Химия. S элементы

Синергизм ионов магния и кальция наблюдают в активации некоторых ферментов, однако в большинстве случаев ион Мg²⁺ является активатором внутриклеточных ферментов, а ион кальция — внеклеточных.

Гораздо ближе физико-химические свойства иона магния и иона марганца Мn²⁺. Вследствие этого последний часто выступает синергистом иона Мg²⁺. Например, оба эти иона активируют такие ферменты, как различные фосфатазы и др. Предполагается, что активация фермента лейцинаминопептидазы ионами Мg²⁺ и Мn²⁺ происходит вследствие образования комплекса:

где М²⁺ — Мg²⁺ или Мn²⁺.

Так как кальций по физико-химическим характеристикам (радиус ионов, энергия  ионизации, координационные числа) близок к стронцию и барию, то, как  правило, ионы этих элементов являются синергистами иона кальция. Сходство в размерах ионов кальция и стронция приводит к наличию постоянной примеси стронция в организме.

При избытке ионов Sr²⁺ возникает эндемическая уровская болезнь Это заболевание было обнаружено у населения, проживающего у реки Уровы в Восточной Сибири. Характерными- особенностями болезни являются размягчение и искривление костей Анализ почвы этой местности показал повышенное содержание в ней стронция Вследствие этого в костной ткани происходило вытеснение ионов кальция ионами стронция, который не способен выполнять функции ионов Са²⁺. Результатом этого процесса является возникновение стронциевого рахита.

Токсичны  и соли бария. Механизм действия этих солей заключается в том, что  ионы Ва²⁺, имея одинаковый радиус с ионом К⁺, конкурируют с ним в биохимических процессах. В результате такой взаимозамещаемости возникает гипокалиемия. Ионы бария могут проникать и в костные ткани, вызывая эндемические заболевания (например, болезнь па-пинг).

Элементы IIА-группы, за исключением бериллия, обладают выраженными металлическими свойствами. В виде простых веществ они представляют собой серебристо-белые металлы с высокими температурами плавления. По плотности, за исключением радия, они относятся к легким элементам. Вследствие существенного различия в строении пространственных кристаллических решеток многие физические свойства в ряду Ве—Rа изменяются незакономерно (плотность, температуры плавления и кипения).

Элементы IIА-группы — сильные восстановители, причем восстановительная активность с увеличением радиуса атома в ряду Ве—Rа закономерно возрастает. Подобно щелочным металлам, они легко окисляются на воздухе, но при этом образуются оксиды ЭО, а не пероксиды.

Как и щелочные металлы, кальций, стронций, барий, радий вытесняют водород из воды даже при комнатной температуре. При этом образуются гидроксиды Э(ОН)₂. Активность взаимодействия с водой в ряду Са—Sr—Ва—Rа существенно возрастает. В отличие от них бериллий не взаимодействует с водой, так как его поверхность покрыта плотной оксидной пленкой. Магний медленно взаимодействует с водой вследствие образования малорастворимого гидроксида Мg(ОН)₂, покрывающего поверхность металла и затрудняющего дальнейшее протекание реакции.

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

МgО + 2НСl (жел. сок) = МgСl₂ + Н₂О

Магний оксид имеет преимущество перед гидрокарбонатом натрия NаНСО₃, так как при взаимодействии МgО с кислотой желудочного сока не происходит выделение диоксида углерода. Поэтому при действии магния оксида не наблюдается гиперсекреции. Образующийся при реакции магний хлорид, переходя в кишечник, оказывает легкий послабляющий эффект (осмотическое действие).

Смесь магний оксида МgО (85%) и магний пероксида МgО₂ (15%) является препаратом, известным под названием «магний перекись». Этот препарат применяют при желудочно-кишечных расстройствах. Эффект частично связан с антацидным действием МgО, а частично — с бактерицидным действием образующегося пероксида водорода Н₂О₂ при растворении препарата в кислом содержимом желудка:

МgО₂ + 2НСl (жел. сок) = Н₂О₂ + МgСl₂

Магний оксид входит и в состав цинкофосфатных цементов (порошок «фосфат») и поликарбосиликатных цементов, которые применяют в стоматологии в качестве постоянных пломбировочных материалов. Кроме того, МgО входит в состав пломбировочного материала «цемент фосфат для фиксации несъемных протезов». Этот материал быстро затвердевает, отличается прочностью, поэтому его используют для фиксации одиночных коронок, мостов и несъемных протезов.

