S-Элементы IA и IIA групп

На внешнем уровне атомов s-элементов содержится у щелочных металлов

по 1 электрону, у щелочно-земельных – по 2 электрона.

Простые вещества. Радиусы атомов s-элементов в группах последовательно возрастают с увеличением порядкового номера элементов. В этом же направлении растет и способность атомов отдавать электроны. Вследствие высокой восстановительной активности s-элементы в природе встречаются в окисленной форме, а в основе их получения лежит процесс восстановления их из окисленных форм.

Физические свойства. В отличие от р-элементов атомы s-элементов характеризуются бoльшим радиусом (имеются в виду радиусы атомов элементов одного периода), малым числом внешних электронов, низкой электроотрицательностью и значительной восстановительной способностью.

Простые вещества, образованные атомами s-элементов, являются типичными металлами: их характеризуют металлический блеск, тепло- и электропроводность, пластичность.

Некоторые физические свойства простых веществ приведены ниже:

Простые вещества, образованные s-элементами I группы, кристаллизуются в объемно-центрированной кубической решетке. Они имеют небольшую плотность, мягкие, легко режутся ножом. Металлы, образованные s-элементами II группы, имеют гранецентрированную кристаллическую структуру. Это более плотная структура, поэтому металлы II группы отличаются большей плотностью, твердостью и более высокими температурами плавления.

Химические свойства. Простые вещества, образованные атомами s-элементов, энергично взаимодействуют с простыми веществами, образованными атомами р-элементов, при этом образуются соединения с ионной или ковалентной полярной связью. Так, щелочные металлы взаимодействуют с кислородом и галогенами при обычных условиях, с другими веществами – при нагревании. При взаимодействии с кислородом s-элементов I группы только литий образует нормальный оксид, остальные металлы образуют пероксиды и супероксиды:

4Li + O₂ = 2Li₂O

2Na + O₂ = Na₂O₂

K + O₂ = KO₂

2Са + О₂ = 2СаО

Са + О₂ = СаО₂

Бериллий и магний при обычных условиях образуют только оксиды.

Оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов являются ионными соединениями, легко взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:

К₂О + Н₂О = 2КОН

Оксид бериллия проявляет амфотерные свойства, с водой не взаимодействует, но реагирует с концентрированными кислотами и щелочами:

BeO + 2HCl (конц.) = BeCl₂ + H2O

BeO + 2NaOH (конц., гор.) + H₂O = Na₂[Be(OH)₄]

BeO + 2NaOH = Na₂BeO₂ + H₂O

Простые вещества, образованные атомами s-элементов, взаимодействуют со сложными веществами. Все рассматриваемые металлы взаимодействуют

а) с водой: 2Na + H₂O = 2NaOH + H₂↑

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑

б) с кислотами: Be + 2HCl = BeCl₂ + H₂↑

Нахождение в природе и получение. Многие щелочные и щелочноземельные металлы принадлежат к числу самых распространенных на Земле элементов (Ca, Na, Mg, K входят в число десяти наиболее распространенных элементов). Щелочные металлы содержатся в земной коре в виде солей– хлоридов и сульфатов, которые являются наиболее подвижными ее составными частями, так как эти соли растворимы. Они растворены в морской воде, в водах других природных источников (глауберова соль Na₂SO₄*10H₂O). В морской воде также содержится хлорид натрия. Отложения каменной соли на месте бывших морей служат источниками получения KCl, NaCl, MgCl₂. В результате выветривания горных пород в природные воды попадают ионы щелочных металлов, которые содержатся в алюмосиликатах и полевых шпатах. Щелочные и щелочно-земельные металлы получают электролизом расплавов их солей. Исходным сырьем для получения щелочных металлов служат хлориды и гидроксиды, для получения щелочно-земельных металлов – хлориды.

