полезная метода

уменьшается кислотный характер, а у оксидов ЭО увеличивается основной характер.

Таблица 1. Некоторые свойства атомов элементов IV А группы

Углерод в природе встречается в виде алмаза и графита. В ископаемых углях его содержится: от 92 % - в антраците, до 80 % - в буром угле. В связном состоянии углерод встречается в карбидах: CaCO3 мел, известняк и мрамор, MgCO3·CaCO3 - доломит, MgCO3 - магнезит. В воздухе углерод содержится в виде углекислого газа (0.03 % по объему). Содержится углерод и в соединениях, растворенных в морской воде. Углерод входит в состав растений и животных, содержится в нефти и природном газе.

Кремний в природе встречается только в связанном виде в форме кремнезема SiO2 и различных солей кремниевой кислоты (силикатов). Он второй (после кислорода) по распространенности в земной коре химический элемент (27.6 %).

251

§2.Физические свойства элементов IV А группы.

Таблица 2.Аллотропные модификации углерода.

252

SiH4 = Si + 2 H2.

В реакциях с неметаллами кремний может окисляться (т.е. Siвосстановитель):

Si + O2 = SiO2,

Si + 2 F2 = SiF4,

Si + C = SiC.

Кремний растворим в щелочах:

Si + 2 NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2 ,

нерастворим в кислотах (кроме плавиковой).

В реакциях с металлами кремний проявляет окислительные свойства: 2 Mg + Si = Mg2Si.

При разложении соляной кислотой силицида магния получается силан:

Mg2Si + 4 HCl = 2MgCl2 + SiH4.

Кремний используется для получения многих сплавов на основе железа, меди и алюминия. Добавление кремния в сталь и чугун улучшает их механические свойства. Большие добавки кремния придают сплавам железа кислотоустойчивость. Сверхчистый кремний является полупроводником и используется для изготовления микросхем и в производстве солнечных батарей.

§4. Свойства основных соединений: оксидов, гидроксидов, солей. Кислородные соединения. Получение, свойства и применение

Оксиды углерода. Оксид углерода (II) (CO - угарный газ) – ядовитый газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде.

Получают CO в лаборатории разложением муравьиной или щавелевой кислоты (в присутствии концентрированной H2SO4):

HCOOH = CO + H2O, H2C2O4 = CO + CO2 + H2O

или нагреванием цинковой пыли с карбонатом кальция: CaCO3 + Zn = CaO + ZnO + CO.

В заводских условиях CO получают, пропуская воздух или углекислый газ через раскаленный уголь:

2C + O2 = 2CO ,

C + CO2 = 2 CO.

Отравляющее действие угарного газа вызвано тем, что сродство гемоглобина к окиси углерода больше, чем к кислороду. При этом образуется карбоксигемоглобин и тем самым блокируется перенос кислорода в организме.

Оксид углерод (II) легко окисляется, на воздухе горит с выделением большого количества тепла:

254

2 CO + O2 = 2 CO2 + 577 кДж/моль.

CO восстанавливает многие металлы из их окислов: FeO + CO = Fe + CO2,

CuO + CO = Cu + CO2.

CO легко вступает в реакции присоединения: CO + Cl2 = COCl2,

CO + NaOH = HCOONa,

Ni + 4 CO = Ni(CO)4.

В промышленности часто используют не чистый CO, а различные его смеси с другими газами. Генераторный газ получают при пропускании в шахтной печи через раскаленный уголь воздуха:

2 C + O2 = 2 CO + 222 кДж.

Водяной газ получается при пропускании через раскаленный уголь паров воды:

C + H2O = CO + H2 - 132 кДж.

Первая реакция экзотермическая, а вторая идет с поглощением тепла. Если оба процесса чередовать, то удается поддерживать в печи необходимую температуру. При объединении генераторного и водяного газа получают смешанный газ. Эти газы используют не только как топливо, но и для синтеза, например, метанола:

CO + 2H2 = CH3OH.

Оксид углерода (IV) (CO2 - углекислый газ) – бесцветный негoрючий газ без запаха. Он выделяется при дыхании животных. Растения поглощают CO2 и выделяют кислород. В воздухе обычно содержится 0.03 % углекислого газа. Из-за деятельности человека (бесконтрольная вырубка лесов, сжигание все большего количества угля, нефти и газа) содержание CO2 в атмосфере постепенно увеличивается, что вызывает парниковый эффект и грозит человечеству экологической катастрофой.

В лаборатории CO2 получают в аппарате Киппа, действуя соляной кислотой на мрамор:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2.

Можно привести много реакций, в результате которых получается

CO2:

KHCO3 + H2SO4 = KHSO4 + H2O + CO2, C + O2 = CO2,

2 CO + O2 = 2 CO2,

Ca(HCO3)2 CaCO3Ї + CO2 + H2O, CaCO3 = CaO + CO2,

BaSO4 + 2 C = BaS + 2 CO2,

C + 2 H2SO4(конц) = CO2 + 2 SO2 + 2H2O,

C + 4 HNO3(конц) = CO2 + 4 NO2 + 2 Н2O.

