ХИМИЯ БИОГЕННЫХS-, P- и D-ЭЛЕМЕНТОВ. ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

 

В настоящее время известно 110 химических элементов, большинство из них встречается в природе, некоторые получены искусственно (с помощью ядерных реакций).С точки зрения строения атома химические элементы делятся на s-, p-, d-, f- семейства. У s-элементов последний электрон заполняет s-орбиталь внешнего электронного слоя, у р-элементов – р-орбиталь внешнего электронного слоя. Элементы d-семейства (d-элементы) – это элементы, у которых последний электрон заполняет d-орбитальпредвнешнего электронного слоя (2-го снаружи слоя). К ним относятся элементы, находящиеся в середине больших периодов (между s- и р-элементами). Их называют также переходными элементами. Так как d-орбиталей пять, и на каждой может быть по два электрона, то всего на d-подуровне может быть 10 электронов. Им соответствуют 10 d-элементов. Например, в IV периоде к d-элементам относятся элемента от Sc (№21) до Zn (№30) включительно.d-Элементы находятся в побочных подгруппах периодической системы, все они металлы. На внешнем электронном слое у большинства из них находятся по 2 электрона. Если наблюдается «провал» («проскок») электрона с s-орбитали внешнего слоя на d-орбитальпредвнешнего слоя, то на внешнем слое остается 1 электрон, как например, у Cr и Сu (элементов IV периода). Таким образом, на внешнем электронном слое у них мало электронов, они их легко отдают и являются металлами.Валентными электронами у них могут быть не только электроны внешнего слоя (ns-электроны), но и предвнешнего слоя ((n–1)d-электроны). Поэтому подавляющее большинство из них проявляет переменную валентность.

Человек – составная часть природы. В живых организмах, в том числе и в организме человека, можно обнаружить почти все те же химические элементы, которые есть в земной коре и морской воде, только в иных количествах.В результате естественного отбора основу живых систем составляют 6 элементов: C, H, O, N, P, S, получивших название органогенов. Эти элементы составляют в организме 97,4% и являются основой органических соединений. Для органогенов характерно образование водорастворимых соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах.

Существуют различные классификации химических элементов, находящихся в организме человека. По содержанию их разделяют на следующие группы.

1. Макроэлементы – это элементы, содержание которых в организме выше 10^-2%. К ним относятся О (62), С (21), Н (10), N (3), Ca (2), P (1), K (0.23), S (0.16), Cl (0.1), Nа (0.08), Mg (0.027). В скобках указана массовая доля элементов в %.

2. Микроэлементы – это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10^-3% и ниже. К ним относятся: йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт и другие. Иногда выделяют ультрамикроэлементы – это элементы, содержание которых в организме ниже 10^-5%. К ним относятся: ртуть, золото, уран, торий, радий и др. Но в настоящее время их объединяют с микроэлементами в одну группу. Основателем этой классификации является В.И.Вернадский.

В.В.Ковальский, исходя из значимости элементов для жизнедеятельности, подразделил их на три группы.

1. Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Их дефицит приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.

2. Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.

3. Примесные элементы (Sc, Tl, Jn, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др.). Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены.

Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток и организмов, называют биогенными элементами. Точно перечислить все биогенные элементы в настоящее время еще невозможно из-за сложности определения очень низких концентраций микроэлементов и установления их биологических функций. Для 24 элементов биогенностьустановлена надежно. Это элементы 1-ой и некоторые элементы 2-ой группы по Ковальскому.

Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, т.е. они неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Данные по распределению (топографии) некоторых макро- и микроэлементов в организме человека представлены на рис. 2.1.

Десять металлов, жизненно необходимых для живого организма, получили название «металлы жизни». К ним относятсяCa, K, Na, Mg, Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co (расположены в порядке уменьшения их содержания).

Биологическая роль химических элементов в организме человека разнообразна. Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей, поддержании постоянства осмотического давления, ионного и кислотно-основного состава. Микроэлементы участвуют в обмене веществ, процессах размножения, тканевом дыхании, обезвреживании токсичных веществ, влияют на процессы кроветворения, окисления-восстановления, проницаемость сосудов и тканей.

