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 IА И IIА (КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ) НА ПРИМЕРЕ Na, K И Mg, Ca

Общая характеристика элементов IА и IIА

Элементные вещества - типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью и теплоповодимостью, химически весьма активны.

Как следует из электронных формул, элементы IА группы (Na, K) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s электрону. Элементы IIА группы (Mg, Ca) по 2 s электрона.

Химические свойства s элементов IА и IIА групп сходны.

s-элементы IА и IIА имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.

s-элементы IА и IIА групп легко отдают валентные электроны. Являются сильными восстановителями. С ростом радиуса атома в группах IА и IIА ослабевает связь валентных электронов с ядром, следовательно s-элементы этих групп имеют низкие значения Е_и и Е_{ср. 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 IIА группы характерна большая, чем для элементов IА группы способность к комплексообразованию.

s-элементы IА и IIА 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 IА и IIА (комплексообразование, образование осадков) на примере Na, K и Mg, Ca

Атомы элементов IА группы имеют по одному валентному электрону на s подуровне внешнего энергетического уровня. Это обуславливает проявление степени окисления +1.

Все элементы IА группы сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только внешней, валентной оболочки, но и предвнешней (исключение литий).

С ростом радиуса атома в группе IА 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 IА 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 IIА 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 IIА группы не проявляют.

Несмотря на то, что число валентных s электронов у атомов IIА 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*H₂O 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 (Na₂HPO₄ + NaH₂PO₄) 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 NaHCO₃ используют при заболеваниях, сопровождающихся ацидозом.

Механизм

NaHCO₃ + RCOOH → H₂O + 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 → H₂O + 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 + H₂O → NaOH + CO₂ + H₂O

Натрия сульфат Na₂SO₄*10H₂O – 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 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 ²⁴Na 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 → H₂O + MgCl₂

MgCl₂ – обладает легким послябляющим эффектом.

MgO магния оксид (85%) и магния пероксид MgO₂ (15%) "магний перекись". Применяют при кишечных расстройствах.

MgSO₄*7H₂O 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 – Ca₁₀(PO₄)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 CaCl₂ – 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 CaCO₃ – обладает антацидным и адсорбирующим действием, назначают внутрь при повышенной кислотности желудочного сока.

Кальция сульфат CaSO₄*1/2H₂O – 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.