Міністерство охорони здоров’я України

Криворізький медичний коледж, заснований на спільній власності територіальних громад сіл, селищ, міст Дніпропетровської області

Робочий зошит

для практичних робіт з дисципліни «Медична хімія»

(розділ «Біонеорганічна хімія»)

Лікувальна справа

студента (ки) ________________________________

відділення __________________________________

курс ________________ група _________________

викладач ___________________________________

2016 рік

Біонеорганічна хімія : Робочий зошит для практичних робіт з дисципліни «Медична хімія». Видання 2, перероблене і доповнене. – 2012 р.- с. (кількість сторінок)

Рецензенти: Потрясова В.Б., методист Криворізького медичного коледжу

Укладач: ФранкевичТ.І., викладач Криворізького медичного коледжу

Робочий зошит складений у повній відповідності до програми з хімії для вищих навчальних закладів І-ІІ рівня акредитації, які здійснюють підготовку молодших спеціалістів відповідно до освітньо – кваліфікаційної характеристики (ОКХ) і освітньо-професійної програми (ОПП) підготовки фахівців, затвердженої Міністерством освіти і науки України в 2011році.

Практичне заняття № 1 Дата__________

Тема: Біогенні s- , p-,d- елементи, біологічна роль, застосування в медицині.

Мета: знати: електронну структуру та електронегативність s- , p- ,d- елементів; типові хімічні властивості s- , p- ,d- елементів і їхніх сполук, реакції зі зміною ступенів окислення; Зв'язок між місцезнаходженням s- , p- елементів у періодичній системі та їхнім вмістом в організмі, якісні реакції катіонів s¹ –елементів( К⁺, Nа⁺) і s² –елементів

( Са²⁺, Мg²⁺). Якісні реакції аніонів СО₃^2-, SО₄^2-, SО₃^2-, NО₂^-; Якісні реакції йонів d-елементів ( Fе²⁺, Fе³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺).

вміти: записувати електронну структуру s- , p- ,d- елементів, рівняння реакцій типових хімічних властивостей s- , p- ,d- елементів; знаходити зв'язок між місцезнаходженням s- , p- ,d- елементів у періодичній системі та їхнім вмістом в організмі; виконувати якісні реакції найважливіших біоелементів, йонів із вмістом органогенів.

володіти навичками: трактувати взаємозв’язок між біологічною роллю біогенних s- , p, d- елементів та формою їх знаходження в організмі; виконувати та інтерпретувати якісні реакції найважливіших біоелементів, йонів із вмістом органогенів, класифікувати хімічні властивості та перетворення біоенергетичних речовин у процесі життєдіяльності організму.

Обладнання та реактиви: розчини солей: карбонату натрію, сульфату натрію, сульфіту калію, нітриту натрію, феруму (ІІ)хлориду, феруму (ІІІ) хлориду, сульфату купруму, мангану хлориду, гідрооксиду натрію, крохмальний клейстер, калію йодид, сульфатна кислота, пробірки, штатив.

Питання для самопідготовки.

1.Електронна структура біогенних s- , p- ,d- елементів.

2.Типові хімічні властивості елементів та їх сполук(К, Nа , Са, Мg, С, S ,N, Fе, Cu, Zn, Mn)

( реакції без зміни ступеня окислення, зі зміною ступеня окислення, комплексоутворенням)

3. Зв'язок між місцезнаходженням s- , p- ,d- елементів у періодичній системі та їх вмістом в організмі людини.

4.Написання окисно-відновних реакцій за допомогою електронного балансу.

Теоретичні відомості.

1. У періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва біогенні s-елементи входять до головних підгруп І та II груп. Вони розміщені на початку періоду, є типовими металами.

s-Елементи характеризуються малими значеннями потенці­алів іонізації при достатньо великих значеннях радіусів атомів та іонів. s -Елементи І групи, як правило, утворюють сполуки з іонним типом зв'язку, s -елементи II групи дещо поступаються їм щодо цього. Вказані особливості роблять їх фізіологічно ак­тивними. Деякі елементи, наприклад, К, Nа, Са, Мg,— життє­во необхідні й виявляють в організмі унікальні властивості.

