Химия. S элементы

Аg⁺ + Сl^- = АgСl

Гидрокарбонат натрия (сода двууглекислая, сода питьевая) NаНСО₃ используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью — ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NаНСО₃ с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углерод диоксид, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NаНСО₃ + RСООН → RСООNа + Н₂О + СO₂

Используют NаНСО₃ и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме     NaHCO₃ протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NаНСО₃ + НСl = NaCl + Н₂О + СО₂

Следует иметь в виду, что применение NаНСО₃ вызывает ряд побочных эффектов. Выделяющийся при реакции углерод диоксид раздражает рецепторы слизистой оболочки желудка и вызывает вторичное усиление секреции, кроме того, он может способствовать перфорации стенки желудка при язвенной болезни.

Слишком большая доза NaНСО₃ в результате гидролиза приводит к алкалозу, что не менее вредно, чем ацидоз.

Растворы  натрия водородкарбоната применяют  в виде полосканий, промываний при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Действие NаНСО₃ в качестве антисептического средства основано на том, что в результате гидролиза, протекающего в очень незначительной степени, водный раствор NаНСО₃ проявляет слабощелочные свойства:

NаНСО₃ + Н₂О ⇄ NаОН + Н₂СО₃

При воздействии щелочей на микробные  клетки происходит осаждение клеточных белков и вследствие этого гибель микроорганизмов.

Натрий  сульфат (глауберова соль) Nа₂SО₄∙10Н₂О применяют в качестве слабительного средства. Эта соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника в течение длительного времени. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются, и каловые массы быстрее выводятся.

Натрий  тетраборат Nа₂B₄О₇∙10Н₂О применяют наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие Nа₂B₄О₇∙10Н₂О аналогично NаНСО₃ и связано с щелочной реакцией среды водного раствора этой соли вследствие ее гидролиза, а также с образованием противомикробного лекарственного средства борной кислоты:

Nа₂B₄О₇ + 10Н₂О ⇄ 4Н₃ВО₃ + 2NaОН

Натрий гидроксид в виде 10%-ного раствора входит в состав силамина, применяемого в ортопедической практике для отливки огнеупорных моделей при изготовлении цельнолитых протезов из кобальтохромового сплава.

Радиоактивный изотоп ²⁴Nа в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, кроме того, он используется для лечения некоторых форм лейкемии.

Калий. Содержание калия в организме человека массой 70 кг составляет примерно 160 г (4090 ммоль)—0,23% (см. табл. 5.3). Калий является основным внутриклеточным катионом, составляя ²/₃ от общего количества активных клеточных катионов.

Из  общего количества калия, содержащегося  в организме, 98% находится внутри клеток и лишь около 2% — во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму. Его топография: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д. Ионы калия К⁺ играют важную роль в физиологических процессах — сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Ионы К⁺ являются важными активаторами ферментов, находящихся внутри клетки.

Калий, как уже отмечалось выше, в большинстве  случаев является антагонистом натрия.

Ионы Nа⁺ и К⁺ принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент—катион—субстрат.

Подтверждением  того, что комплексообразование калия с ферментами и субстратами играет важную роль в транспорте ионов, является образование комплексов этих катионов с антибиотиком валиномицином. Уже давно известно, что антибиотики, подобные валиномицину, вызывают транспорт ионов калия в митохондрии. Валиномицин образует прочный комплекс с ионами калия, в то время как ион натрия связывается этим антибиотиком в очень незначительной степени. Вследствие этого валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов калия через плазматические мембраны в клетку.

Взрослый  человек обычно потребляет с пищей 2—3 г калия в сутки. Концентрация ионов калия К⁺ во внеклеточных жидкостях, включая плазму, составляет в норме 3,5—5,5 ммоль/л, а концентрация внутриклеточного калия—115—125 ммоль/л. При калиевом истощении применяют калий хлорид КСl 4—5 раз в день по 1 г.

