- •Хімічні властивості та біологічна роль біометалів
- •Загальна характеристика елементів ia-підгрупи періодичної системи
- •2. Натрій і Калій
- •2. Загальна характеристика елементів
- •4. Купрум, Аргентум і Аурум
- •5. Загальна характеристика елементів ііа-підгрупи періодичної системи
- •6. Магній і Кальцій
- •7. Загальна характеристика елементів iib-підгрупи періодичної системи
- •8. Цинк
- •9. Загальна характеристика
- •10. Молібден
- •11. Загальна характеристика елементів
- •Viib-підгрупи періодичної системи
- •12. Манган
- •13. Загальна характеристика елементів
- •Viiib-підгрупи періодичної системи
- •14. Ферум
- •15. Кобальт
- •16. Лабораторна робота Добування та хімічні властивості біометалів
- •Гідроліз солей натрію і калію
- •Одержання калій нітрату
- •Одержання і властивості молібдатної кислоти
- •Залежність ступеня відновлення калій перманганату від реакції середовища
- •Гідроліз солей феруму(ііі)
- •17. Контрольні запитання
РОЗДІЛ 12
Хімічні властивості та біологічна роль біометалів
Загальна характеристика елементів ia-підгрупи періодичної системи
До IA-підгрупи періодичної системи Д.І. Менделєєва належать s-еле-менти: Літій, Натрій, Калій, Рубідій, Цезій та Францій, які називають луж-ними металами, оскільки гідроксиди деяких із них відомі як луги. Лужні метали мають на зовнішньому електронному рівні атома по одному елек-трону (s1), які сильно віддалені від ядра. Вони вирізняються низькими потенціалами іонізації, їх атоми легко віддають електрони, виявляючи ступінь окиснення +1. Це найбільш активні метали, відновні властивості у них виражені особливо різко і збільшуються зі зростанням порядкового номера елемента.
2. Натрій і Калій
Натрій і Калій – хімічні елементи І групи періодичної системи Д.І. Менделєєва, належать до підгрупи лужних металів.
Внаслідок високої хімічної активності натрій і калій зустрічаються в природі у вигляді сполук: NaCl – кухонна сіль, Na2SO4 10H2O – глаубе-рова сіль, NaNO3 – чилійська селітра, Na2B4O7 – бура. За розповсюд-женістю у літосфері Натрій посідає шосте місце серед інших елементів системи Д.І. Менделєєва. Доведена присутність його у атмосфері Сонця і космічному просторі.
Калій входить до складу мінералу сильвіну – KCl, сильвініту – KCl NaCl, карналіту – KCl MgCl2 6H2O та ін. Солі калію можна також вилучати із морської води.
Металічні натрій і калій – сріблясто-білі, м’які метали, які щоб уник-нути окиснення зберігають під шаром гасу або в атмосфері інертного газу.
Це типові метали, їм притаманні всі специфічні ознаки металів: висока електрична провідність, теплопровідність, пластичність. Натрій і калій використовують у металургії як відновники при добуванні деяких рідкіс-них металів:
4Na + TiCl4 Ti + 4NaCl.
Одержують їх електролітичним відновленням розплавлених солей або відповідних гідроксидів.
Хімічні властивості Натрію і Калію обумовлені їх здатністю віддавати свій зовнішній валентний електрон і перетворюватись у позитивно заряд-жений іон:
Me0 –1e- Me+1.
Цим пояснюється їх дуже велика реакційна здатність по відношенню до електронегативних елементів і багатьох складних речовин, що містять ці елементи. Вони енергійно реагують із киснем з утворенням оксидів:
4Me + O2 2Me2O.
При взаємодії натрію з надлишком кисню утворюється натрій перо-ксид, а калію – калій надпероксид:
2Na + O2 Na2O2.
К + О2 KO2.
При взаємодії натрій пероксиду з вуглекислим газом виділяється кисень:
Na2O2 + 2СО2 2Na2CO3 + O2.
Тому його використовують для добування кисню на підводних човнах, в ізолюючих протигазах.
Під дією вологи натрій пероксид розкладається з виділенням гідроген пероксиду:
Na2O2 + 2H2O H2O2 + 2NaOH.
При дії на КО2 води або розведених кислот, крім гідроген пероксиду, утворюється вільний кисень:
2КО2 + H2SO4 H2O2 + O2 + К2SO4.
Натрій і калій безпосередньо взаємодіють з киснем, галогенами, сіркою та фосфором. В атмосфері хлору ці метали спалахують:
2Me + Cl2 2MeCl.