Більшість біогенних s -елементів є макроелементами. Їх ви­сока концентрація в організмі пов'язана з утворенням сполук, що легко розчиняються в біологічних рідинах (s -елементи І гру­пи), і важкорозчинних солей, які беруть участь у процесах фор­мування кісткової тканини (s -елементи II групи). Біогенні еле­менти І групи потрібні для нормальної життєдіяльності живого організму. В першу чергу, це макроелементи — водень, калій і натрій .

Атом водню має найпростішу електронну структуру Іs ¹, велику енергію іонізації, тому зв'язки його сполук навіть з найбільш електронегативними атомами здебільшого є ковален­тними. Функції іона водню в живому організмі ближчі до функцій іонів лужних металів, ніж галогенів. Показники його електронегативності є близькими до атома вуглецю, тому в багатьох сполуках з ним водень утворює ковалентні зв'язки. В організмі людини в ковалентно зв'язаному стані він входить до складу сполук із вуглецем, азотом, сіркою й ін. Незначна частина водню перебуває у вигляді іона гідроксонію Н₃О⁺, який відіграє важливу роль у підтриманні необхідної кислотно-лужної рівноваги для перебігу біохімічних реакцій. Іони гідроксонію здебільшого виконують найважливіші функції: вбивають мікроби, що потрапляють до шлунка з іжею, і беруть участь у гідролітичних реакціях як каталізатори.

Літій за своїми властивостями трохи відрізняється від інших лужних металів: він має малий розмір іона і найбільшу поляри­зуючу здатність, що спричиняє високу сольватацію іона. Спо­луки літію характеризуються значною іонною складовою зв'яз­ку. В живому організмі літій здатний заміщувати натрій і на­пилки. На цьому ґрунтується методика лікування солями на­трію при отруєнні літієм. Літій постійно є в крові, органах і тканинах людини. Має виразну біологічну дію (А. О. Войнар). Подібність хімічних властивостей літію і натрію визначає їх однакову дію на перебіг ферментативних процесів. Здатність Літію заміщати іони натрію в солях сечової кислоти, тим саме утворюючи розчинні сполуки, використовують при лікуванні Подагри. Літій характеризується десенсибілізуючою дією, при невеликій концентрації здатний до інгібіруючої дії на фактори к зсідання крові. Тому його сполуки можуть застосовуватися для комплексної профілактики і терапії тромбозів.

Різна концентрація катіонів калію і натрію усередині й зовні нервової клітини й її аксона і більш легке проходження крізь мембрану іонів К⁺ і С1^-, ніж Nа⁺, приводять до того, що у клітині виникає різниця потенціалів близько 60-90 мВ, при цьо­му внутрішня поверхня клітинної мембрани заряджується не­гативно стосовно зовнішньої. Утворюється Nа⁺ — К⁺-насос. Під час збудження відбуваються біохімічні процеси, які спри­чиняють зміни проникності клітинної мембрани. В результаті іони натрію проникають усередину клітини, викликають ло­кальне гасіння негативного заряду і змінюють його на позитив­ний. Виникає так званий потенціал дії. Відновлення початко­вого потенціалу відбувається не в результаті зворотного пе­реміщення іонів натрію, а за рахунок виходу з клітини ек­вівалентної кількості іонів калію. Причина зміни проникності мембрани і транспорту іонів проти градієнта концентрації ос­таточно не з'ясована, але прямо залежить від клітинного метаболізму.

До біогенних елементів II групи належать макроелементи магній і кальцій, які, за класифікацією А. І. Венчикова, вхо­дять до групи біотиків, що відіграють роль пластичного мате­ріалу, а також створюють фізико-хімічні умови для перебігу фізіологічних процесів, і мікроелементи берилій і стронцій; роль Інших мікро- і ультрамікроелементів II групи в організмі з'ясована недостатньо.

Магній і кальцій є життєво важливими елементами. Кальцій основний структурний елемент живих організмів; магній входить до складу великої кількості ферментів і є активатором багатьох біохімічних процесів. Кальцій має більший радіус іона і відповідно меншу енергію іонізації порівняно з магнієм, що визначає характер зв'язків у його сполуках . Атом кальцію більший за розмірами, ніж атом магнію, тому його здатність до утворення гідратів, а також розчинність його карбонатів і фосфатів у воді порівняно з магнієвими сполуками меншими. Карбонати і фосфати кальцію є основним матеріалом, який бере участь у формуванні кісткової та зубної тканин.

