химия

Биологически значимые элементы

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Биологически значимые элементы (в противоположность биологически инертным элементам) — химические элементы, необходимые живым организмам для обеспечения нормальной жизнедеятельности. Биологически значимые элементы классифицируют на макроэлементы (содержание которых в живых организмах составляет больше 0,01 %) имикроэлементы (содержание менее 0,001 %).

Содержание   [убрать]  1 Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам 2 Макроэлементы 2.1 Биогенные элементы 2.2 Другие макроэлементы 3 Микроэлементы 3.1 Основные микроэлементы 4 Совместимость 5 Недостаток микроэлементов в организме 6 См. также 7 Литература

[править]Использование термина «минерал» по отношению к биологически значимым элементам

Микро- и макроэлементы (кроме кислорода, водорода и азота), попадают в организм, как правило, при приёме пищи. Для их обозначения в английском языке существует терминDietary mineral.

В конце XX века российские производители некоторых лекарственных препаратов и биологически активных добавок стали использовать для обозначения макро- и микроэлементов термин минерал. С научной точки зрения такое употребление термина «минерал» является неправильным, так как оно используется только для обозначения геологического природного тела с кристаллической структурой. Тем не менее, производители т. н. «биологических добавок» (возможно, в рекламных целях) стали называть свою продукцию витамино-минеральными комплексами.

[править]Макроэлементы

Эти элементы слагают плоть живых организмов. К макроэлементам относят те элементы, рекомендуемая суточная доза потребления которых составляет более 200 мг. Макроэлементы, как правило, поступают в организм человека вместе с пищей.

[править]Биогенные элементы

• Кислород — 65%

• Углерод — 18%

• Водород — 10%

• Азот — 3%

Эти макроэлементы называют биогенными (органогенными) элементами или макронутриентами (англ. macronutrient). Из макронутриентов преимущественно построены такиеорганические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Для обозначения макронутриентов иногда используют акроним CHNO, состоящий из обозначений соответствующих химических элементов в таблице Менделеева.

[править]Другие макроэлементы

Рекомендуемая суточная доза > 200 мг:

• Калий

• Кальций

• Магний

• Натрий

• Сера

• Фосфор

• Хлор

[править]Микроэлементы

Термин «микроэлементы» получил особое распространение в медицинской, биологической и сельскохозяйственной научной литературе в середине XX века. В частности, для агрономов стало очевидным, что даже достаточное количество «макроэлементов» в удобрениях (троица NPK — азот, фосфор, калий) не обеспечивает нормального развития растений.

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. Рекомендуемая суточная доза потребления микроэлементов для человека составляет менее 200 мг. В последнее время стал использоваться заимствованный из европейских языков терминмикронутриент (англ. micronutrient).

Поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) организма предусматривает в первую очередь поддержание качественного и количественного содержания минеральных веществ в тканях органов на физиологическом уровне.

[править]Основные микроэлементы

По современным данным более 30 микроэлементов считаются необходимыми для жизнедеятельности растений, животных и человека. Среди них (в алфавитном порядке):

• Бром

• Железо

• Йод

• Кобальт

• Марганец

• Медь

• Молибден

• Селен

• Фтор

• Хром

• Цинк

Чем меньше концентрация соединений в организме, тем труднее установить биологическую роль элемента, идентифицировать соединения, в образовании которых он принимает участие. К числу несомненно важных относят ванадий, кремний и др.

[править]Совместимость

Основная статья: Совместимость микронутриентов

В процессе усвоения организмом витаминов, микроэлементов и макроэлементов возможен антагонизм (отрицательное взаимодействие) или синергизм (положительное взаимодействие) между разными компонентами.

[править]Недостаток микроэлементов в организме

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:

• Неправильное или однообразное питание, некачественная питьевая вода.

• Геологические особенности различных регионов земли — эндемические (неблагоприятные) районы.

• Большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, болезнь Крона, язвенный колит.

• Употребление некоторых лекарственных средств, связывающих или вызывающих потерю микроэлементов.

[править]См. также

• Химический состав клетки

• Суточная потребность человека в биологически активных веществах

[править]Литература

• Ultratrace minerals. Authors: Nielsen, Forrest H. USDA, ARS Source: Modern nutrition in health and disease / editors, Maurice E. Shils ... et al.. Baltimore: Williams & Wilkins, c 1999., p. 283–303. Issue Date: 1999 URI: [1]

Кислород

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

У этого термина существуют и другие значения, см. Кислород (значения).