В основе стоматологического применения МgО, как и других оксидов — ZnО, СаО, Аl₂Оз, лежит реакция образования малорастворимых фосфатов при перемешивании порошка фосфатных и поликарбосиликатных цементов с жидкой фазой — Н₃РО₄∙xН₂О:

3МgО (т) + 2Н₃РO₄ (р) = Мg₃(РO₄)₂ (т) + 3Н₂О (ж)

Оксиды бериллия и магния не соединяются с водой, в то время как оксиды щелочно-земельных металлов активно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды.

Основные  свойства гидроксидов в ряду Ва—Rа закономерно усиливаются с ростом радиуса атомов. Оксиды и гидроксиды всех s-элементов IIА-группы, за исключением бериллия, проявляют только основные свойства. Бериллий оксид и гидрок-сид — амфотерны, они могут взаимодействовать как с кислотами

ВеО + 2НСl = ВеСl₂ + Н₂О

Ве(ОН)₂ + 2НСl = ВеСl₂ + 2Н₂О

так и с щелочами:

ВеО + 2NаОН + Н₂О = Nа₂[Ве(ОН)₄]

Ве(ОН)₂ + 2NаОН = Nа₂[Ве(ОН)₄]

Амфотерность  бериллия проявляется и в том, что в отличие от остальных  элементов этой группы он растворяется в щелочах:

Ве + 2NаОН + 2Н₂О = Nа₂[Ве(ОН)₄] + Н₂

Из  гидроксидов s-элементов IIА-группы в стоматологической практике используют кальций гидроксид, входящий в состав цемента и пасты, применяемые в качестве пломбировочного материала для лечебных прокладок.

Подобно щелочным металлам щелочно-земельные  при высокой температуре окисляются водородом до гидридов ЭН₂. При нагревании s-элементы IIА-группы взаимодействуют с азотом, фосфором, углеродом, галогенами и другими неметаллами. В медицинской практике эти соединения, за исключением галогенидов ЭГ₂, не находят применения.

Многие  соли элементов IIА-группы малорастворимы в воде. Так, среди галогенидов малорастворимы СаР₂, МgР₂; практически нерастворимы фосфаты магния и щелочно-земельных металлов Э₃(РО₄)₂, а из сульфатов хорошо растворимы только ВеSО₄ и МgSО₄. С ростом порядкового номера элемента растворимость этих солей обычно понижается. Такой характер изменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действии катионов этой группы. Так, уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната по сравнению с аналогичными соединениями 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 Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ — основное вещество костной и зубной тканей.

Хотя  магний является макроэлементом, его соединения не сыграли значительной роли в построении скелета. Очевидно, это связано с лучшей растворимостью магния фосфата Мg₃(РО₄)₂ и основного карбоната Мg(ОН)₂∙4МgСО₃∙Н₂О по сравнению с кальцием фосфатом и карбонатом.

Так как микроэлементы стронций и барий по физико-химическим характеристикам (радиусы ионов, энергия ионизации, координационные числа и т.д.) сходны с кальцием, то, попадая в больших количествах в организм, они могут замещать ионы кальция в костной ткани. Такое замещение имеет место вследствие того, что растворимость фосфатов щелочно-земельных металлов уменьшается в ряду Са — Sr — Ва и равновесие:

3SrХ₂ + Са₃(РО₄)₂ ⇄ Sr₃(РО₄)₂ + 3СаХ₂

где X = Сl^-, НСО₃^- и др., смещается вправо.

Как уже упоминалось, именно в результате замещения ионов кальция в костной ткани на стронций возникает «стронциевый» рахит — повышенная ломкость костей. Образование очень прочного и малорастворимого бария фосфата Ва₃(РО₄)₂ в костной ткани, нервных клетках и мозговом веществе обусловливает токсичность иона Ва²⁺.

Однако  следует отметить, что в активации  некоторых ферментов ионы бария  и стронция являются синергистами кальция.

Многие  соли кальция и магния находят  применение в медицине. Антацидным и легким слабительным действием обладает магний карбонат основной Мg(ОН)₂∙4МgСО₃∙Н₂О (белая магнезия), механизм действия которого аналогичен магния оксиду МgО.

