Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы химии биогенных элементов. Учебное пособие
.pdf
УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73
Б25
Р ец ен з ен т ы: кафедра общей и биоорганической химии Гомельского государственного медицинского университета (заведующий кафедрой кандидат химических наук, доцент А.В. Лысенкова); заведующий кафедрой химии Белорусского государственного педагогического университета имени Максима Танка,
кандидат химических наук, доцент Ф.Ф. Ла хвич
Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без ра зрешения изда те льства
Барковский, Е. В.
Б25 Основы химии биогенных элементов : учеб. пособие /
Е. В. Барковский, С. В. Ткачев. – Минск : Выш. шк., 2011. –
192 с. : ил.
ISBN 978-985-06-1995-2.
Рассмотрены вопросы химии биогенных элементов, биологическая роль
элементов и применение их важнейших соединений в медицине. Большое
внимание уделено экологическим аспектам действия неорганических веществ. Приведены начала качественного и количественного анализа. Содержатся методические указания по технике выполнения лабораторных работ,
тестовый самоконтроль, расчетные задачи и эталоны их решений, глоссарий.
Для студентов медицинских университетов. Будет полезно учащимся
медицинских колледжей, а также учителям и учащимся общеобразовательных школ.
УДК 543(075.8)
ББК 24.4я73
Учебное издание
Барковский Евгений Викторович
Ткачев Сергей Викторович
ОСНОВЫ ХИМИИ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Учебное пособие
Редактор А.В. Новикова. Художественный редактор Е.Э. Агунович. Технический
редактор А.Н. Бабенкова. Корректор Е.З. Липень. Компьютерная верстка А.Н. Бабенковой.
Подписано в печать 05.10.2011. Формат 84×108/32. Бумага для офсетной печати.
Гар ни тура «Times New Roman». Офсетная печать. Усл. печ. л. 10,08. Уч.-изд. л. 11,09.
Республиканское унитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шко ла”».
ЛИ № 02330/0494062 от 03.02.2009. Пр. Победителей, 11, 220048, Минск.
Открытое акционерное общество «Красная звезда». ЛП № 02330/0552716
от 03.04.2009. 1-й Загородный пер., 3, 220073, Минск.
ISBN 978-985-06-1995-2 © Барковский Е.В., Ткачев С.В., 2011
© Издательство «Вышэйшая школа», 2011
Тираж 1300 экз. Заказ
e-mail: info@vshph.by http://vshph.by
ПРЕДИСЛОВИЕ
Преподавание химии биогенных элементов и основ химического анализа студентам-медикам требует создания соответствующего пособия, поскольку использование учебников, значительно превосходящих по объему программы для медицинских
специальностей, является весьма затруднительным.
В учебном пособии изложен теоретический материал по
химии биогенных элементов и химическому анализу, а также
даны лабораторные работы по химическим методам разделения, обнаружения и определения ионов.
В первой части пособия рассматриваются вопросы, свя-
занные с распространенностью химических элементов в
природе, соотношением химического состава живых организмов и окружающей среды, биологической ролью элементов в зависимости от положения в Периодической системе
элементов Д.И. Менделеева, применением соединений s-, p-
и d-элементов в медицине, экологическими аспектами действия неорганических соединений. Предлагаемое пособие
не претендует на полноту рассмотрения этих вопросов, а
рассчитано лишь на ознакомление с ними студентов 1-го курса
медицинских вузов.
Вторая часть пособия посвящена методам разделения, обнаружения и определения ионов. При описании химико-аналитических свойств ионов охарактеризованы важнейшие групповые реагенты и реагенты для обнаружения индивидуальных
ионов, предложены способы проведения аналитических реакций, даны ситуационные задачи и т.д. Рассматривается суть титриметрического анализа, его роль в ме ди ко-биологических исследованиях, классификация методов, а также обоснование
расчетов в титриметрическом анализе. Приводится больше, чем
можно выполнить в отводимое на практических занятиях время,
лабораторных работ, что позволит преподавателю индивидуализировать обучение, заменяя одни работы другими.