При растворении CO2 в воде образуется угольная кислота – слабая двухосновная кислота:

255

H2O + CO2  H2CO3.

Для CO2 известны все те реакции, которые характерны для кислотных оксидов:

Na2O + CO2 = Na2CO3, Ca(OH)2 + 2 CO2 = Ca(HCO3)2, Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.

Подоженный Mg продолжает гореть в углекислом газе: CO2 + 2 Mg = 2 MgO + C.

Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой:

H2O + CO2 = H2CO3

H++HCO3 -= H++CO32-

и может вытеснять более слабые кислоты из растворов их солей: Na2SiO3 + CO2 + H2O = H2SiO3 + Na2CO3,

KCN + CO2 + H2O = KHCO3 + HCN.

Соли угольной кислоты. Карбонаты и гидрокарбонаты. Общие способы получения солей типичны и для получения солей угольной кислоты:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2, Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O.

Карбонаты щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде и подвержены гидролизу. Все остальные карбонаты практически

нерастворимы:

Na2CO3 + H2O = 2 Na+ + OH- + HCO3-.

При сравнительно слабом нагревании гидрокарбонаты разлагаются: Ca(HCO3)2 = CaCO3 + CO2 + H2O.

При прокаливании карбонатов получаются оксиды металлов и CO2: CaCO3 = CaO + CO2.

Карбонаты легко разлагаются более сильными (чем угольная) кислотами:

MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O.

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O.

При прокаливании карбонатов с песком SiO2 вытесняет более летучий оксид:

Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2.

Оксиды кремния (IV) (SiO2)

Кремнезем SiO2 существует в природе в кристаллической (главным образом кварц) и аморфной (например, опал SiO2··nH2O) формах.

SiO2 - кислотный оксид, который может быть получен по реакциям: Si + O2 = SiO2,

H2SiO3 = SiO2 + H2O, SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O.

При взаимодействии с металлами или углеродом SiO2 может восстанавливаться до кремния

256

SiO2 + 2 Mg = Si + 2 MgO,

SiO2 + 2 C = Si + 2 CO

или давать карборунд (SiC) SiO2 + 3 C = SiС + 2 CO.

При сплавлении SiO2 с оксидами металлов, щелочами и некоторыми солями образуются силикаты:

SiO2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + H2O,

SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2 , SiO2 + CaO = CaSiO3.

Кислоты не действуют на SiO2. Исключением является фтористоводородная кислота:

SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O,

SiF4 + 2HF = H2[SiF6],

SiO2 + 6HF = H2[SiF6] + 2H2O.

Кремниевая кислота H2SiO3 - самая простая из семейства кремниевых кислот. Ее общая формула xSiO2·yH2O. Она может быть получена из силикатов

Na2SiO3 + 2 HCl = H2SiO3 + 2 NaCl.

При нагревании кремниевая кислота разлагается: H2SiO3 = SiO2 + H2O..

§5. Биологическая роль элементов IVA-группа и применение их соединений в медицине и фармации

IVA-группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева составляют углерод, кремний, германий, олово, свинец. р-Элементы IVAгруппы резко различаются как по содержанию в организме человека, так и по биологической роли. Макроэлемент углерод играет основополагающую роль в жизнедеятельности организмов; микроэлемент кремний, вероятно, является жизненно необходимым; микроэлемент германий, возможно, выполняет некоторую физиологическую роль в организме, в то время как олово и в особенности свинец токсичны и являются примесными элементами. Следует отметить закономерность: токсичность соединений элементов IVA-группы с ростом атомной массы элемента возрастает.

Углерод. По содержанию в организме человека (21,15%) углерод относится к макроэлементам. Он входит в состав всех тканей и клеток в форме белков, жиров, углеводов, витаминов, гормонов:

С биологической точки зрения углерод является органогеном № 1. В медицине и фармации нашел применение активированный уголь.

Благодаря увеличенной пористости поверхности, активированный уголь обладает повышенной абсорбирующей способностью. Это свойство препарат помогает эффективно устранять признаки интоксикации организма. Его принимают чаще всего в случаях пищевых отравлений. Благодаря энтеросорбирующим и дезинтоксикационным качествам,

257

препарат успешно борется с ними. Уголь также по праву считается антидотом, так как способен в качестве противоядия адсорбировать яды и токсины из желудочно-кишечного тракта, до момента их всасывания. Уголь эффективен при алкогольных отравлениях, передозировки лекарственных средств, переизбытке тяжелых металлов, отравлений токсинами растительного, химического происхождения, в т. ч. фенолом и синильной кислотой. Полезно принимать угольные таблетки при лечении тяжелых вирусных, инфекционных заболеваний: дизентерии, холеры, брюшного тифа. В инструкции по применению активированного угля указываются положительные результаты в лечении хронических гастритов, колитов, острой, затяжной диареи. Интерес для медиков и биологов представляет углерод (II) оксид СО. Это соединение ядовито и чрезвычайно опасно, потому что не имеет запаха.

Углерод (II) оксид — угарный газ — продукт неполного окисления углерода. Как это ни парадоксально, одним из источников СО является сам человек, организм которого производит и выделяет во внешнюю среду (с выдыхаемым воздухом) за сутки около 10 мл СО. Это так называемый эндогенный углерод (II) оксид, который образуется в процессах кроветворения.