Рубидий и цезий. По содержанию в организме человека рубидий (10^~5%) и цезий (10^~4%) относятся к микроэлементам. Они постоянно содержатся в организме, но биологическая роль их еще не выяснена. Являясь полным аналогом калия, рубидий также накапливается во внутриклеточной жидкости и может в различных процессах замещать эквивалентное количество калия. Синергист калия — рубидий активирует многие те же самые ферменты, что и калий, пируватфосфокиназу, альдегиддегидрогеназу и др.

Радиоактивные изотопы ¹³⁷Сз и ⁸⁷КЬ используют в радиотерапии злокачественных опухолей, а также при изучении метаболизма калия. Благодаря быстрому распаду их можно даже вводить в организм, не опасаясь длительного вредного воздействия.

Франций. Это радиоактивный химический элемент, полученный искусственным путем. Имеются данные, что франций способен избирательно накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития. Эти наблюдения могут оказаться полезными при диагностике онкологических заболеваний.

Таким образом, из элементов IА-группы физиологически активны Li, Rb, Сs, а Na и К — жизненно необходимы. Близость физико-химических свойств Li и Na, обусловленная сходством электронного строения их атомов, проявляется и в биологическом действии катионов (накопление во внеклеточной жидкости, взаимозамещаемость). Аналогичный характер биологического действия катионов элементов больших периодов — К⁺, Rb⁺, Сs⁺ (накопление во внутриклеточной жидкости, взаимозамещаемость) также обусловлен сходством их электронного строения и физико-химических свойств. На этом основано применение препаратов натрия и калия при отравлении солями лития и рубидия.

 

 

5. Общая характеристика s-элементов IIА-группы.

Щелочно-земельные  металлы.

 

Во вторую группу периодической системы входят бериллии, магний и щелочно-земельные металлы  — кальций, стронций, барий, радий, имеющие большое значение в жизнедеятельности. Наиболее важными среди этих элементов для живых организмов являются макроэлементы магний и кальций и микроэлементы стронций и барий. Магний входит в состав многих ферментативных систем, а кальций является главным компонентом костной ткани. Стронций оказывает влияние на процессы в костной ткани, а барий, очевидно, играет определенную роль в функционировании органов зрения. Если о биологической роли магния и кальция многое известно, то влияние микроэлементов стронция, бария и радия на живые организмы изучено очень мало. В живых организмах эти элементы находятся в степени окисления + 2.

Атомы этих элементов имеют по два валентных электрона на s-подуровне внешнего энергетического уровня, т. е. электронная формула валентной оболочки s-элементов IIА-группы ns².

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 и обусловливает проявление степени окисления +2. Например, атом магния в возбужденном состоянии имеет представленную на рисунке электронную формулу.

Степень окисления больше +2 элементы IIА-группы не проявляют.

Несмотря  на то, что число валентных электронов у атомов s-элементов IIА-группы одинаково, свойства магния и в особенности бериллия существенно отличаются от свойств щелочно-земельных металлов. Последнее, прежде всего, обусловлено значительным различием радиусов их атомов и ионов. Отличие свойств бериллия связано и с тем, что его валентным электронам предшествует двухэлектронная оболочка. Кроме того, химические свойства бериллия и магния отличаются от свойств щелочно-земельных металлов вследствие того, что кальций, стронций, барий и радий имеют свободные d-орбитали, близкие по энергии к ns-орбиталям.

Бериллий  во многом сходен с алюминием (диагональное сходство в периодической системе). Радиус атома и иона бериллия значительно меньше в сравнении с другими s-элементами группы. Соответственно энергия ионизации атома бериллия существенно выше, чем у остальных s-элементов IIА-группы. В отличие от магния и щелочно-земельных металлов бериллий является амфотерным элементом, для него характерна в значительной степени ковалентная связь с атомами других элементов. В обычных условиях бериллий образует не простые, а комплексные ионы. В ряду Ве²⁺—Мg²⁺—Са²⁺—Sr²⁺—Ва²+ прочность комплексов с кислородсодержащими и другими лигандами уменьшается:

Способность иона Ве²⁺ образовывать более прочные комплексы по сравнению с ионом Мg²⁺ с кислородсодержащими лигандами, фторидами и другими, присутствующими в живых организмах, обусловливает токсическое действие этого катиона.

