Биологическая роль натрия, калия, кальция и магния
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ S-БЛОКА
К s-элементам относятся две группы Периодической системы: IА и IIА.
В группу IА входят 8 элементов: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, франций, водород, гелий. В группу IIА входят 6 элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий.
Общим является застраивание в их атомах электронами s-подуровня внешнего энергетического уровня.
СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ IА И IIА (КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ) НА ПРИМЕРЕ Na, K И Mg, Ca
Общая характеристика элементов IА и IIА
Элементные вещества - типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью и теплоповодимостью, химически весьма активны.
Как следует из электронных формул, элементы IА группы (Na, K) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s электрону. Элементы IIА группы (Mg, Ca) по 2 s электрона.
Химические свойства s элементов IА и IIА групп сходны.
s-элементы IА и IIА имеют относительно большие радиусы атомов и ионов.
s-элементы IА и IIА групп легко отдают валентные электроны. Являются сильными восстановителями. С ростом радиуса атома в группах IА и IIА ослабевает связь валентных электронов с ядром, следовательно s-элементы этих групп имеют низкие значения Еи и Еср. к ẽ. Все щелочные и щелочноземельные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Что также характеризует их, как сильных восстановителей. Восстановительные свойства возрастают закономерно с увеличением радиуса атома. Восстановительная способность увеличивается по группе сверху вниз.
|
|
|
Для элементов IIА группы характерна большая, чем для элементов IА группы способность к комплексообразованию.
s-элементы IА и IIА образуют соединения с ионным типом связи.
Исключение составляет водород, для которого в соединениях даже с самыми электроотрицательными элементами характерна преимущественно ковалентная связь (например, фтороводород или вода). Частично ковалентный характер связи в соединениях имеет место у лития, бериллия и магния.
Сравнение свойств элементов IА и IIА (комплексообразование, образование осадков) на примере Na, K и Mg, Ca
Атомы элементов IА группы имеют по одному валентному электрону на s подуровне внешнего энергетического уровня. Это обуславливает проявление степени окисления +1.
Все элементы IА группы сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только внешней, валентной оболочки, но и предвнешней (исключение литий).
С ростом радиуса атома в группе IА ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, уменьшается энергия ионизации атомов. Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то энергия ионизации калия меньше, чем у натрия.
|
|
|
В результате ионизации образуются катионы Э+, имеющие устойчивую конфигурацию благородных газов.
Химическая активность металлов IА группы возрастает закономерно с увеличением радиуса атома и уменьшением их способности к гидратированию (чем меньше способность к гидратированию, тем активнее металл).
Так как радиус атома калия больше, чем радиус атома натрия, то способность к гидратации для катиона калия будет ниже, чем для катиона натрия, а, следовательно, химическая активность катиона калия выше, чем у катиона натрия.
Вследствие незначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура, большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочных металлов малохарактерно. Вместе с тем, они способны образовывать комплексные соединения с некоторыми биолигандами (КЧ для натрия и калия может принимать значения 4 и 6). Способность образовывать донорно-акцепторные связи с соответствующими лигандами едва намечается у натрия. У калия имеется значительная тенденция к использованию имеющихся в атоме вакантных d-орбиталей.
|
|
|
Например, образование комплексов калия с антибиотиком валиномицином. Валиномицин образует с калием прочные комплексы, связывание этого антибиотика с натрием очень незначительно.
Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение составляют некоторые соли лития).
Атомы элементов IIА группы имеют по два валентных электрона на s подуровне внешнего энергетического уровня.
В нормальном состоянии у атомов этих элементов нет неспаренных электронов, но при переходе атомов в возбужденное состояние один из s валентных электронов переходит на р-подуровень. Это обуславливает проявление степени окисления +2.
Степени окисления больше +2 элементы IIА группы не проявляют.
Несмотря на то, что число валентных s электронов у атомов IIА группы одинаково, свойства магния и кальция отличаются друг от друга.
Это связанно с тем, что в атоме кальция, в отличие от атома магния, имеются свободные d-орбитали, близкие по энергии к ns орбиталям.
