12.2. Биологическая роль и значение соединений катионов IV группы для медицины

Цинк и Хром принадлежат к биогенным элементам, биологическая роль Алюминия изучена недостаточно. Цинк - один из наиболее распространенных микроэлементов, его содержание в организме составляет приблизительно 1,4-2,3 г. По своим физико-химическим характеристиками Цинк отличается от переходных биометаллов. Он имеет меньший ионный радиус и больший потенциал ионизации. В соединениях проявляет степень окисления +2 и характеризуется высокой способностью к координации с аминными и сульфгидрильными группами, что и реализуется в биосистемах во время образования разных металлоферментов. Цинк входит в состав активных центров многих ферментов.

Например, важным ферментом, который содержит Цинк, является карбоксипептидаза - гідролитический энзим, который ускоряет реакцию расщепления белков до аминокислот, из которых в клетках синтезируются новые белки. Другим ферментом, который содержит ионы Zn²⁺ , является карбоангидраза, функция которой связана с процессом дыхания.

Биологическая роль Цинка в значительной мере связана с функционированием желез внутренней секреции, в которых он концентрируется. Кроме того, ионы Цинка существенным образом влияют на способность инсулина снижать уровень глюкозы в крови. Он также способствует заживлению ран, благодаря чему цинковые мази издавна применяют в дерматологии.

Хром — необходимый элемент для функционирования многочисленных биосистем. Он влияет на обмен углеводов, липидов и нуклеиновых кислот, активирует действие инсулина, входит в состав ферментов трипсина и трансферина. Улучшая общий обмен веществ, Хром замедляет процессы старения организма. В медицинской практике используют препарат под названием "Хром пиколинат" для лечения сахарного диабета. Кроме того, соединения Хрома входят в состав некоторых комплексных витаминных препаратов.

Из всех микроэлементов ион Сr(ІІІ) является наименее отравляющим, однако соединения шестивалентного хрома (хроматы и дихроматы) токсичны.

Алюминий относят к незаменимым микроэлементам (общая массовая доля равна 10^-5 %). Он поступает в организм с продуктами питания и частично с водой, суточная потребность в нем 45-50 мг. Этот катион содействует развитию и регенерации эпителиальной, соединительной и костной тканей, принимает участие в обмене фосфоросодержащих соединений. При повышенном содержании в организме соединений Алюминия наблюдаются значительные нарушения равновесия реакций, связанных с энергообменом.

Соединения Алюминия имеют кровоостанавливающие, противовоспалительное и антацидные свойства, благодаря чему их издавна используют в медицине. Например, алюминий гидроксид А1(ОН)₃ применяют при повышенной кислотности желудочного сока как в чистом виде, так и в смеси с магний оксидом (алмагель) или в смеси с Mg(OH)₂ (маалокс). В виде паст, мазей, присыпок калий-алюминий сульфата додекагидрат KA1(SО₄)₂·12Н₂О (алюмокалиевые квасцы) используют в случае воспалительных заболеваний слизистых оболочек и кожи. Препарат алюгастрин NaAl(ОH)₂CО₃ назначают при язвенной болезни желудка.

Арсен в организме человека содержится в следових количествах, накапливается в печени, почках, селезенке, эритроцитах. В малых дозах его соединения улучшают процесс кровообразования, положительно влияют на окислительно-восстановительные процессы и нуклеиновый обмен. Тем не менее в больших дозах Арсен и его соединения токсичны. Они ингибуют ферменты, которые содержат функциональные группы -SH.

Издавна соединения Арсена применяли как медицинские препараты, в частности арсенфениламин (сальварсан) для лечения сифилиса. Оксид Арсена(ІІІ) As₂О₃ широко используют в стоматологии для некротизации пульпы, а соли арсенитной и арсенатной кислот KAsО₂ и Na₂HAsО₄ применяют в терапии для общего укрепления организма.

12.3. Качественные реакции катионов Zn²⁺, Сr³⁺, А1³⁺, As³⁺, As⁵⁺

Реакции катионов Цинка Zn²⁺

1*. Реакция с сульфидом натрия или аммония. Натрий сульфид (или аммоний сульфид) осаждают из растворов солей Цинка белый осадок Zn , который растворяется в хлоридной, но не растворяется в ацетатной кислоте:

Zn²⁺ + S^2-=ZnS↓;

Zn_(T) + 2 НС1 = ZnCl₂ + H₂S↑.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Цинка добавляют такое же количество раствора сульфида натрия или аммония. Наблюдают образование осадка, который делят на две части. К одной добавляют хлоридную, ко второй - ацетатную кислоту и делают вывод о растворимости Zn в кислотах.

2*. Реакция с желтой кровяной солью. Калий гексацианоферат(ІІ) K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) при наличии солей Цинка образовывает белый осадок калий-цинк гексацианоферрата(ІІ):

3 Zn²⁺ + 2K₄[Fe(CN)₆] = K₂Zn₃[Fe(CN)₆]₂↓+ 6 К⁺.

Эта реакция специфическая, дает возможность отличить ионы Zn²⁺ от А1³⁺ , причем ионы Сr³⁺ не влияют на ход реакции.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Цинка добавляют такое же количество реактива, перемешивают и нагревают смесь до кипения. Наблюдают образование осадка, не растворимого в разбавленной хлоридной кислоте.