Головна підгрупа ІV групи представлена р-элементами: вуглецем, кремнієм, германієм, оловом і свинцем.

На зовнішньому електронному рівні атоми цих елементів містять 4 електрони, що мають конфігурацію s²р² .

Таким чином, атоми можуть приєднувати по 4 електрони й утворювати восьми електрон- ну оболонку.

У нормальному стані елементи цієї підгрупи мають на зовнішньому рівні два р-електрони і виявляють валентність, рівну 2 . У збудженому стані s-електрон зовнішнього рівня переходить на вільний осередок р-підрівня того ж рівня і всі електрони зовнішнього рівня стають неспареними .

S Р S Р

₁₂С 1s²2s²2р² ₁₂С* 1s²2s¹2р³

Виходячи з такої будови зовнішнього електронного рівня, найбільш характерними ступенями окислювання, що виявляються в з'єднаннях, для вуглецю і кремнію є -(+4; -4, для германія +4, для свинцю +2. Олово займає проміжне положення.

Енергія, затрачувана для переходу електрона, з надлишком компенсується енергією, що виділяється внаслідок утворення чотирьох зв'язків.

У процесі реакції р-елементи неметали можуть віддавати чи приймати електрони, тому вони беруть участь у метаболічних окисно-відновних реакціях. Окисно-відновні реакції, в яких бе­руть участь р-елементи, лежать в основі їх токсичної дії на орга­нізм. Наприклад, перехід нітратів у нітрити призводить до знижен­ня перенесення кисню до тканин:

NО₃ ^- +2Н ⁺ + 2е = NО₂^- + Н₂О

Р-Елементи утворюють полідентатні хелатні сполуки з аміно­кислотами, поліпептидами, білками, нуклеїновими кислотами, вуглеводами тощо.

р-Елементи беруть участь у основних біохімічних процесах; утворюють білкові, фосфатні, бікарбонатні буферні системи; бе­руть участь у транспортуванні речовин і продуктів метаболізму.

З низькомолекулярних сполук р-елементів найбільше значення мають аніони: СО^2-, НСО₃ ^-, С₂О₄²-, СН₃СОО^-, РО₄^3-, НРО₄^2-, Н₂РО₄^-,

Для контролю за деякими оксоаніонами у біологічному матері­алі використовують якісні реакції:

• дія хлориду барію на сульфат-іони призводить до утворення бі­лого осаду, який нерозчинний у кислотах:

SО₄^2- + Ва²⁺ →ВаSО₄ ↓;

• дія хлориду барію на сульфіт-іони призводить до утворення бі­лого осаду, розчинного у кислотах. Для визначення SО3^2-, викорис­товують реакцію знебарвлення розчину перманганату калію:

SО₃^2- + Ва²⁺ →ВаSО₃ ↓;

ВаSО₃ + 2НСІ → SО₂ ↑+ ВаС1₂ + Н₂О;

• дія хлориду барію на карбонат-іони приводить до утворення білого осаду, розчинного у розведених мінеральних кислотах. СО2 виявляють за помутнінням баритової чи вапняної води:

СО^2- + Ва⁺² →ВаСО₃↓,

ВаСО₃ + 2НСІ → СО2↑ + ВаС1₂ + Н2О

СО₂ + Са(ОН)₂ → СаСО₃↓ + Н2О;

• нітрит-іон за наявності сульфатної чи хлороводневої кислот окислює І^- до вільного йоду, який забарвлює розчин у бурий колір. Йод дає синє забарвлення з крохмалем:

2І^- + NО₂^- + 4Н⁺ → І₂ + 2Н₂О + 2 NО₂↑

3. У періодичній системі d-елементи розташовані у великих періодах. За вертикаллю вони утворюють групи; у короткій формі періодичної системи це побічні підгрупи, а у довгоперіодному варіанті — ІВ -VШВ групи, тобто до номера групи до­дається буква В. Крім того, елементи d -блоку також назива­ють елементами вставних декад чи перехідними металами.