Магний и кальций существенно различаются размерами атомов и ионов:
· металлический радиус атома Mg = 160 пм;
· металлический радиус атома Ca = 197 пм.
· кристаллический радиус иона Mg2+ = 74 пм;
|
|
|
· кристаллический радиус иона Ca2+ = 104 пм..
Больший размер иона кальция обусловливает и более высокое координационное число этого иона – КЧ (Ca2+) 6, 8, тогда как КЧ (Mg2+) – 6. Прочность комплексных соединений уменьшается по мере увеличения радиуса атома, следовательно, комплексные соединения магния будут более прочными, чем комплексные соединения кальция. Ион Mg2+ образует шестикоординационные соединения регулярной структуры. Ca2+образует несимметричные комплексы. Кальций предпочтительно координируется с атомами кислорода, магний – с атомами азота.
Многие соли щелочноземельных металлов малорастворимы в воде (малорастворимы CaF2, MgF2; практически не растворимы фосфаты кальция и магния). Причем с ростом порядкового номера растворимость солей снижается.
Такой характер изменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действии катионов этой группы. Уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната по сравнению с фосфатами и карбонатами магния является, по видимому, одной из причин формирования скелета всех живых организмов именно из этих соединений кальция.
В живых организмах из ионов кальция и фосфат-ионов образовался кристаллический минерал ГИДРОКСИЛАПАТИТ – Ca10(PO4)6(OH)2 – основное вещество костной и зубной ткани. Магний является макроэлементом, но лучшая растворимость магния фосфата Mg3(PO4)2 и основного карбоната Mg(OH)2)*4MgCO3*H2O объясняет тот факт, что его соединения не сыграли значительной роли в построении скелета.
Биологическая роль натрия, калия, кальция и магния
Вследствие очень легкой окисляемости щелочные металлы встречаются в природе исключительно в виде соединений.
По содержанию в организме человека натрий (0,08%) и калий (0,23%) относятся к макроэлементам, литий, рубидий и цезий – к микроэлементам.
Натрий и калий относятся к жизненно необходимым элементам, постоянно содержатся в организме, участвуют в обмене веществ.
Натрий
Содержание натрия в организме человека массой 70 кг – около 60 г: 44% - во внеклеточной жидкости, 9% - во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани – место депонирования иона Na+ в организме.
В организме человека натрий находится в виде его растворимых солей: хлорида, фосфата, гидрокарбоната.
Распределен по всему организму:
в сыворотке крови,
в спинномозговой жидкости,
в глазной жидкости,
в пищеварительных соках,
в желчи,
в почках,
в коже,
в костной ткани,
в легких,
в мозге.
Натрий является основным внеклеточным ионом. Концентрация ионов Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости.
Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости (осмотического гомеостаза).
В виде противоионов в соединениях с фосфорной кислотой (Na2HPO4 + NaH2PO4) органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма.
Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов.
Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ионы натрия участвуют в передаче нервных импульсов. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой систем, гладких и скелетных мышц.
Натрия хлорид NaCl – основной источник соляной кислоты для желудочного сока.
Ионы натрия принимают участие в формировании разности потенциалов на мембране.
Препараты натрия, применяемые в медицине
Изотонический раствор – NaCl (0,9%) – для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикацях. Также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки глаза, также для растворения различных ЛП.
Гипертонические растворы - NaCl (3-5-10%) – применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. По закону осмоса применение таких компрессов способствует отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие).
2-5% р-р NaCl назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNO3.
Ag+(р) + Cl¯(р) → AgCl(т)
Натрия гидрокарбонат NaHCO3 используют при заболеваниях, сопровождающихся ацидозом.
Механизм
NaHCO3 + RCOOH → H2O + CO2 + RCOONa
RCOONa натриевые соли органических кислот в значительной мере выводятся с мочой, CO2 – покидает организм с выдыхаемым воздухом.
NaHCO3 также используют при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.
NaHCO3 + HCl → H2O + NaCl + CO2
Имеет ряд побочных эффектов.
NaHCO3 применяют в виде полосканий, промывания при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. В результате гидролиза NaHCO3 водный раствор имеет слабощелочные свойства. При воздействии щелочи на микробные клетки происходит их гибель.