8 Азот ← Кислород → Фтор O ↓ S 8O
Внешний вид простого вещества
Газ без цвета, вкуса и запаха; голубоватая жидкость (при низких температурах)
Свойства атома
Имя, символ, номер	Кислоро́д / Oxygenium (Oxygen)(O), 8
Атомная масса (молярная масса)	15,9994 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s2 2p4
Радиус атома	60 (48) пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	73 пм
Радиус иона	132 (-2e) пм
Электроотрицательность	3,44 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	-2, −1, -½, -⅓, 0, ½, +1, +2
Энергия ионизации (первый электрон)	1313,1 (13,61) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	0,00142897 г/см³
Температура плавления	54,8 К (-218,35 °C)
Температура кипения	90,19 К (-182,96 °C)
Теплота плавления	0,444 кДж/моль
Теплота испарения	3,4099 кДж/моль кДж/моль
Молярная теплоёмкость	29,4[1] Дж/(K·моль)
Молярный объём	14,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	моноклинная
Параметры решётки	a=5,403 b=3,429 c=5,086 β=135,53Å
Температура Дебая	155 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 0,027 Вт/(м·К)

8	Кислород
O 15,999
2s22p4

Кислоро́д — элемент 16-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы VI группы), второго периодапериодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 8. Обозначается символом O(лат. Oxygenium). Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов.Простое вещество кислород (CAS-номер: 7782-44-7) при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекулакоторого состоит из двух атомов кислорода (формула O₂), в связи с чем его также называют дикислород^[2]. Жидкий кислородимеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

Существуют и другие аллотропные формы кислорода, например, озон (CAS-номер: 10028-15-6) — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода (формула O₃).

Содержание   [убрать]  1 История открытия 2 Происхождение названия 3 Нахождение в природе 4 Получение 5 Физические свойства 6 Химические свойства 6.1 Фториды кислорода 7 Применение 7.1 В металлургии 7.2 Сварка и резка металлов 7.3 Ракетное топливо 7.4 В медицине 7.5 В пищевой промышленности 7.6 В химической промышленности 7.7 В сельском хозяйстве 8 Биологическая роль кислорода 9 Токсические производные кислорода 10 Изотопы 11 См. также 12 Примечания 13 Ссылки

[править]История открытия

Официально считается^[3][4], что кислород был открыт английским химиком Джозефом Пристли 1 августа 1774 года путём разложения оксида ртути в герметично закрытом сосуде (Пристли направлял на это соединение солнечные лучи с помощью мощной линзы).

Однако Пристли первоначально не понял, что открыл новое простое вещество, он считал, что выделил одну из составных частей воздуха (и назвал этот газ «дефлогистированным воздухом»). О своём открытии Пристли сообщил выдающемуся французскому химику Антуану Лавуазье. В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород является составной частью воздуха, кислот и содержится во многих веществах.

Несколькими годами ранее (в 1771 году) кислород получил шведский химик Карл Шееле. Он прокаливал селитру с серной кислотой и затем разлагал получившийся оксид азота. Шееле назвал этот газ «огненным воздухом» и описал своё открытие в изданной в 1777 году книге (именно потому, что книга опубликована позже, чем сообщил о своём открытии Пристли, последний и считается первооткрывателем кислорода). Шееле также сообщил о своём опыте Лавуазье.

Важным этапом, который способствовал открытию кислорода, были работы французского химика Пьера Байена, который опубликовал работы по окислению ртути и последующему разложению её оксида.

Наконец, окончательно разобрался в природе полученного газа А. Лавуазье, воспользовавшийся информацией от Пристли и Шееле. Его работа имела громадное значение, потому что благодаря ей была ниспровергнута господствовавшая в то время и тормозившая развитие химии флогистонная теория. Лавуазье провёл опыт по сжиганию различных веществ и опроверг теорию флогистона, опубликовав результаты по весу сожженных элементов. Вес золы превышал первоначальный вес элемента, что дало Лавуазье право утверждать, что при горении происходит химическая реакция (окисление) вещества, в связи с этим масса исходного вещества увеличивается, что опровергает теорию флогистона.

Таким образом, заслугу открытия кислорода фактически делят между собой Пристли, Шееле и Лавуазье.

[править]Происхождение названия

Слово кислород (именовался в начале XIX века ещё «кислотвором») своим появлением в русском языке до какой-то степени обязано М. В. Ломоносову, который ввёл в употребление, наряду с другими неологизмами, слово «кислота»; таким образом слово «кислород», в свою очередь, явилось калькойтермина «оксиген» (фр. oxygène), предложенного А. Лавуазье (от др.-греч. ὀξύς — «кислый» и γεννάω — «рождаю»), который переводится как «порождающий кислоту», что связано с первоначальным значением его — «кислота», ранее подразумевавшим вещества, именуемые по современной международной номенклатуре оксидами.

[править]Нахождение в природе

Кислород — самый распространённый на Земле элемент, на его долю (в составе различных соединений, главным образом силикатов) приходится около 47,4 % массы твёрдой земной коры. Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 88,8 % (по массе), в атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,12 % по массе. Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород.

Кислород входит в состав многих органических веществ и присутствует во всех живых клетках. По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

[править]Получение

В настоящее время в промышленности кислород получают из воздуха. Основным промышленным способом получения кислорода, является криогенная ректификация. Также хорошо известны и успешно применяются в промышленности кислородные установки, работающие на основе мембранной технологии.

В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением около 15 МПа.