Из щелочных металлов наибольшее значение для живых систем имеют калий и натрий. Несмотря на большое сходство химических свойств этих элементов их биологические функции различны. Катионы калия содержатся в основном в плазме клеток, а катионы натрия – во внеклеточной жидкости. Катион калия связан с внутриклеточной активностью, а катион натрия участвует в процессах на внешней поверхности клетки и эти катионы не могут заменять друг друга. Катион калия является важным активатором более чем 60 ферментов внутри клетки. Катион натрия не действует на К⁺-зависимые ферменты и наоборот. Содержащийся в клетке калий играет большую роль в стабилизации рибонуклеиновых кислот и контролируемых ими синтетических систем клетки. Определенная концентрация калия в клетках растений необходима для активизации синтеза углеводов, усвоения нитратов и синтеза белков.

Разность концентраций калия и натрия внутри и вне клетки возникает в результате избирательной проницаемости клеточной мембраны по отношению к катионам К⁺ и Na⁺. Перенос ионов через мембрану осуществляется двумя способами: 1) облегченной диффузией, 2) активным транспортом.

Облегченная диффузия – это движение ионов из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Облегченная диффузия ионов сквозь клеточную мембрану происходит через образованные ионофорами каналы, которые пронизывают мембрану насквозь. Эти каналы снабжены молекулярными затворными механизмами, способными различать катионы и контролировать их вход.

Активный транспорт ионов осуществляется из области с меньшей концентрацией ионов в область, где их концентрация выше, за счет энергии гидролиза аденозинтрифосфата. Активный транспорт осуществляет так называемый натриевый насос.

Одновременное действие облегченной диффузии и активного транспорта катионов позволяет поддерживать постоянный состав внутриклеточного раствора. Организм человека содержит 0, 2% калия и 0, 14% натрия. Суточная потребность человеческого организма в калии восполняется за счет сельскохозяйственных продуктов растительного и животного происхождения, а потребность в натрии – за счет поваренной соли (хлорида натрия).

Из s²-элементов магний и кальций относятся к числу биогенных макроэлементов. Физиологические функции катионов Mg²⁺ и Са²⁺ основаны на их свойствах образовывать комплексные соединения с различными биолигандами.

Средние по прочности и лабильные координационные связи позволяют катионам Mg²⁺ и Са²⁺ изменять пространственное расположение О- и N-донорных групп биолигандов и тем самым переводить эти вещества в состояние, обеспечивающее протекание важнейших биохимических процессов. Обладая различными координационными возможностями, катионы Mg²⁺ и Са²⁺ играют разную роль в живой клетке. Mg^2+, обладающий меньшим радиусом, образует более компактную и почти всегда октаэдрическую координационную сферу. Белки часто проявляют недостаточную конформационную гибкость и не могут насытить все шесть коодинационных позиций Mg²⁺ своими донорными группами. Катион Са²⁺ крупнее и может координировать не только шесть, но и семь и даже восемь донорных атомов белков, от молекул которых поэтому требуется меньшая пластичность.

В биохимии растений особую роль играет комплексное соединение магния – хлорофилл. Хлорофилл – важнейшая часть фотосинтетического аппарата растительной клетки. При недостатке магния в почве у растений возникает эндемическое заболевание – хлороз. Катион магния активирует ферменты, участвующие в переносе фосфатных групп, синтезе и распаде АТФ, превращении многих витаминов, в частности витамина В6, в активные коферменты. Магний чрезвычайно важен для нормального функционирования нервной системы. Одна из его важнейших функций – торможение процессов возбуждения в коре головного мозга. Дефицит магния снижает устойчивость организмов к инфекциям, стрессовым ситуациям и острым нарушениям мозгового кровообращения.

С обменом кальция в организмах человека и животных связано функционирование многочисленных белков и ферментов. Наличие кальция в достаточных концентрациях необходимо для нормального свертывания крови, регуляции мембранного потенциала клеток и тонуса сосудов. Нарушение баланса кальция в организме приводят к многочисленным заболеваниям. Замедление поступления кальция в костную ткань вызывает деформацию костей в взрослых и рахит у детей. Плохая растворимость солей кальция может приводить к обызвествлению стенок кровеносных сосудов, к образованию камней в почках.