Например, ион  бериллия подавляет активность многих ферментов, активируемых ионом Мg²⁺ в результате замещения ионов магния в его комплексах с ферментами, нуклеиновыми кислотами и другими биолигандами, содержащими фосфатные группы.

Высокопрочные тетраэдрические  комплексы бериллия с фосфатами (sp³-гибридизация орбиталей) хорошо растворимы по сравнению с менее прочными октаэдрическим комплексом магния (sp³d²-гибридизация орбиталей). В результате реакции замещения введенный в организм бериллий выводит из организмов в виде прочного комплекса фосфор (фосфатные группы) В свою очередь, это приводит к уменьшению содержания кальция в организме. Таким образом, в результате попадания бериллия в организм возникает заболевание «бериллиевый рахит» Так как приведенная выше реакция является обратимой, введение большого избытка солей магния приводит к смещению равновесия влево (принцип Ле Шателье) и восстановлению активности фермента.

Магний  и бериллий являются антагонистами, т.е. добавление одного элемента приводит к вытеснению другого. Именно поэтому при отравлении солями бериллия вводят избыток солей магния. Вследствие токсичности соединения бериллия в медицинской практике в качестве лекарственных средств не применяются.

Магний  и бериллий существенно различаются размерами атомов и ионов. Больший размер иона магния обусловливает и более высокое координационное число этого иона, как правило, равное 6 в комплексных соединениях с биолигандами Химические связи иона магния с донорными атомами кислорода и азота биолигандов имеют более ионный характер по сравнению со связями иона бериллия. В отличие от всех остальных катионов IIА-группы, для которых предпочтительнее координация с атомами кислорода, ионы Мg²⁺ преимущественно координируются с атомами азота.

Комплексные соединения магния играют огромную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Так, например, ион Мg²⁺ является комплексообразователем в пигменте зеленых растений — хлорофилле — бионеорганическом соединении, играющем важную роль в процессе фотосинтеза.

Во  внутриклеточной жидкости, для которой  характерно высокое содержание ионов Мg²⁺, аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ) присутствуют в основном в виде комплексов МgАТФ^2- и МgАДФ^-:

Реакции образования комплексов запишутся  в виде:

Мg²⁺ + АТФ^4- ⇄ МgАТФ^2-

Мg²⁺ + АДФ^3- ⇄ МgАДФ^-

Во  многих ферментативных реакциях, в  которых АТФ выполняет функцию донора фосфатной группы, активной формой АТФ является комплекс МgАТФ^2-. Необходимо отметить, что от концентрации ионов Мg²⁺ зависит устойчивость рибосом. Ион Мg²⁺ образует шестикоординационные соединения регулярной структуры в отличие от большого по размеру иона Са²⁺.

Кальций проявляет координационные числа 6, 7 или 8 и образует несимметричные комплексы. Возможным следствием является различная биологическая роль этих элементов в живых организмах. Способность ионов Са²⁺ образовывать комплексные соединения различного строения позволяет им легко «приспосабливаться» к окружающим их донорным атомам биолигандов и служить мостиками между лигандами. Очевидно, именно поэтому ион Са²⁺ гораздо эффективнее по сравнению с ионом магния вступает в качестве мостика между двумя лигандами во внеклеточном пространстве.

Интересно отметить, что ион Са²⁺ обычно бывает антагонистом иона Мg²⁺ в биохимических процессах. Впрочем, в этом нет ничего удивительного, поскольку физико-химические характеристики этих элементов существенно различаются. Так, ионы Са²⁺ подавляют активность многих ферментов, активируемых ионами Мg²⁺, например аденозинтрифосфатазу.

Антагонизм  ионов кальция и магния проявляется  и в том, что в отличие от магния ион кальция является внеклеточным катионом. При длительном поступлении  в организм избыточных количеств  солей магния наблюдается усиленное  выделение кальция из костной ткани и некоторых белков.