У атомах d -елементів електронами заповнюється d -підрівень передостаннього рівня. Ємність d -підрівня дорівнює десяти.

Відомо більше ніж d -елементів, які в періодичній системі елементів утворюють три повні вставні декади (Sс — Zn, Y — Сd, Lа — Нg), та декілька елементів четвертої декади. Запов­нення електронами d -підрівня відбувається відповідно до пра­вила Гунда, тобто сумарне значення спинових чисел повинно бути максимальним.

На зовнішньому рівні атомів d елементів є один або два електрони s-стану (за винятком паладію, у якого s-електронів на зовнішньому рівні немає).

Зменшення кількості s-електронів на зовнішньому рівні до одного відбувається внаслідок «провалу» (або «проскоку») електрона з s-зовнішнього на передостанній d -підрівень, завдя­ки чому досягається більш стійкий стан із низьким запасом енергії. Наприклад, у атомах елементів хрому, молібдену, ніо­бію, срібла, золота й ін.

В атомах паладію s-електрони зовнішнього підрівня відсутні внаслідок подвійного «проскоку».

Для атомів перехідних металів характерними є два особли­во стійких стани: у першому орбіталі передостаннього d - підрівня заповнені на 50 % , а в другому — d -орбіталі за­повнені повністю .

Елементи, атоми яких мають від одного до п'яти d - електронів (у атомах цих елементів відсутня неподілена d-електронна пара), утворюють стійкі сполуки, в яких вони виявляють вищий позитивний ступінь окислення. За кількості електронів понад п'яти (деякі понад п'яти деякі d - електрони мають неподілену пару) найбільш стійкими є сполуки, в яких атоми d - елементів ма­ють нижчий позитивний ступінь окислення, бо неподілена елек­тронна пара не досить активно бере участь в утворенні хімічних зв'язків.

На стабільність d -елементів, атоми яких мають вищий ступінь окислення, вагомо впливає також збільшення маси атомів перехідних елементів. Це особливо виявляється при по­рівнянні властивостей оксидів К₂О₇, тобто оксидів марганцю, технецію і ренію, при нагріванні. Оксид марганцю (VII) не стійкий навіть при 0 °С і при нагріванні розкладається з ви­бухом.

Хід роботи

1. Записати електронні та графічні формули атомів: к,s, n, Cu, Fе.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дослід № 1 Якісна реакція на иони натрію, калію, кальцію.

Взяти в шпатель солі Nа₂SО₄, К₂SО₄, СаSО₄, та внести в полум’я горілки.

1.Як забарвлюють іони К⁺, Nа⁺, Са²⁺ полум’я?______________________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дослід № 2 Якісна реакція на сульфат – іон.

В пробірку з розчином натрію сульфату додайте невелику кількість розчину барію хлориду.

1. Що ви спостерігаєте? Який осад якого кольору випав під час цієї реакції? Чому цю реакцію називають якісною? ____________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.Напишіть рівняння взаємодії натрію сульфату з барієм хлоридом в повному і скороченому іонному вигляді.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Дослід № 3 Якісна реакція на сульфіт – іон.

В пробірку наливають 5-6 крапель розчину сульфіту натрію та 5-6 крапель сульфатної кислоти, в верхню частину пробірки кладуть стрічку фільтрувального паперу змочену

Краплею розчину крохмалю і краплею розбавленого розчину йоду. Пробірку закривають пробкою з отвором , нагрівають та спостерігають зникнення синього забарвлення крохмалю.

1.Написати рівняння взаємодії сульфіту натрію з сульфатною кислотою. ____________________________________________________________________________

2. Який газ утворюється?_______________________________________________________

Дослід № 4 Якісна реакція на нітрат іон.

В пробірку з розчином калію нітрату чи натрію додати невеликий кусок міді, та прилити 1мл концентрованої сульфатної кислоти.

1. Що ви спостерігаєте? Який газ виділяється ?____________________________________ ____________________________________________________________________________

2. Напишіть відповідну реакцію. Розставте коефіцієнти методом електронного балансу.

_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________