Рис. 2.1. Концентрирование некоторых химических элементов в органах, тканях и биожидкостях человека

 

Необходимо знать, что для организма вреден не только недостаток, но и избыток биогенных элементов, так как при этом нарушается химический гомеостаз. Например, избыток Zn в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм Zn и Fe). На рис. 2.2 представлена кривая зависимости реакции организма от концентрации веществ в пище. Ряд элементов (Hg, Pb, Cd, и др.) считаются токсичными, так как попадание их в организм уже в микроколичествах приводит к тяжелой патологии.

 

Рис. 2.2. Кривая зависимости реакции организма от концентрации веществ в пище

 

Различные элементы и их соединения широко используются в медицинской практике при оказании помощи, в качестве лекарственных средств. Например, для приготовления антисептической повязки при термических ожогах используется 2%-ный водный раствор NaHCO₃; для нейтрализации места ожога кислотами после длительного промывания его проточной водой используется 3%-ный раствор NaHCO₃, 0,9%-ный раствор NaCl называется физиологическим раствором и т.д.

В результате производственной и хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение окружающей среды промышленными отходящими газами, сточными водами, твердыми отходами и т.д. Санитарная охрана окружающей среды предусматривает соблюдение предельных нормативов содержания загрязнителей в воздухе, в воде и в почве, называемых предельно допустимыми концентрациями (ПДК). ПДК – это максимальная концентрация вредного вещества в окружающей среде, практически не влияющая отрицательно на живые организмы, в том числе и на человека. Например, ПДК меди в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 1,0 мг/л, в почве 3,0 мг/кг (подвижные соединения).

Наряду с заболеваниями, вызванными загрязнением окружающей среды, существуют заболевания, связанные с аномальным содержанием некоторых элементов в почве, водоемах той или иной географической зоны. Такие заболевания называются эндемическими. Например, в Белгородской области обнаружен дефицит йода, избыток кальция, много железа, особенно в районах добычи железной руды.

Биогенные s - и р-элементы

К s-элементам относятся первые два элемента каждого периода. Электронная формула внешнего слоя ns¹–ns². К ним относятся элементы главной подгруппы I группы (IА группы) – водород, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а также элементы главной подгруппы II группы (IIA группы) – Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, и элемент VIIIА благородный газ гелий Не. Некоторые из них относятся к макроэлементам (H, Na, K, Ca, Mg), другие – к микроэлементам (например, Sr, Ba, Ra). Первые пять элементов являются жизненно необходимыми (незаменимыми), биогенными элементами. Остальные s-элементы (Li, Rb, Cs, Fr, Be, Sr, Ba, Ra) являются примесными элементами.

К р-элементам относятся последние 6 элементов II–VI периодов (VII период не завершен). Электронная формула внешнего слоя этих элементов np¹–np⁶. Это элементы главных подгрупп III–VIII групп (кроме гелия, он s-элемент). Из них к макроэлементам относятся O, C, N, P, S, Cl, они же являются жизненно необходимыми биогенными элементами. Большинство р-элементов относятся к примесным микроэлементам. Из микроэлементов только йод (I) относится к числу незаменимых биогенных элементов. Фтор (F) также можно считать элементом, необходимым для нормального функционирования живых организмов. Некоторые исследователи относят и селен (Se) к жизненно необходимым элементам.

Группа IA (водород)

Пероксид водорода – это соединение водорода, элемента IА группы, который относится к s-семейству. Пероксид водорода является важным побочным продуктом метаболизма. Обычно в митохондриях идет восстановление О₂ до Н₂О:

О₂⁰ + 4 Н⁺ + 4е = 2Н₂О^-2.

При неполном восстановлении кислорода образуется пероксид водорода:

О₂⁰ + 2Н⁺ + 2е = Н₂О₂^-1.

Пероксид водорода, как промежуточный продукт восстановления кислорода, очень токсичен для клетки. Токсичность связана с тем, что Н₂О₂ взаимодействует с липидным слоем клеточных мембран и выводит их из строя.

Аэробные клетки могут защитить себя от вредного действия пероксида водорода с помощью фермента каталазы, под действием которой Н₂О₂ превращается в воду и кислород:

2Н₂О₂  2Н₂О + О₂.