При взаємодії з сіркою утворюють відповідні сульфіди; ця реакція супроводжується вибухом:
2Me + S Me2S.
Взаємодія натрію з водою відбувається бурхливо і супроводжується ви-діленням теплоти:
2Na + 2H2O 2NaOH + H2
При слабкому нагріванні натрій і калій з’єднуються з воднем з утворен-ням гідридів:
2Me + H2 2MeH.
При взаємодії цих металів з водою утворюються гідроксиди:
2Na + 2H2O 2NaOH + H2.
Оксиди лужних металів також взаємодіють з водою з утворенням гідроксидів:
Me2O + H2O 2MeOH.
Натрій гідроксид NaOH та калій гідроксид KOH – безбарвні крис-талічні речовини, добре розчинні у воді з виділенням великої кількості тепла. Розчини цих гідроксидів називають лугами. Ці речовини мають сильну роз’їдаючу дію на шкіру, тканини, деревину та інші речовини, тому їх називають їдкий натр та їдке калі.
У промисловості їх отримують електролізом водних розчинів їх хлори-дів або взаємодією розчинів відповідних карбонатів з кальцій гідроксидом (каустична сода):
2MeCl + 2H2O H2 + 2MeOH + Cl2.
MeCO3 + Ca(OH)2 2MeOH + CaCO3 .
Натрій гідроксид та калій гідроксид – кристалічні гігроскопічні речо-вини без кольору, на повітрі покриваються налітом натрій карбонату:
2МеOH + CO2 Ме2CO3 + H2O
Тому їх зберігають у герметичному посуді.
Натрій гідроксид – один із найважливіших продуктів хімічної про-мисловості. Його використовують у миловарній, текстильній, фармацев-тичній промисловості, а також у сільському господарстві.
Солі лужних металів – нітрати, галогеніди, карбонати, сульфати, фос-фати – добре розчинні у воді речовини.
Натрій хлорид NaCl – необхідна складова частина їжі, використову-ється для консервування харчових продуктів, у хімічній промисловості – для отримання натрій гідроксиду, хлору, хлоридної кислоти, соди та інших речовин.
Натрій карбонат Na2CO3 (кальцинована сода) у великих кількостях застосовується у миловареній, паперовій, хімічній, скляній та інших галу-зях промисловості.
Натрій гідрогенкарбонат NaHCO3 (питна сода) використовується у медицині та харчовій промисловості, в лабораторній практиці.
Натрій сульфат Na2SO4 використовується у виробництві соди та скла.
Натрій нітрат NaNO3 (чилійська селітра) застосовується як добри-во у сільському господарстві.
Калій сульфат K2SO4 використовується як калійне добриво для виро-щування культур, що не витримують надлишку хлоридів.
Біологічна роль Натрію. Натрій відіграє дуже важливу роль в орга-нізмі тварин і людини. Загальна масова частка його в організмі людини складає 0,25%. Натрій у вигляді натрій хлориду з концентрацією 0,9% міститься у плазмі крові, підтримуючи постійний осмотичний тиск.
Калій-іони знаходяться переважно всередині клітини, натрій-іони – в зовнішньоклітинному просторі. Такий нерівномірний розподіл іонів луж-них металів лежить в основі роботи натрієвого насосу і обумовлює наяв-ність на клітинній мембрані різниці потенціалів, яка слугує джерелом енер-гії для доставки живильних речовин у клітину.
При зміні вмісту натрій-іонів в організмі відбувається порушення серцево-судинної системи. Натрій впливає на діяльність ферментів і бере участь у регуляції водного обміну. Він має різко виражену здатність поси-лювати набухання білків.
Натрій хлорид є джерелом для утворення хлоридної кислоти у шлун-ковому соку. Буферні солі – натрій гідрогенкарбонат, натрій гідроген- та дигідрогенфосфат – підтримують кислотно-лужний стан (рН) рідких сере-довищ живих організмів.
Натрій-іони постійно виводяться із організму у вигляді солей міне-ральних (фосфатної, хлоридної) кислот, однак натрієвої недостатності у людини не спостерігається.
Реакції натрій-іона Na+.
1. Взаємодія з ураніл ацетатом UO2(CH3COО)2. На сухе предметне скло помістити краплю розчину солі Na+ й обережно випарити насухо. Поряд помістити краплю розчину ураніл ацетату UO2(CH3COО)2 в розведеній ацетатній кислоті і змішати паличкою реактив із сухим залишком.