NaHCO3 + H2O → NaOH + CO2 + H2O
Натрия сульфат Na2 SO4*10 H2 O – применяют в качестве слабительного средства. Соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются и каловые массы быстрее выводятся.
Натрия тетраборат Na2 B4 O7*10 H2 O – применяется наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие аналогично NaHCO3, связано со щелочной реакцией среды в результате гидролиза.
Na2B4O7 + 7H2O → 2NaOH + 4H3BO3
Радиоактивный изотоп 24 Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, используют для лечения некоторых форм лейкемии.
Калий
Содержание калия в организме человека массой 70 кг – около 160 г.: 2% - во внеклеточной жидкости, 98% - во внутриклеточной.
В организме человека калий находится:
в крови,
в почках,
в сердце,
в костной ткани,
в сердце,
в мозге.
Калий является основным внутриклеточным ионом. Концентрация ионов К+ внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости.Ионы калия играют важную роль в физиологических процессах – сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Являются важными активаторами внутриклеточных ферментов.
Действие Na+, К+-АТФазы и возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах
Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного состава внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Концентрация ионов К+ внутри клетки примерно в 35 раз больше, чем во внеклеточной жидкости, концентрация ионов Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Чтобы поддерживать такое распределение ионы калия должны перемещаться из внешней среды внутрь клетки, а ионы натрия – наоборот, поступать из клетки во внеклеточное пространство. Т.е. должен осуществляться перенос ионов из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией. Самопроизвольно такой процесс протекать не может. Нормальное распределение ионов натрия и калия обеспечивается работой натрий-калиевых насосов. Работа этих насосов по переносу ионов против градиента концентрации и по поддержанию этого градиента требует большой затраты энергии, следовательно, сопровождается макроэргической реакцией гидролиза АТФ.
За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Na+ выводятся из клетки, а два иона К+ - поступают в клетку. В итоге на мембране клетки возникает разность потенциалов: наружная поверхность мембраны заряжается положительно, а внутренняя – отрицательно.
Магний
Формально относится к макроэлементам. Общее содержание в организме 0,027% (около 20 г). В наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается в
поджелудочной железе,
скелетных мышцах,
почках,
мозге,
печени и сердце.
Является внутриклеточным катионом. Концентрация ионов Mg2+ внутри клеток примерно в 2,5-3 раза выше, чем во внеклеточной жидкости.
Во внутриклеточной жидкости АТФ и АДФ присутствуют, в основном, в виде комплексов MgАТФ 2- и MgАДФ2-.
Во многих ферментативных реакциях активной формой АТФ является комплекс MgАТФ 2-.
Препараты магния, применяемые в медицине
MgO магния оксид – применяют в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока.
MgO + HCl → H2O + MgCl2
MgCl2 – обладает легким послябляющим эффектом.
MgO магния оксид (85%) и магния пероксид MgO2 (15%) "магний перекись". Применяют при кишечных расстройствах.
MgSO4*7 H2 O магния сульфат (горькая соль) – в зависимости от дозы может обладать седативным, снотворным или наркотическим эффектом. Применяют и как слабительное.
В качестве адсорбирующего и обволакивающего средства применяют тальк силикатное производное Mg2+ - 2 MgSiO3* Mg(HSiO3)2.
Кальций
Относится к макроэлементам. Общее содержание в организме – 1,4%.
Содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса – в костной и зубной тканях. В костях и зубах взрослого человека около 1 г кальция находится в виде нерастворимого кристаллического минерала ГИДРОКСИЛАПАТИТА – Ca10( PO4)6( OH)2. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы, механизмах свертывания крови.
Препараты кальция, применяемые в медицине
Кальция хлорид CaCl2 – при отравлении солями магния, также оксалат- и фторид- ионами. Применение препарата в первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния в организме, во втором – на образовании нетоксичных малорастворимых соединений.
Кальция карбонат CaCO3 – обладает антацидным и адсорбирующим действием, назначают внутрь при повышенной кислотности желудочного сока.
Кальция сульфат CaSO4*1/2 H2 O – жженый гипс. Применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 3290; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!