Тема 2 : « Біонеоргінчна хімія»

« Біологічна роль Карбону ».

Зміст теми:

Карбон – один з найбільш розповсюджених хімічних елементів, основа всього живого на Землі. У природі він трапляється як у вільному стані, так і у вигляді різних сполук. Серед природних органічних сполук Карбону найважливішими є нафта та природні горючі гази; Карбон є основною складовою частиною кам’яного вугілля. Він також входить до складу всіх рослинних і тваринних організмів. Серед неорганічних сполук Карбон є в карбонатах, основними мінералами яких є кальцит, вапняк, крейда, мармур (всі вони складаються з СаСО3), магнезит MgCO3, доломіт СаСО3∙MgCO3 і ін. Велике значення для кругообігу Карбону в природі має вуглекислий газ (СО2), вміст якого в атмосфері становить 0,03%.

Основним процесом, що відбувається у біосфері, є фотосинтез – засвоєння СО2 рослинами і мікроорганізмами під впливом сонячної енергії:

nCO2 + nH2O (CH2O)n + nO2.

У процесі фотосинтезу рослини земної кулі, за наближеними підрахунками, засвоюють щорічно 175 млрд. т Карбону і синтезують біля 450 млрд. т органічних речовин. У реакції засвоєння рослинами СО2 може брати участь не тільки вода, а також інші водневі сполуки – метан, сірководень тощо.

Поряд з фотосинтезом у рослинах відбувається окиснення органічних речовин – процес дихання. При цьому виділяється СО2 та енергія, яка необхідна для проходження інших біохімічних процесів.

Діяльність людини все більше впливає на кругообіг елементів у природі. Це стосується і Карбону. Кам’яне вугілля, нафта, природні гази в основному спалюються, внаслідок згоряння збільшується вміст СО2 в атмосфері і як результат підвищення температури на планеті.

Властивості Карбону

Алотропні модифікації Карбону. У вільному стані Карбон може існувати у формі трьох алотропних модифікацій: алмаз, графіт, карбін. Алмаз – безбарвна кристалічна речовина, атоми Карбону в кристалах алмазу перебувають у стані sp3 гібридизації. Алмаз найтвердіша речовина в природі. Він погано проводить теплоту, не проводить електричний струм. Графіт – темно-сіра кристалічна речовина. Він має шаруваті гратки. Всі атоми Карбону перебувають у стані sp2 гібридизації. Графіт має металевий блиск, характеризується теплопровідністю, добре проводить електричний струм. Карбін – дрібнокристалічний порошок чорного кольору, він міститься у складі природного мінералу ґсеоїту. Кристали карбіну складаються з лінійних ланцюжків вуглецевих атомів, сполучених одинарними і потрійними зв’язками: −С≡С−С≡С−. Карбін має напівпровідникові властивості. Всі алотропні модифікації вуглецю тугоплавкі.

При нагріванні без доступу повітря (суха перегонка) речовин, що містять Карбон з них виділяється чорна маса – аморфний вуглець (вугілля). Залежно від природи вихідних речовин бувають такі види вугілля: деревне, кісткове, кокс, сажа. Хімічний зв'язок між атомами Карбону в аморфному вуглецеві такий, як у графіті, але кристалики дуже дрібні. Важливе значення має деревне вугілля, воно має велику поверхню і проявляє властивості поглинати (адсорбувати) гази та розчинені речовини. Якщо вугілля попередньо обробити перегрітою водяною парою, то адсорбційна здатність його значно зростає; таке вугілля називається активованим, його використовують для поглинання (адсорбції) отруйних газів, в медицині, на цукрових заводах, знебарвлюють сироп.

В основному стані атом Карбону має два неспарених електрони, але відомо, що у сполуках він рідко проявляє ступінь окиснення +2, а частіше +4 (або -4), оскільки при переході атома Карбону з основного у збуджений стан він має 4 неспарених електрони:

С(1s22s22р2) С* (1s22s12р3).

У хімічні перетворення найлегше вступає чорний графіт.

Карбіди – це сполуки Карбону з металами та іншими елементами, електронегативність яких менша за електронегативність Карбону, рівну 2,5. Карбіди лужних і лужноземельних металів - це іонні сполуки, для карбідів більшості перехідних металів, особливо елементів IV – VIII груп переважає металічний тип зв’язку. Карбіди активних металів легко розкладаються при взаємодії з водою:

СаС2 + 2Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2.

Карбіди широко використовують на практиці: СаС2 йде на добування ацетилену, карбіди бору та кремнію - як абразивний матеріал, карбіди Mo, W, Ti, Nb досить корозійностійкі, тверді і мають високі температури плавлення.

Карбон із азотом утворює дуже отруйну газоподібну сполуку диціан С2N2, з воднем він утворює водневу сполуку ціановодень – НСN, водні розчини якого називають ціановодневою або синильною кислотою. Солі синильної кислоти – ціаніди – сильні отрути. Характерною особливістю ціанід-іонів є їх здатність утворювати внутрішню сферу комплексних сполук.

Кисневі сполуки Карбону. З киснем Карбон утворює стійкі сполуки – монооксид карбону (ІІ) – СО та оксид карбону (IV) – СО2.

Оксид карбону (ІІ) СО – утворюється при неповному окисненні вугілля, органічних сполук, добуванні водяного та коксового газів. У лабораторії його можна одержати, діючи концентрованою Н2SO4 на мурашину кислоту:

НСООН Н2О + СО.