Малорастворимые соли кальция играют роль конструкционного материала в организмах растений и животных. Мельчайшие кристаллы гидроксилапатита Са₅(РО₄)₃ОН – неорганические компоненты скелета позвоночных. Минеральной

основой клеточных стенок растений, панцирей моллюсков, скорлупы яиц служит карбонат кальция СаСО₃

d – ЭЛЕМЕНТЫ

При изучении данной темы необходимо усвоить следующие понятия. Положение d-элементов в периодической системе. Особенности электронных конфигураций и диапазон степеней окисления атомов переходных металлов. Горизонтальная аналогия. Специфика изменения свойств переходных элементов и их соединений с увеличением зарядов ядер атомов в пределах периодов и побочных подгрупп. Отличия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп, их объяснение с позиций строения атомов.

Общая характеристика простых веществ. Нахождение в природе, физические и химические свойства, получение. Применение металлов и их сплавов.

Оксиды и гидроксиды переходных металлов. Зависимость кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов (на примере соединений хрома, марганца).

Комплексные соединения d-элементов. Важнейшие комплексообразователи. Природные комплексы d-элементов. Физиологическое действие соединений меди, цинка, кадмия, ртути. Биологические функции железа, кобальта, никеля.

Бактерицидное действие серебра. Микроэлементы питания растений. К d-блоку относятся 32 элемента периодической системы. d – Элементы входят в 4-7 большие периоды. У атомов 3Б-группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б-группах происходит заполнение d-подуровня до 10 электронов. Строение внешних электронных оболочек атомов d-блока описывается общей формулой (n-1)dansb, где a = 1-10, b = 1-2. Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов. Такое относительно медленное изменение радиусов объясняется так называемым d-сжатием вследствие проникновения ns-электронов под d-электронный слой. В результате наблюдается незначительное изменение атомных и химических свойств d-элементов с увеличением атомного номера. Сходство химических свойств проявляется в характерной особенности d-элементов образовывать комплексные соединения с разнообразными лигандами.

Важным свойством d-элементов является переменная валентность и, соответственно, разнообразие степеней окисления. Эта особенность связана главным образом с незавершенностью предвнешнего d-электронного подуровня

(кроме элементов 1Б- и 2Б-групп). Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов. В низших степенях окисления d-элементы проявляют восстановительные свойства. С увеличением атомного номера в группах окислительные свойства усиливаются, металлические –уменьшаются, энергия ионизации увеличивается.

В растворах кислородсодержащие анионы d-элементов с высшей степенью окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. Катионные формы

низших степеней окисления характеризуются основными и восстановительными свойствами. В промежуточной степени окисления d-элементы проявляют амфотерные свойства. Эти закономерности можно проследить на примере соединений молибдена:

МоО Мо2О3 МоО3

основной амфотерный кислотный

оксид оксид оксид

В периоде с увеличением заряда ядра наблюдается уменьшение устойчивости соединений элементов в высших степенях окисления. Параллельно возрастают окислительно-восстановительные потенциалы этих соединений. Наибольшая окислительная способность наблюдается у феррат-иона (FeO₄^2-) и перманганат-иона (MnO₄^-). У d-элементов при нарастании относительной электроотрицательности усиливаются кислотные и неметаллические свойства. С увеличением устойчивости соединений при движении сверху вниз в Б группах одновременно уменьшаются их окислительные свойства.

Высокие комплексообразующие способности d-элементов объясняются возможностями их быть как донорами, так и акцепторами электронных пар. Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организме они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов. Элементы Zn, Fe, Co, Mo, Cu – жизненно необходимы, входят в состав металлоферментов. Они катализируют реакции, которые можно разделить на три группы:

1. Кислотно-основные взаимодействия. Участвует ион цинка, входящий в состав фермента карбоангидразы, катализирующего обратимую гидратацию СО₂ в биосистемах.

2. Окислительно-восстановительные взаимодействия. Участвуют ионы Fe, Co, Cr, Mo. Железо входит в состав цитохрома, в ходе процесса происходит перенос электрона:

Fe³⁺ → Fe²⁺ + ē

3. Перенос кислорода. Участвуют Fe, Cu. Железо входит в состав гемоглобина, медь – в состав гемоцианина.