Тема: Біогенні s – елементи

За хімічними властивостями розрізняють метали і неметали.

За будовою верхнього енергетичного рівня і подібними хімічними властивостями елементи поділяють на чотири блоки: s – елементи (елементи головної підгрупи І, ІІ групи), р – елементи (елементи головних підгруп ІІІ-VIII групи), d – елементи (елементи побічних підгруп І-VIII групи) та f – елементи (лантаноїди та актиноїди).

Хімічні елементи, необхідні для побудови та життєдіяльності клітин організму тварин і людини, називають біоелементами. їх поділяють на біоме- тали, або «метали життя», - Са, К, Na, Mg, Fe, Zn, Cu, Co, Mn, Mo, органо­генні елементи (О, C, H, N, P, S) та інші життєво необхідні елементи (СІ, І, В, Se, Si, Ва, V, Ті та ін.). Вони містяться у повітрі, воді, різноманітних продук­тах харчування і потрапляють до організму в процесі дихання, пиття, спожи­вання їжі тощо. Біогенні елементи є важливими хімічними складовими різ­них систем живого організму - усіх тканин, фізіологічних рідин (плазма кро­ві, спинномозкова рідина, лімфа тощо).

За фізіологічною дією на живі організми елементи поділяють на необхідні, нейтральні та токсичні.

У живих організмах тварин та людини за допомогою різних хімічних та фізико-хімічних методів виявлено 80 хімічних елементів. Серед них є 20 незамінних елементів, які постійно містяться в організмі і входять до складу білків, ферментів, вітамінів, гормонів, нуклеїнових кислот. З неметалів сюди входять – C, H, O, N, P, S, Cl, I, Se, а з групи металів – Na, K, Ca, Zn, Cu, Mg, Fe, Co, Mn, V, Mо.

Основою для вивчення властивостей хімічних елементів, їх біологічної ролі є періодичний закон Д.І.Менделєєва: властивості хімічних елементів, а також форми і властивості їх сполук перебувають у періодичній залежності від заряду ядер атомів. У періодичній системі хімічних елементів сконцентровані і систематизовані численні хімічні факти, на основі яких можна зробити такі висновки:

1. Періодичність зумовлена повторенням електронних конфігурацій атомів (повторенням у розміщенні електронів навколо ядра при збільшенні зарядів ядер від 1 до 8 у малих періодах і від 1 до18 у великих періодах).

2. Порядковий номер елемента вказує на заряд ядра Z і кількість електронів, які знаходяться навколо ядра.

3. Положення елемента в періоді вказує на кількість енергетичних рівнів електронів.

4. Номер групи як правило вказує на найвищу валентність елемента, тобто на кількість електронів у збудженому стані.

5. Металічні властивості виявляють елементи з малою кількістю електронів на верхньому енергетичному рівні. Неметалічними властивостями характеризуються елементи з великою кількістю валентних електронів.

6. Металічні властивості посилюються зверху вниз і справа наліво, а неметалічні – зліва направо і знизу догори.

7. Приблизно по діагоналі (від Берилію до Бору) розміщені елементи, які виявляють амфотерні властивості. Це вказує на те, що поділ на метали і неметали є умовним.

Під електронною структурою атома розуміють розподіл електронів навколо ядра по енергетичних рівнях і підрівнях. Електронні формули складають за певними правилами:

а). Найстійкішому стану електронів в атомі відповідає мінімальна енергія, тобто електрони розміщуються на найближчих до ядра енергетичних рівнях (принцип мінімуму енергії).

б). В атомі не може бути електронів з однаковим значенням усіх квантових чисел (принцип Паулі). Максимальне число електронів N на енергетичному рівні n визначають за формулою:

N=2n².

Отже, на s -, p-, d-, f- підрівнях число електронів відповідно дорівнює: 2, 6, 10, 14.