Магний  сульфат (горькая соль) МgSО₄∙7Н₂О оказывает при парентеральном введении успокаивающее действие на центральную нервную систему. В зависимости от дозы может наблюдаться седативный, снотворный или наркотический эффект. Действие препарата основано на том, что ионы Мg²⁺ в зависимости от концентрации блокируют или обеспечивают нервно-мышечную передачу, они понижают возбудимость дыхательного центра, а также угнетают сосудодвигательный центр, вследствие чего снижают артериальное давление.

МgSО₄∙7Н₂О применяют и как слабительное. При пероральном приеме магния сульфата из-за плохой его всасываемости, в просвете кишечника создается высокое осмотическое давление, что приводит к диффузии воды в просвет кишечника. В результате этого происходит разжижение и увеличение объема кишечного содержимого, что обусловливает акт дефекации.

В качестве адсорбирующего и обволакивающего  средства в медицине широко применяют силикатное производное Мg — тальк 2МgSiO₃∙Мg(НSiO₃)₂. Это соединение используют также в качестве компонента для приготовления лекарственных форм — паст и таблеток.

Используют  кальций хлорид при отравлении солями магния, а также оксалат- и фторид-ионами. Применение препарата в первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния в организме, а во втором случае — на образовании нетоксичных малорастворимых соединений кальция оксалата и фторида:

Са²⁺ + С₂O₄^2- = СаС₂O₄↓

Са²⁺ + 2F^- = СаF₂↓

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

СаСО₃ + 2НСl (жел. сок) = СаСl₂ + Н₂О + СО₂

Кальций сульфат (жженый гипс) СаSO₄∙½Н₂О применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах, а также в качестве слепочного материала при протезировании зубов. Получают жженый гипс обжигом гипса СаSО₄∙2Н₂О при температуре не выше 453 К:

СаSО₄∙2Н₂О = СаSО₄∙½Н₂О + ³/₂Н₂О

При замешивании жженого гипса в  небольшом количестве воды происходит образование гипса. Этот процесс называется схватыванием гипса:

СаSО₄∙½Н₂О + ³/₂Н₂О = СаSО₄∙2Н₂О

Затвердевание гипсового теста сопровождается некоторым увеличением объема, что  способствует получению хороших  слепков.

Находит применение в медицине и радиоактивный  изотоп ⁴⁵Са. С помощью этого изотопа были изучены процессы всасывания и распределения кальция в организме, отложения его в костях и выведение при нормальной жизнедеятельности организма и различных патологиях.

Поскольку ионы бария и стронция обладают токсическим  действием, их соединения практически  не применяются в медицине. Исключение составляет барий сульфат, который не подвергается гидролизу и не растворяется в соляной кислоте желудочного сока, вследствие чего и отсутствует токсическое действие при приеме этого вещества внутрь. Применяют эту соль для рентгеновской диагностики заболеваний пищеварительного тракта в качестве контрастного вещества, так как ВаSО₄ сильно поглощает рентгеновские лучи Но следует учитывать, что отдельные люди обладают повышенной чувствительностью к этому соединению.

 

6. Биологическая  роль s-элементов IIА-группы.

Их применение в медицине.

Бериллий постоянно находится в растениях, а также в организмах животных. В последние годы появились сообщения, что содержание бериллия в живых организмах составляет ~ 10^-7 %, т.е. он является примесным ультрамикроэлементом. Биологическая роль бериллия изучена недостаточно. Известно, что соединения бериллия токсичны и вызывают ряд заболеваний (бериллиевый рахит, бериллиоз и т.д.). Особенно токсичны летучие соединения бериллия. Как уже было рассмотрено выше, отрицательное влияние иона Ве²⁺ на физиологические процессы можно объяснить его химическими свойствами (способностью образовывать прочные связи с биолигандами и хорошей растворимостью фосфатов бериллия).

Магний формально относится к макроэлементам. Общее содержание его в организме 0,027 % (около 20 г). Топография магния в организме человека такова: в наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается он также в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце. У взрослого человека суточная потребность в магнии составляет около 0,7г. Ион магния, так же как и ион калия, является внутриклеточным катионом.