3
При рассмотрении химии биогенных элементов на основе
периодического закона использован подход, заключающийся в
том, чтобы выяснить, какие свойства и особенности элементов
являются ответственными за различную распространенность
их в живых организмах, что определяет специфическую роль
элементов в биологических системах, а при изучении химикоаналитических свойств на основе этого же закона получают
сведения о закономерностях индивидуальных свойств химических элементов и их соединений, пригодных для разделения,
обнаружения и определения данных элементов.
Материал в пособии излагается таким образом, чтобы в
процессе изучения у студентов развивался творческий подход
к практическим занятиям и самостоятельной работе. С этой
целью приведено большое количество тестовых вопросов и задач, а также даны решения наиболее типичных задач. Умение
решать задачи служит свидетельством глубокого понимания
материала.
Авторы
ЧАСТЬ I
ВВЕДЕНИЕ В ХИМИЮ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Глава 1. МАКРО-, МИКРО- И УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Изучение влияния различных химических элементов на организм животных и человека, а также исследование химических элементов как постоянных составных частей тканей и
биологических жидкостей живых организмов началось во второй половине XIX в. Однако на научную основу проблема биологической роли химических элементов была поставлена академиком В.И. Вернадским. Изучая геохимические превращения
в земной коре, он установил, что изменения, происходящие в
верхних слоях земной коры, оказывают определенное влияние
на химический состав живых организмов и протекание в них
биологических реакций, а живые организмы, в свою очередь,
обусловливают закономерные миграции химических элементов в природе. В дальнейшем учение о биологической роли химических элементов развили А.П. Виноградов, В.В. Ковальс кий, М.Я. Школьник, Е. Андервуд и др.
В 70-е гг. XIX в. В.В. Ковальский определил биогенные элементы как химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. Под второй частью определения понимается, что эти
элементы необходимы для построения и жизнедеятельности
различных клеток и организмов.
Из всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева особо важную роль в осуществлении различных физиологических и патологических процессов играют: 10 металлов – Na,
K, Mg, Ca, Zn, Mn, Fe, Co, Mo, Cu; 6 органогенов – H, C, N, O,
P и S, составляющих основу всех биологически важных молекул и макромолекул.
В настоящее время допускается, что в живых организмах
встречаются все известные химические элементы, поэтому с
совершенствованием методик определения наши сведения о
наличии в живом веществе химических элементов будут расширяться.
В отличие от химических элементов, составляющих основную массу живого существа, так называемых макроэлементов
5
(С, О, Н, N, P, S, Ca, Na, Mg и т.д.), минеральные вещества, содержание которых в организмах очень невелико и составляет
–3
10
– 10–5%, получили название микроэлементов. К последним относятся Mn, Cu, Zn, Co, Ni, I, F, Mo и многие другие.
Элементы, содержащиеся в организмах в очень низких концентрациях (менее 10
–5
%), иногда называют ультрамикроэлемен-
тами. Однако эта классификация не определяет роль и значение в организме того или иного элемента. Незначительное
содержание микроэлементов в составе организма вовсе не свидетельствует о том, что эти вещества являются случайными
примесями или загрязнениями. Напротив, важнейшая биологическая роль многих наиболее изученных микроэлементов с
каждым годом выявляется все полнее.
Макроэлементы поддерживают осмотическое давление, рН
среды, ионное равновесие, кислотно-щелочное равновесие и т.д.
Микроэлементы вместе с ферментами, гормонами, витаминами и другими биологически активными веществами участвуют в процессах роста, размножения, обмена нуклеиновых
кислот, белков, жиров, углеводов и т.д. Биологические функции микроэлементов в живом организме связаны, главным образом, с процессами комплексообразования, происходящими
между биологическими лигандами и ионами соответствующих
металлов.
Образование металлоорганических комплексов имеет важное биологическое значение, поскольку они принимают самое
активное участие в обменных процессах, протекающих в организме. Известно, что способность микроэлементов к каталитическому действию повышается в миллионы раз, если они образуют органические комплексы. Многие вредные вещества,
попадающие в организм извне, удаляются из него с помощью
лигандов, которые связывают их в комплексы. Кроме того,
комплексные соединения широко используются в качестве лекарственных препаратов. Достаточно для примера привести
комплексные соединения платины цис-[Pt(NH
[Pt(NH
ностью. Многие лекарственные средства действуют в организме
], которые обладают противоопухолевой актив-
3)2Cl4
3)2Cl2
] и цис-
как хелатирующие агенты, т.е. являются лигандами (этилендиаминтетрауксусная кислота – ЭДТА, дисульфирам и т.д.).