Небольшие количества кислорода можно получать нагреванием перманганата калия KMnO₄:

Используют также реакцию каталитического разложения пероксида водорода Н₂О₂ в присутствии оксида марганца(IV):

Кислород можно получить каталитическим разложением хлората калия (бертолетовой соли) KClO₃:

К лабораторным способам получения кислорода относится метод электролиза водных растворов щелочей, а также разложение оксида ртути(II) (при t = 100 °C):

На подводных лодках обычно получается реакцией пероксида натрия и углекислого газа, выдыхаемого человеком:

[править]Физические свойства

В мировом океане содержание растворенного O₂ больше в холодной воде, а меньше - в тёплой.

При нормальных условиях кислород — это газ без цвета, вкуса и запаха.

1 л его имеет массу 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100 г при 0 °C, 2,09 мл/100 г при 50 °C) и спирте(2,78 мл/100 г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O₂ в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком.

При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.

Жидкий кислород (температура кипения −182,98 °C) — это бледно-голубая жидкость.

Фазовая диаграмма O₂

Твёрдый кислород (температура плавления −218,35°C) — синие кристаллы. Известны шестькристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.:

• α-О₂ — существует при температуре ниже 23,65 К; ярко-синие кристаллы относятся кмоноклинной сингонии, параметры ячейки a=5,403 Å, b=3,429 Å, c=5,086 Å; β=132,53°^[5].

• β-О₂ — существует в интервале температур от 23,65 до 43,65 К; бледно-синие кристаллы (при повышении давления цвет переходит в розовый) имеют ромбоэдрическую решётку, параметры ячейки a=4,21 Å, α=46,25°^[5].

• γ-О₂ — существует при температурах от 43,65 до 54,21 К; бледно-синие кристаллы имеют кубическую симметрию, период решёткиa=6,83 Å^[5].

Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:

• δ-О₂ интервал температур 20-240 К и давление 6-8 ГПа, оранжевые кристаллы;

• ε-О₄ давление от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного, моноклинная сингония;

• ζ-О_n давление более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит всверхпроводящее состояние.

[править]Химические свойства

Сильный окислитель, взаимодействует практически со всеми элементами, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры (см. Горение). Пример реакций, протекающих при комнатной температуре:

Окисляет соединения, которые содержат элементы с не максимальной степенью окисления:

Окисляет большинство органических соединений:

При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения:

Кислород реагирует непосредственно (при нормальных условиях, при нагревании и/или в присутствии катализаторов) со всеми простыми веществами, кроме Au и инертных газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn); реакции с галогенами происходят под воздействием электрического разряда или ультрафиолета. Косвенным путём получены оксиды золота и тяжёлых инертных газов (Xe, Rn). Во всех двухэлементных соединениях кислорода с другими элементами кислород играет роль окислителя, кроме соединений со фтором (см. ниже #фториды кислорода).

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

• Например, пероксиды получаются при сгорании щелочных металлов в кислороде:

• Некоторые оксиды поглощают кислород:

• По теории горения, разработанной А. Н. Бахом и К. О. Энглером, окисление происходит в две стадии с образованием промежуточного пероксидного соединения. Это промежуточное соединение можно выделить, например, при охлаждении пламени горящего водорода льдом, наряду с водой, образуется перекись водорода:

• В надпероксидах кислород формально имеет степень окисления −½, то есть один электрон на два атома кислорода (ион O⁻₂). Получают взаимодействием пероксидов с кислородом при повышенных давлении и температуре:

• Калий K, рубидий Rb и цезий Cs реагируют с кислородом с образованием надпероксидов:

• Озониды содержат ион O⁻₃ со степенью окисления кислорода, формально равной −1/3. Получают действием озона на гидроксиды щелочных металлов:

• В ионе диоксигенила O₂⁺ кислород имеет формально степень окисления +½. Получают по реакции:

[править]Фториды кислорода

• Дифторид кислорода, OF₂ степень окисления кислорода +2, получают пропусканием фтора через раствор щелочи:

• Монофторид кислорода (Диоксидифторид), O₂F₂, нестабилен, степень окисления кислорода +1. Получают из смеси фтора с кислородом в тлеющем разряде при температуре −196 °C:

• Пропуская тлеющий разряд через смесь фтора с кислородом при определённых давлении и температуре, получают смеси высших фторидов кислорода O₃F₂, О₄F₂, О₅F₂ и О₆F₂.

• Квантовомеханические расчёты предсказывают устойчивое существование иона трифторгидроксония (англ.)^[6] OF₃⁺. Если этот ион действительно существует, то степень окисления кислорода в нём будет равна +4.

Кислород поддерживает процессы дыхания, горения, гниения.

В свободном виде элемент существует в двух аллотропных модификациях: O₂ и O₃ (озон).

[править]Применение

Широкое промышленное применение кислорода началось в середине XX века, после изобретения турбодетандеров — устройств для сжижения и разделения жидкого воздуха.

[править]В металлургии

Конвертерный способ производства стали или переработки штейнов связан с применением кислорода. Во многих металлургических агрегатах для более эффективного сжигания топлива вместо воздуха в горелках используют кислородно-воздушную смесь.

[править]Сварка и резка металлов

Кислород в баллонах голубого цвета широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.