3. Реакция с групповым реактивом. Гидроксиды щелочных металлов осаживают из растворов солей Цинка белый осадок цинк гидроксида, который хорошо растворяется в избытке реактива, поскольку Zn(OH)₂ является типичным амфотерным основанием:

Zn²⁺ + 2 ОH^- =Zn(OH)₂↓;

Zn(ОН)_2(т) + 2 ОН^- = [Zn(ОН)₄]^2-.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Цинка медленно (каплями) добавляют раствор щелочи до образования осадка. Образованный осадок делят на две части и исследуют его растворимость в избытке реактива и в хлоридной кислоте.

2. Реакция с дитизоном. Дифенилтиокарбазон (дитизон) образует с ионами Zn²⁺ в растворе хлороформа окрашенную внутрикомплексную соль — дитизонат цинка:

Реакция характеризуется высокой чувствительностью (0,025 мкг).

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Цинка добавляют несколько капель хлороформного раствора дитизона и наблюдают окрашивание хлороформного слоя в малиновокрасный цвет.

Реакции катионов Хрома Сr³⁺

2. Реакция с групповым реактивом. Едкие щелочи NaOH , КОН осаживают ионы Сr³⁺ в виде гидроксида серозеленого цвета, который имеет амфотерные свойства:

Сr³⁺ + З ОН^- =Сr(ОН)₃↓;

Cr(OH)_3(T) +3 ОH^- =[Сr(ОН)₆]^3-;

Сr(ОН)_3(т) + З Н⁺ = Сr³⁺ + 3 Н₂О.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Хрома(ІІІ) медленно добавляют раствор щелочи до образования осадка. Образованный осадок делят на две части и исследуют его растворимость в избытке реактива и в хлоридной кислоте.

2. Реакция с аммоний сульфидом. Аммоний сульфид (NH₄)₂S при взаимодействии с солями Хрома(ІІІ) осаждает гидроксид хрома(ІІІ) Сr(ОН)₃ серо-зеленого цвета. При этом выделяется сероводород:

2 Cr³⁺ + 3 S^2-+6 H₂ОБ = 2 Cr(ОH)₃↓ + H₂S↑.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли Хрома(ІІІ) добавляют 5-6 капель раствора аммоний сульфида и немного нагревают. Наблюдают образование осадка Сг(ОН)₃.

2. Реакция с сильными окислителями. Сильные окислители (Н₂О₂, KMnО₄, (NH₄)₂S₂О₈, С1₂) в щелочной среде окисляют ионы Сr³⁺ до хромат-ионов СrО₄^2- желтого цвета, а в кислой среде — до дихромат-ионов Cr₂O₇^2- оранжевого цвета.

Окислительно-восстановительные реакции описываются такими ионными уравнениями:

2 СrО₂ + З Н₂О₂ + 2 ОН^- = 2 СrО₄^2-+4 Н₂O

СrО₂^2- + 4 ОН^- – Зе^- → СrО₄^2- + 2 Н₂О ·2

Н₂О₂ + 2е^- → 2 ОН^- ·3

10 Cr³⁺ + 6 MnО ₄^- +11 H₂O = 5 Cr₂O₇^2- + 6 Mn²⁺ + 22H⁺

2 Cr³⁺ + 7 H₂O – 6e^- → Cr₂O₇^2- + 14 H⁺ · ·5

МnО₄^- + 8 H⁺ + 5e^- → Mn²⁺ + 4 H₂O · ·6

Выполнение реакции с гидроген пероксидом Н₂O₂. В пробирку вносят 2-3 капле раствора соли Хрома(ІІІ) и добавляют 4-5 капель раствора щелочи [до растворению осадка Cr(OH)₃], 3-4 капли раствора Н₂O₂ и немного нагревают. Наблюдают переход окраски из зеленого в желтый.

Если образованный раствор подкислить сульфатной кислотой, то гидроген пероксид окислит хромат-ионы до пероксида СrО₅ синего цвета:

СrО₄^2- + 2Н₂O₂ + 2Н⁺ = Сr₅ + З Н₂O.

При добавлении к этому раствору эфира и перемешивании смеси эфирный слой окрашивается в синий цвет.

Выполнение реакции с калий перманганатом КМп0₄. В фарфоровую чашку вносят 5-6 капель раствора соли Хрома(ІІІ), несколько капель 1М раствора H₂SO₄ и 1 мл раствора КMnO₄. Смесь кипятят до переходу малиновой окраски в оранжеву После охлаждения к смеси добавляют 2-3 капле Н₂O₂, 0,5 мл эфира и перемешивают. Наблюдают окрашиване эфирного слоя в синий цвет, которое объясняется образованием пероксида хрома СгО₅ по уравнению

Сr₂O₇^2- + 4 Н₂O₂ + 2 Н⁺ =2 СrО₅ + 5 Н₂O.