в). Послідовне заповнення атомних орбіталей (АО) при збільшенні заряду ядра атома відбувається за зростанням суми головного n і орбітального l квантових чисел. За однакових значень суми цих чисел (n+l) заповнення АО відбувається в порядку зростання головного квантового числа n (правило Клечковського).

У багатоелектронних атомах заповнення електронами енергетичних рівнів і підрівнів для елементів І-VI періодів відбувається в такій послідовності:

1s^1-2→2s^1-2 →2p^1-6→3s^1-2→3p^1-6→4s^1-2→3d^1-10→4p^1-6→5s^1-2→4d^1-10→5p^1-6→

6s^1-2→5d¹→4f^1-14→5d^2-10…

г). Заповнення електронами еквівалентних орбіталей відбувається згідно з принципом Гунда: сумарне спінове число електронів певного підрівня повинно бути максимальним. Наприклад, при заповненні рівноцінних за енергією р – орбіталей електрони розміщуються на кожній орбіталі, тобто заповнюються усі вільні АО, як показано на схемі:

Елементи, в яких останніми заповнюються s – орбіталі, називають s- елементами. До них належать елементи І і ІІ групи головної підгрупи. До біогенних s - елементів відносять – K, Na, Mg, Ca. Загальна електронна формула зовнішнього енергетичного рівня цих елементів ns¹ або ns². Наприклад, атом Кальцію має таку електронну структуру:

_{+ 20} Ca 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²

Біометали із родини s – елементів відносять до неперехідних елементів (з постійною валентністю). Вони завжди містяться в організмі людини у макрокількостях і тому є життєво необхідними.

Атоми s – елементів легко віддають свої валентні електрони, виявляючи сильні відновні властивості, і перетворюються у позитивно заряджені йони:

Na – 1e → Na⁺

Реагують з такими простими речовинами, як кисень, галогени, водень, сірка, фосфор, вуглець, азот та ін., наприклад:

2Na+Cl₂ =2NaCl

ЗСа+2Р = Са₃Р₂

При взаємодії з киснем тільки літій утворює оксид Li₂О, а всі інші лужні метали - пероксиди або надпероксиди (супероксиди), що відповідають форму­лам Ме₂О ₂ і MeО ₂.

Оксиди лужних і лужноземельних металів мають високу реакційну здат­ність, енергійно реагують з водою, утворюючи гідроксиди:

Ме₂О+Н₂О = 2МеОН; МеО+Н₂О = Ме(ОН)₂.

Гідроксиди лужних металів - безбарвні, тверді, легкоплавкі й дуже гігроскопічні речовини. Це типові йонні сполуки, у водних розчинах вони повністю дисоціюють на катіони металу Ме ⁺ та аніони гідроксильної групи ОН^-і тому належать до найсильніших основ, які називають лугами. Розчини гідроксидів у воді агресивні щодо багатьох речовин, тому їх ще називають їдкими лугами.

s-Елементи вступають у реакції і з багатьма складними речовинами: водою, кислотами-неокисниками (НС1, H₂SО_4(poзб), Н₃РО₄) та кислотами-окисниками H₂SО_4(конц), HNО₃), наприклад:

2К+2Н₂О = 2КОН+Н₂; Са+2НС1 = СаС1₂ + Н₂; 8Na+5H₂SО_4(конц) = 4Na₂SО₄ +H₂S+4H₂О; 8Na+10HNО_3(poз6) =8NaNО₃ +NH₄NО₃ +3H₂О.

Унаслідок цих реакцій утворюються гідроксиди або солі відповідного металу. Переважна більшість солей лужних металів легко розчиняється у воді, оскільки є кристалічними речовинами йонної будови.

Переважно у йонному стані ці елементи містяться у живих організмах.