Исследование протекающих в организме физиологических и
патологических процессов с участием комплексных соединений, а также создание на их основе лекарственных препаратов
является одной из важнейших задач бионеорганической химии.
6
Нарушение баланса макро- и микроэлементов приводит к
различным изменениям в состоянии организма. Например,
дети отстают в физическом развитии, если в их организме наблюдается недостаток какого-либо одного из таких элементов,
как K, Mg, Ca, Fe, Zn, Cu, Co, Cr. Снижение иммунных сил наблюдается при нарушении в организме баланса K, Ca, Cu, Mn,
Co, Se, а состояние зубов зависит от содержания в организме
Ca, Mg, Fe, Zn, Cu, Р. Поэтому в состав пищи должны входить
минеральные вещества, за счет которых организм реализует
свою потребность в химических элементах. Их недостаток или
избыток позволяет врачу сделать заключение о том, правильно
ли питается пациент, безопасна ли среда, в которой он живет,
хорошо ли функционируют его желудочно-кишечной тракт,
почки, печень.
Глава 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Основные характеристики элементов (строение электронных оболочек, степень окисления, способность к комплексообразованию и т.д.) определяются положением элементов в
периодической системе. Эти же характеристики лежат в основе физиологической и патологической роли элементов в организме человека.
Исходя из современной квантово-механической интерпретации периодической системы элементов, классификацию элементов проводят в соответствии с их электронной конфигурацией. Она основана на степени заполнения различных
электронных орбиталей (s, p, d, f) электронами. В соответствии
с этим все элементы делят на s-, p-, d-, и f- элементы.
У s-элементов происходит заполнение электронами s-под-
у ров ня. В зависимости от степени заполнения s-подуровня
1
различают s
-элементы (щелочные металлы) и s2-элементы
(щелочно-земельные металлы). В периодической системе
s-элементы расположены в IА и IIА группах (за исключением
гелия, находящегося в VIIIА группе).
У p-элементов происходит заполнение электронами р-под-
у ровня. В периодической системе р-элементы расположены в
IIIА–VIIIА группах. У атомов s- и р-элементов валентные электроны находятся на внешнем энергетическом уровне.
У d-элементов происходит заполнение электронами d-под-
у ровня. Они расположены в IВ–VIIIВ группах периодической
7
системы элементов; у атомов d-элементов валентные электроны размещены на s-подуровне внешнего и d-подуровне предвнешнего энергетических уровней.
К f-элементам относятся элементы, в атомах которых электроны застраивают f-подуровень третьего снаружи энергетического уровня. В периодической системе элементов f-элемен ты
расположены вне таблицы и составляют семейства лан таноидов
и актиноидов.
2.1. Общая характеристика s-элементов и их соединений
На внешнем электронном уровне у s-элементов имеется
один (s
легко отдают атомы s-элементов, превращаясь в однозарядные
(s
1
-элементы) или два (s2-элементы) электрона, которые
1
-эле менты) и двухзарядные (s2-элементы) ионы. С увеличением числа валентных электронов на энергетическом уровне
энергия ионизации атомов увеличивается (энергия ионизации –
это энергия, необходимая для отрыва наименее связанного
электрона от атома), а, следовательно, восстановительные
свойства атомов уменьшаются. Поэтому s
более слабыми восстановителями, чем s
2
-элементы являются
1
-элементы.
В группе восстановительные свойства s-элементов увеличиваются сверху вниз, так как увеличивается число электронных слоев у атомов и уменьшается в том же направлении энергия ионизации.