Реакция образования пероксида хрома является высокочувствительной (2,5 мкг) и специфической.

Реакции катионов Алюминия А1³⁺

8. Реакция с раствором аммиака. Водный раствор аммоний гидроксида осаждают из растворов солей Алюминия белый аморфный осадок алюминий гидроксида:

Al³⁺ + 3 NH₄OH = Al(OH)₃↓+ 3 NH₄⁺.

Алюминий гидроксид А1(ОН)₃ имеет амфотерные свойства, так как, полученный осадок легко растворяется в кислотах и щелочах:

А1(ОН)_3(т) +З Н⁺ = А1³⁺ + З Н₂O;

A1(OH)_3(T) +OH^- = [Al(ОН)₄]^-.

Выполнение. К 3-4 капель раствора соли Алюминия добавляют 5-6 капель раствора аммоний гидроксида. Образованный осадок делят на две части; к одной части добавляют хлоридную кислоту, ко второй - раствор щелочи. Наблюдают растворение осадка в обеих пробирках.

9. Реакция с групповым реактивом. Едкие щелочи КОН и NaOH осаждают из растворов солей Алюминия белый аморфный осадок алюминий гидроксида:

А1³⁺ + З ОН^- = А1(ОН)₃.

Образованный осадок растворяется в кислотах и щелочах (см. реакцию 8).

Выполнение. К 3-4 капель раствора соли Алюминия медленно добавляют раствор щелочи до образования осадка. Исследуют его растворимость в кислотах и щелочах.

10*. Реакция с кобальт(ІІ) нитратом. Кобальт нитрат при прокаливании с солями Алюминия образует кобальт алюминат синего цвета, который называют "тенаровою синькой":

2 A1₂(SO₄)₃ + 2 Co(N0₃)₂ = 2 Сo(АlО₂)₂ + 4 NO₂↑ + O₂↑+ 6 SO₃↑.

Выполнение. В фарфоровую чашку вносят 3-4 капли раствора соли Алюминия, добавляют такое же количество раствора кобальт нитрата. Смесь выпаривают и прокаливают до выделения газов. Наблюдают образование кобальт алюмината синего цвета.

11. Реакция с ализарином. Органический реактив — 1,2-диоксиантрахинон (ализарин) образовывает с алюминий гидроксидом внутрикомплексное соединение ярко-красного цвета, которое называют "алюминиевым лаком".

Чувствительность этой реакции - 0,5 мкг, ее выполняют капельным методом.

Выполнение. Несколько капель раствора соли Алюминия наносят на полоску фильтровальной бумаги, которую в течение 2-3 минут держат над концентрированным раствором NH₄OH [для образования А1(ОН)₃ по реакции 8]. Потом добавляют несколько капель спиртового раствора ализарина и снова держат полоску над парами аммиака. Появление красной окраски на фиолетовом фоне подтверждает наличие в исследуемом растворе ионов А1³⁺ . Уравнение реакции записывают так:

Реакции катионов Арсена As³⁺ и As⁵⁺

12. Реакция с сульфидами. В сильно кислотной среде сульфиды при взаимодействии с солями Арсена образовывают желтые осадки As₂S₃ или As₂S₅:

2 As³⁺ + З S^2- = As₂S₃↓;

2 As⁵⁺ + 5 S^2- = As₂S₅↓.

Арсен(ІІІ) сульфид не растворим в концентрированной НС1, он растворяется в растворах натрий сульфида или аммиака с образованием тиосолей:

As₂S_3(t) + 3 Na₂S = 2 Na₃AsО₃;

As₂S_3(т) + 6 NH₃ + 3 H₂О = (NH₄)₃AsS₃ + (NH₄)₃AsО₃.

Осадок As₂S₅ также растворяется в избытке раствора натрий сульфида, образовывая растворимую в воде тиосоль по уравнению

As₂S_5(т) + 3 Na₂S = 2 Na₃AsS₄.

Выполнение. К 4-5 капель раствора, который содержит соли Арсена(III) или Арсена(V), добавляют 2-3 капле 2М раствора хлоридной кислоты и пропускают через раствор сероводород (барботируют). Наблюдают образование желтого осадка.

13. Реакция с аргентум нитратом. Раствор AgNО₃ образовывает с солями Арсению(III) желтый осадок аргентум арсенита Ag₃AsО₃, а с солями Арсена(V) — шоколадно-коричневый осадок аргентум арсената Ag₃As₄:

AsО₃^3- + 3Ag⁺ = Ag₃AsО₃↓;

AsО₄^3- + 3Ag⁺ = Ag₃AsО₄↓.

Эта качественная реакция дает возможность различить соединения Арсению разной валентности.

Выполнение. К 4-5 капель раствора соли арсенитной Na₃AsО₃ или арсенатной Na₃AsО₄ кислоты добавляют такое же количество раствора реактива и наблюдают образование осадков, которые отличаются по цвету.