СО – безбарвний газ, дуже отруйний, без запаху. З водою, лугами він не реагує, тобто це несолетвірний оксид. СО – сильний відновник, при нагріванні відновлює метали з їх оксидів. Як відновник він окиснюється киснем до СО2:

2СО + О2 = 2СО2.

Із хлором утворює фосген, дуже отруйну речовину:

CO + Cl2 = COCl2.

При вдиханні фосген гідролізує з утворенням HCl і руйнує тканини легенів.

З важкими металами Карбон монооксид утворює сполуки комплексного типу – карбоніли: Fe(CO)5, Ni(CO)4. Термічний розклад карбонілів використовують для добування металів високого ступеня чистоти: Me(CO)n → Me + nCO.

Оксид карбону (ІІ) - дуже отруйний газ, повітря, яке містить 0,1% СО є смертельно небезпечним.

Оксид карбону (IV) СО2 – вуглекислий газ, безбарвний, який не підтримує горіння, а тому його використовують для гасіння пожеж (вуглекислотні вогнегасники). Кристалічний СО2 під назвою “сухий лід” дістають при низьких температурах, з його допомогою зберігають продукти, морозиво тощо. СО2 – кислотний оксид, ангідрид карбонатної кислоти Н2СО3, реагує:

─ з водою: СО2 + Н2О ↔ Н2СО3,

─ з основними оксидами: СО2 + СаО = СаСО3,

─ з лугами: 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O,

─ з аміаком: СО2 + 2NH3 = NH4[CO2NH2].

Амоній Карбонат при нагріванні втрачає молекулу води і переходить в карбамід (сечовину):

NH4[CO2NH2] Н2О + СО(NH2)2.

Сечовина використовується як цінне азотне добриво і як компонент при годівлі тварин.

Карбонатна кислота. Карбонати. Розчинення СО2 у воді супроводжується його частковою взаємодією з утворенням нестійкої карбонатної кислоти:

Н2О + СО2 ↔ Н2СО3.

Карбонатна (вугільна) слабка нестійка двоосновна кислота, дисоціює за двома стадіями:

Н2СО3 ↔ Н+ + НСО3− ; .

НСО3− ↔ Н+ + СО32−; .

Карбонатна кислота утворює солі: середні - карбонати Na2CO3, CaCO3 і кислі – гідрокарбонати NaHCO3, Ca(HCO3)2. Більшість карбонатів не розчиняється у воді, а гідрокарбонати розчиняються в ній. У природі гідрокарбонати утворюються при взаємодії карбонатів з СО2 і водою:

СаСО3 + Н2О + СО2 = Ca(HCO3)2.

Карбонати і гідрокарбонати розкладаються при нагріванні:

СаСО3 = СаО + СО2.

Са(НСО3)2 = СаСО3 + Н2О + СО2.

Серед карбонатів, які виробляє хімічна промисловість, важливим є карбонат натрію (кальцинована сода) Na2CO3 і гідрокарбонат натрію (питна сода) NaHCO3, карбонат калію (поташ) К2CO3 використовується для добування рідкого мила, при виробництві скла, хімічного посуду, фотографії.

Біологічна роль Карбону та його сполук

Карбон – важливий елемент живої природи – входить до складу білків, вуглеводів, ферментів, гормонів, вітамінів тощо. Вуглекислий газ постійно утворюється в природі при окисненні органічних речовин (гниття рослинних і тваринних залишків, дихання, горіння паливних матеріалів). У великих кількостях він виділяється із вулканічних тріщин та з вод мінеральних джерел.

Карбон утворює цілий ряд токсичних сполук. СО – дуже отруйний газ. Потрапляючи в кров, оксид вуглецю (СО) сполучається з гемоглобіном, перетворюючи його в карбоксигемоглобін, який після цього стає нездатним переносити кисень до тканин організму, людина відчуває нестачу кисню. Основна протидія – свіже повітря.

Фосген COCl2 – дуже отруйний газ. Він був першою отруйною речовиною, яку застосували у першій світовій війні. Вміст фосгену у повітрі, вищий за 0,0064 мг/л, викликає набряк легенів, розлад функцій нервової системи. Важка форма отруєння фосгеном приводить до смерті.

Синильна кислота НСN та її солі (ціаніди) дуже токсичні. Вони затримують окиснювальні та ферментативні процеси, перешкоджають перенесенню кисню гемоглобіном, зв’язуючи його, паралізують дихальні центри і викликають ядуху внаслідок кисневого голодування.

Матеріали для самоконтролю:

1. Чому атом Карбону утворює таку велику кількість хімічних сполук?

2. Чим пояснюють значну токсичність чадного газу та ціанідів?

3. На яких властивостях грунтуєтсья їхня дія на організм?

Тести:

1. До якої групи оксидів належить карбон (ІІ) оксид?

   1. Кислотних

   2. Основних

   3. Несолетвірних

   4. Амфотерних

2. Як називають процес поступового збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосферному повітрі?

   1. Гідростатичним явищем

   2. Тепловим ефектом

   3. Фотохімічним смогом

   4. Парниковим ефектом

3. Якого газу найбільше в атмосферному повітрі?

   1. Азоту

   2. Вуглекислого газу

   3. Кисню

   4. Гелію

Основна та додаткова література: Л. М. Миронович, О. О. Мардашко Медична хімія , Київ, «Каравела», 2008р.ст.4-27, А.С. Мороз, Д.Д. Луцевіч,

Л. П. Яворська Медична хімія, ПП «Нова книга»,2006 р., ст.20-45,

В. П. Музиченко, Д.Д. Луцевіч, Л. П. Яворська Медична хімія, ВСВ «Медицина»,2010 р