Через 1-2 хвилини утворюються кристали натрій-ураніл-ацетату NаСН3СОО UO2 (CH3COО)2 – жовтуваті тетраедри (або октаедри), які добре видно під мікроскопом (рис. 63). Сутність цієї реакції можна вирази-ти рівнянням:
Na+ + CH3COО- + UO2(CH3COО)2 NaCH3COО UO2(CH3COО)2.
2. Взаємодія з цинк-ураніл-ацетатом. Із розчи-нів натрій ацетату, підкислених ацетатною кисло-тою, Zn(CH3COО)23UO2(CH3COО)2 осаджує зе-ленкувато-жовті тетраедри ацетату натрій-цинк-уранілу: NaCH3COOZn(CH3COО)23UO2(CH3COО)29H2O. На предметне скло помістити краплю розчину |
Рис. 63. Кристали подвійної солі аце-тату натрій-цинк-уранілу |
солі Na, випарити насухо, поряд помістити краплю реактиву і кінцем палички з’єднати із сухим залишком. Через 2-3 хвилини розглянути кристали, що утворились, під мікроскопом (рис. 63).
Реакція калій-іона К+.
Натрій гексанітрокобальтат(III) Na3[Сo(NO2)6] виділяє із розчинів солей калію жовтий кристалічний осад подвійної солі калію і натрію:
2КС1 + Na3[Сo(NO2)6] K2Na[Сo(NO2)6] + 2NaCl
або
2K+ + Na+ + [Сo(NO2)6]3- K2Na[Сo(NO2)6] .
Для виконання реакції необхідний свіжоприготовлений розчин натрій гексанітрокобальтату(III), бо при зберіганні реактив розкладається із ви-діленням іонів Co2+ із рожевим забарвленням. Порожевілий розчин реакти-ву непридатний до вживання.
До 2-3 крапель розчину солі калію додати 3 краплі реактиву і потерти скляною паличкою об стінки пробірки. Випадає жовтий кристалічний (але неаморфний!) осад.
Реакція досить чутлива, мінімальна концентрація для неї 1:13000. Можна виконувати її на годинниковому чи предметному склі. При про-веденні реакції необхідно дотримуватися таких умов. Аналізований роз-чин повинен мати рН не більше 7, оскільки в лужному середовищі реактив легко розкладається з виділенням темно-бурого аморфного осаду кобальт (ІІІ) гідроксиду:
Na3[Сo(NO2)6] + 3NaOH Co(OH)3 + 6NaNO2.
У сильнокислому середовищі утворюється дуже нестійка кислота H3[Сo(NO2)6]:
2Na3[Сo(NO2)6] + 6НС1 2H3[Сo(NO2)6] + 6NaCl,
яка в момент утворення розкладається з виділенням нітроген оксидів:
2H3[Сo(NO2)6] + 4НС1 2СоС12 + 5NO + 7NO2 + 5H2О.
Однак в ацетатній кислоті ні сам реактив, ні утворений осад не руйну-ються. Потирання скляною паличкою об стінки пробірки відвертає утворення пересиченого розчину і прискорює випадіння осаду. Із розведених розчинів він виділяється після нетривалого стояння. Присутність солей амонію заважає виконанню реакції, бо при цьому теж випадає жовтий кристалічний осад:
2NH4C1 + Na3[Сo(NO2)6] (NH4)2Na[Сo(NO2)6] + 2NaCl.
Магній-іон Mg2+, який утворює з реактивом розчинну сполуку, вияв-ленню калію не заважає. Таким чином, катіон К+ слід виявляти дією натрій гексанітрокобальтату(III) Na3[Сo(NO2)6]. У нейтральному або кислому роз-чині, який може містити Mg2+, але не містить солей амонію, вони повинні бути попередньо видалені прожарюванням.
Біологічна роль Калію. Калій необхідний живим організмам для ство-рення біоелектричних потенціалів у нервовій системі і м’язах, регулюван-ня скорочення серцевого м’яза. Він є основним внутрішньоклітинним йо-ном. Калій-іони разом із натрій-іонами утворюють систему, яка забезпечує ізотонічність клітин і навколишнього середовища. Калій необхідний для синтезу АТФ, яка є джерелом енергії для багатьох біохімічних процесів. Калій-іони беруть участь у синтезі білків, обміні вуглеводів, є складовими компонентами деяких ферментів і впливають на їх активність. При недо-ліку Калію у тварин уповільнюється ріст, знижується збудженість нервової системи.