Радиусы ионов в подгруппах сверху вниз увеличиваются, а
в периоде при переходе от s
1
- к s2-элементам уменьшаются. За-
кономерности изменения радиусов ионов s-элементов в группе
и периоде, строение их электронных оболочек влияют на характер связи между анионами и катионами s-элементов, на растворимость их солей. Так как ионы s-элементов имеют устойчивую электронную оболочку типа инертных газов, то они
обладают небольшой способностью к поляризации и сами являются слабыми поляризаторами. Под поляризацией понимается смещение электронного облака аниона под влиянием положительного заряда катиона:
Поляризующая способность катиона (т.е. его способность
деформировать электронное облако аниона) зависит от заряда
катиона и его размеров и пропорциональна плотности заряда
на катионе (ρ):
8
ρ =
.
Из этой зависимости видно: чем больше заряд иона и меньше его радиус, тем больший поляризующий эффект оказывает
ион и тем меньше он сам способен к поляризации.
Для катионов щелочных металлов значения ρ приведены в
табл. 2.1.
Таблица 2.1. Поляризующая способность катионов
Ион Заряд Радиус, нм Плотность заряда
+
Li
Na
K
Rb
Cs
+
+
+
+
+1 0,060 16,7
+1 0,095 10,5
+1 0,133 7,5
+1 0,148 6,8
+1 0,169 5,9
Как видно, поляризующая способность катионов при переходе от Li
ющей способности катиона Li
+
к Cs+ уменьшается. Вследствие высокой поляризу-
+
соединения лития обладают
наименее выраженным ионным характером по сравнению с
однотипными соединениями других щелочных металлов. При
возрастании поляризующих свойств катионов возрастает прочность связи с анионом и снижается растворимость соединений. Катионы s
1
-элементов имеют в своем периоде наименьший заряд (+1) и наибольший радиус, поэтому они не
поляризуются сами и обладают малой поляризующей способностью. Большинство их солей растворимо в воде вследствие
высокой полярности связи, близкой к ионной, осадки образуются только с большими, легко поляризующимися анионами.
При переходе к катионам s
2
-элементов поляризующие свойства усиливаются, так как увеличивается заряд (+2) и уменьшается радиус иона. Это приводит к увеличению прочности
связи (связь приближается к ковалентной), а растворимость
солей уменьшается. Катионы s
2
-элементов образуют труднорастворимые осадки хроматов, карбонатов, сульфатов, оксалатов
и т.д., которые имеют аналитическое значение и используются
для разделения и обнаружения отдельных катионов s
2
-эле-
ментов.
В воде катионы s-элементов гидратированы и образуют ак-
вакомплексы ([Са(Н
]2+) за счет электростатического при-
2О)6
9
тяжения дипольных молекул воды. Поскольку электронная
оболочка ионов s-элементов имеет устойчивую конфигурацию
инертного газа и лиганды (молекулы воды) мало влияют на состояние электронов, все они в водных растворах бесцветны.
Зависимость энтальпий гидратации катионов s-элементов IA
и IIA групп от их размеров (1пм = 10
Рис. 2.1. Зависимость энтальпии гидратации ионов (ΔН) от их
размеров (r) и заряда
–12
м) показана на рис. 2.1.
Из этой зависимости видно, что с увеличением заряда ионов энергия их гидратации возрастает, а с ростом размеров ионов падает.
Ионы s-элементов в водных растворах могут образовывать
комплексные соединения с органическими и неорганическими лигандами, например с 8-оксихинолином (LiOx, MgOx
), с аммиаком [Mg(NH3)4]Cl2. Но устойчивость этих ком-
ВаОх
2
плексов мала, так как s-элементы образуют с лигандами связь,
,
2
приближающуюся к ионной. Наименьшая устойчивость комплексных соединений наблюдается у ионов с большим радиусом и малым зарядом (s
1
-элементы). У катионов s2-элементов с
повышением заряда и уменьшением радиуса устойчивость
комплексов увеличивается.
Изменение радиуса иона оказывает большое влияние на его
оснóвные свойства. Гидроксиды катионов s-элементов обладают выраженными оснóвными свойствами (кроме Ве(ОН)
объясняется непрочностью ионной связи Э–ОН. Вот почему
), что
2
s-элементы называют щелочными и щелочно-земельными ме-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]