Положение d-элементов в периодической системе. Особенности электронных конфигураций и диапазон степеней окисления атомов переходных металлов. Горизонтальная аналогия. Специфика изменения свойств переходных элементов и их соединений с увеличением зарядов ядер атомов в пределах периодов и побочных подгрупп. Отличия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп, их объяснение с позиций строения атомов. Общая характеристика простых веществ. Нахождение в природе, физические и химические свойства, получение. Применение металлов и их сплавов. Оксиды и гидроксиды переходных металлов. Зависимость кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов (на примере соединений хрома, марганца). Комплексные соединения d-элементов. Важнейшие комплексообразователи. Природные комплексы d-элементов. Физиологическое действие соединений меди, цинка, кадмия, ртути. Биологические функции железа, кобальта, никеля. Бактерицидное действие серебра. Микроэлементы питания растений. К d-блоку относятся 32 элемента периодической системы. d – Элементы входят в 4-7 большие периоды. У атомов 3Б-группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б-группах происходит заполнение d-подуровня до 10 электронов. Строение внешних электронных оболочек атомов d-блока описывается общей формулой (n-1)dansb, где a = 1-10, b = 1-2. Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов. Такое относительно медленное изменение радиусов объясняется так называемым d-сжатием вследствие проникновения ns-электронов под d-электронный слой. В результате наблюдается незначительное изменение атомных и химических свойств d-элементов с увеличением атомного номера. Сходство химических свойств проявляется в характерной особенности d-элементов образовывать комплексные соединения с разнообразными лигандами. Важным свойством d-элементов является переменная валентность и, соответственно, разнообразие степеней окисления. Эта особенность связана главным образом с незавершенностью предвнешнего d-электронного подуровня (кроме элементов 1Б- и 2Б-групп). Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов. В низших степенях окисления d-элементы проявляют восстановительные свойства. С увеличением атомного номера в группах окислительные свойства усиливаются, металлические –уменьшаются, энергия ионизации увеличивается. В растворах кислородсодержащие анионы d-элементов с высшей степенью окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. Катионные формы низших степеней окисления характеризуются основными и восстановительными свойствами. В промежуточной степени окисления d-элементы проявляют амфотерные свойства. Эти закономерности можно проследить на примере соединений молибдена: МоО Мо2О3 МоО3 основной амфотерный кислотный оксид оксид оксид В периоде с увеличением заряда ядра наблюдается уменьшение устойчивости соединений элементов в высших степенях окисления. Параллельно возрастают окислительно-восстановительные потенциалы этих соединений. Наибольшая окислительная способность наблюдается у феррат-иона (FeO42-) и перманганат-иона (MnO4-). У d-элементов при нарастании относительной электроотрицательности усиливаются кислотные и неметаллические свойства. С увеличением устойчивости соединений при движении сверху вниз в Б группах одновременно уменьшаются их окислительные свойства. Высокие комплексообразующие способности d-элементов объясняются возможностями их быть как донорами, так и акцепторами электронных пар. Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организме они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов. Элементы Zn, Fe, Co, Mo, Cu – жизненно необходимы, входят в состав металлоферментов. Они катализируют реакции, которые можно разделить на три группы: 1. Кислотно-основные взаимодействия. Участвует ион цинка, входящий в состав фермента карбоангидразы, катализирующего обратимую гидратацию СО2 в биосистемах. 2. Окислительно-восстановительные взаимодействия. Участвуют ионы Fe, Co, Cr, Mo. Железо входит в состав цитохрома, в ходе процесса происходит перенос электрона: Fe3+ → Fe2+ + ē 3. Перенос кислорода. Участвуют Fe, Cu. Железо входит в состав гемоглобина, медь – в состав гемоцианина.
|