Натрій і Калій – дуже важливі елементи, які є у плазмі крові, лімфі, шлунковому соці. Найбільше Калію в печінці, нирках, серці, м’язах та мозку. Загальний вміст К в організмі дещо більший, ніж Na. Йони Натрію є основними позаклітинними йонами, а Калію – внутрішньоклітинними. Основна біологічна роль цих йонів полягає у підтриманні водно – електролітного балансу, осмотичного тиску, кислотності біорідин. Вони необхідні для генерування біопотенціалів у нервовій системі та для регулювання роботи серцевого м^’яза. Встановлено, що йони Натрію сприяють скороченню м^’язів, а Калію, навпаки, розслабленню. Натрій хлорид, який поступає в організм з їжею, є джерелом хлоридної кислоти для утворення шлункового соку, а натрій гідрогенкарбонат – є важливим компонентом буферної суміші, яка підтримує кислотно – основний стан деяких біорідин. Необхідно зазначити, що для функціонування окремих органів, зокрема серця, потрібна не лише певна концентрація йонів Калію, Натрію, Кальцію і Магнію у крові, але і їх точне кількісне співвідношення.

Йони Кальцію постійно містяться в організмі людини в макрокількостях. Вони необхідні для побудови тканин, оскільки мінеральні солі Кальцію є основою кісткової тканини та емалі зубів. У плазмі крові Йони Кальцію перебувають у зв’язаному з білками стані та у вільному вигляді. Вони підтримують нормальну здатність крові до зсідання, виявляють протизапальну дію. Нестача Кальцію в організмі призводить до нервових розладів.

Нагромадження Кальцію в деяких органах призводить утворення каменів, поліартриту, остеохондрозу, катаракти. Добова потреба організму в Кальції становить біля 1г. Вона забезпечується за рахунок рослинної їжі, молока, питної води. Засвоєння Кальцію організмом залежить від наявності вітаміну D, концентрація якого регулюється гормонами щитовидної залози.

Сполуки Магнію містяться у внутрішньоклітинних рідинах, кістках скелету та емалі зубів. В організмі Магній знаходиться у вигляді гідратованих йонів та складних комплексів з нуклеїновими кислотами. Залежно від концентрації, Магній прискорює або гальмує процес передачі імпульсів по нервових волокнах. Він також впливає на дихальні, судинорухові та інші мозкові центри і діє заспокійливо на нервову систему в цілому, сприяє виділенню жовчі, стимулює перистальтику кишок.

З неорганічних речовин здавна використовуються ряд сполук s – елементів в якості лікарських, серед яких виділимо найважливіші:

- препарати Натрію: NaCl застосовується для приготування ізотонічного (0,9%) та гіпертонічного (10%) розчинів; NaHCO₃ – для нейтралізації високої кислотності шлункового соку; Na₂S₂O₃∙5H₂O – при отруєнні солями важких металів; NaNO₂ – як судинорозширюючий засіб при стенокардії та спазмах судин головного мозку.

- препарати Калію: KBr – як заспокійливий засіб; KCl – при серцевих захворюваннях; КІ – для лікування зобу, катаракти; CH₃COOK – сечогінний засіб при набряках, викликаних порушенням кровообігу.

- препарати Магнію: MgSO₄∙7H₂O –як заспокійливий, протисудомний засіб при внутрішньовенному введенні, а при внутрішньому вживанні – як проносний і жовчогінний; тальк 3MgO∙4SiO₂∙H₂O – для виготовлення різних присипок і мазей; MgO – антацидний та жовчогінний засіб; 4MgCO₃∙Mg(OH)₂∙H₂O використовують як антацидний та послаблювальний засіб.

- препарати Кальцію: CaCl₂∙6H₂O, кальцій глюконат, кальцій лактат – протизапальні, протиалергічні і кровоспинні засоби.

Завдання для самостійної роботи

1. Виконати якісну реакцію йона Na⁺.

2. Виконати якісну реакцію йона K⁺.

3. Виконати якісну реакцію йона Ca²⁺.

4. Виконати якісну реакцію йона Mg²⁺.