Проникая с воздухом в легкие, углерод (II) оксид быстро проходит через альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окисленным НЬО2, так и с восстановленным гемоглобином Нb:

Образующийся карбонилгемоглобин НbСО не способен присоединять к себе кислород. Вследствие этого становится невозможным перенос кислорода от легких к тканям.

Высокое химическое сродство углерода (II) оксида СО к двухвалентному железу является основной причиной взаимодействия СО с гемоглобином. Можно полагать, что и другие бионеорганические соединения, содержащие ионы Fe2+, должны реагировать с этим ядом.

Так как реакция взаимодействия оксигемоглобина с угарным газом обратима, то повышение в дыхательной среде парциального давления О2 будет ускорять диссоциацию карбонилгемоглобина и выделение СО из организма (равновесие смещается влево по принципу Ле Шателье):

В настоящее время имеются лечебные препараты, которые используют в качестве антидотов при отравлении организма углеродом (II) оксидом. Например, введение восстановленного железа резко ускоряет удаление СО из организма в виде, очевидно, карбонила железа. Действие

258

этого препарата основано на способности СО выступать в качестве лиганда в различных комплексах.

Так как при гидролизе карбонатов и водородкарбонатов получается щелочная среда, эти соединения применяют в медицинской практике в качестве антацидных (нейтрализующих кислоты) средств при повышенной кислотности желудочного сока. К ним относятся натрий водородкарбонат NaHCO3 и кальций карбонат СаСО3:

NаНСО3 + НС1 = NaCl + Н2О + СО2 СаСО3 + 2HCl = CaCl2 + Н2О + СО2

Кремний. По содержанию в организме человека (10–3 %) кремний относится к примесным микроэлементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике.

Так как природный кремний диоксид плохо растворим в воде, то в организм человека он попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воздушным путем через легкие в виде пылеобразного SiO2:

С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.

Недавно было установлено, что кремний содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в состав мукополисахаридов, где прочно связан эфирными связями, возникающими при взаимодействии ортокремниевой кислоты с гидроксильными группами углеводов:

Вотличие от углерода в составе биомолекул кремний связан только с атомами кислорода (связь Si—О), так как энергия этой связи существенно выше энергии связей Si—Н, Si—С, Si—S и т. д.

Вмедицинской практике применяют кремний (IV) карбид SiC — карборунд для шлифовки пломб и пластмассовых протезов. Кремний диоксид SiO2 входит в состав силикатных цементов.

Необходимо отметить, что пыль, состоящая из частиц угля, кремния диоксида SiO2 и алюминия, при систематическом воздействии на легкие вызывает заболевание — пневмокониозы. При действии угольной пыли — это антракоз — профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей SiO2, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли — алюминоз. Механизм развития пневмокониозов во многом неясен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями образуется гелеобразная поликремниевая кислота, отложение которой в клетках ведет к их гибели.

Всиликатный цемент, содержащий SiO2, добавляется жидкость, которая представляет собой водный раствор ортофосфор-ной кислоты Н3РО4, частично нейтрализованный цинком оксидом ZnO и алюминием

259

гидроксидом Аl(ОН)3. Процесс «схватывания» силикат-цемента начинается с разложения порошка ортофосфорной кислотой с образованием коллоидных растворов алюминий фосфата и кремниевых кислот переменного состава xSiO2 yH2O:

В процессе приготовления пломб в результате перемешивания происходят химические реакции с образованием фосфатов металлов, например

ЗСаО + 2Н3РО4 = Са3(РО4)2 + ЗН2О Кварцевое стекло (почти чистый кремнезем) переносит резкие

изменения температуры, почти не задерживает ультрафиолетовые лучи. Такое стекло используют для приготовления ртутно-дуговых ламп, которые широко применяют в физиотерапии, а также стерилизации операционных.

Фарфоровые массы, применяемые в ортопедической стоматологии, состоят из кварца SiO2 (15—35 %) и алюмосиликатов: полевого шпата Э2О

Аl2О3 6SiO2, где Э—К, Na или Са (60—75%), и каолина Al2O3 2SiO2 2H2O (3—10%). Соотношение компонентов может меняться в зависимости от назначения фарфоровой массы.

Полевой шпат К2О А12О3 6SiO2 — основной материал для получения стоматологических фарфоровых масс. При плавлении он превращается в вязкую массу. Чем больше полевого шпата, тем прозрачнее фарфоровая масса после отжига. При отжиге фарфоровых масс полевой шпат, как более легкоплавкий, понижает температуру плавления смеси.

Каолин (белая глина) — необходимая часть стоматологического фарфора. Добавка каолина уменьшает текучесть фарфоровой массы.

Кварц, входящий в состав стоматологического фарфора, упрочняет керамическое изделие, придает ему большую твердость и химическую стойкость.

Свинец. Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факторы говорят в пользу денатурационного механизма. Установлено, что свинец — один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса.

Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях и тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом. С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца. Свинец депонируется в основном в скелете (до 90%) в форме труднорастворимого фосфата:

260