Освободившийся кислород принимает участие в дальнейших процессах биологического окисления.

Аналогичное разложение пероксида водорода можно осуществить в лабораторных условиях под действием MnO₂ в качестве катализатора.

2Н₂О₂  2Н₂О + О₂.

В медицинской практике пероксид водорода применяют в основном как наружное бактерицидное средство. Действие Н₂О₂ основано на окислительной способности пероксида водорода и безвредности продукта его восстановления – воды. При обработке ран выделяющийся кислород играет двоякую роль. Во-первых, он оказывает противомикробное, дезодорирующее и депигментирующее действие, убивая микробные тела. Во-вторых, образует пену, способствуя переходу частиц тканевого распада во взвешенное состояние и очищению ран.

В качестве фармакопейного препарата используется 3%-ный водный раствор пероксида водорода. 6%-ный раствор Н₂О₂ применяют для обесцвечивания волос. В виде 30%-ного раствора Н₂О₂ применяют при лечении бородавчатых форм красного плоского лишая и для удаления юношеских бородавок.

Группа IA и II А

Металлы IA и IIA группы относятся к s-семейству.

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃ используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью - ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NaHCO₃ с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углекислый газ, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NaHCO ₃ (р) + RCOOH (р) ® RCOONa (р) + Н₂О(ж) + СО₂(г)

Используют NaHCO₃ и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме NaHCO₃ протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NaHCO ₃ (р) + HCl (р) = NaCl (р) + Н₂О(ж) + СО₂(г)

желудоч. сок

Следует иметь в виду, что применение NaHCO₃ вызывает ряд побочных эффектов. Выделяющийся при реакции диоксид углерода раздражает рецепторы слизистой оболочки желудка и вызывает вторичное усиление секреции, кроме того, он может способствовать перфорации стенки желудка при язвенной болезни. Слишком большая доза NaHCO₃ в результате гидролиза приводит к алкалозу, что не менее вредно, чем ацидоз.

Среди оксидов элементов IIА-группы в качестве лекарственного препарата применяют оксид магния MgO. Основные свойства оксида магния и его нерастворимость в воде обуславливают его применение в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока:

MgO (тв.) + 2 HCl (желудоч. сок) = MgCl ₂ (р) + Н₂О(ж)

Оксид магния имеет преимущество перед гидрокарбонатом натрия, так как при взаимодействии MgO с кислотой желудочного сока не происходит выделение диоксида углерода. Поэтому при действии оксида магния не наблюдается гиперсекреции. Образующийся при реакции хлорид магния переходит в кишечник, оказывает легкий послабляющий эффект, обусловленный осмотическим действием.

Антацидным и адсорбирующим действием обладает карбонат кальция СаСО₃. Его назначают внутрь при повышенной кислотности желудка, так как он нейтрализует соляную кислоту:

СаСО₃(тв.) + 2 HCl (желудоч. сок) = CaCl ₂ (р) + Н₂О(ж) + СО₂(г).

 

Жесткость воды

Растворимые соли Са и Mgобуславливают важное свойство природной воды, называемое жесткостью(суммарное содержание солей кальция и магния). Определение жесткости воды имеет большое практическое значение и широкое применение в лабораторной практике различных производств. При стирке белья жесткая вода ухудшает качество тканей и требует повышенной затраты мыла, которое расходуется на связывание катионов Са²⁺ и Mg²⁺:

2С₁₇Н₃₅СОО^– + Са²⁺ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Са ¯

2С₁₇Н₃₅СОО^– + Mg ²⁺ = (С₁₇Н₃₅СОО)₂Mg ¯ .

Пена образуется лишь после полного осаждения этих катионов. Правда, некоторые синтетические моющие средства хорошо моют и в жесткой воде, так как их кальциевые и магниевые соли легко растворяются. В жесткой воде плохо развариваются овощи. Очень плохо заваривается чай, и вкус его теряется. В то же время в санитарно-гигиеническом отношении эти катионы не представляют опасности, хотя при большом содержании катионов магния Mg²⁺ (как в море или океане) вода горьковата на вкус и оказывает послабляющее действие на кишечник человека. Однако использование жесткой воды в качестве питьевой способствует возникновению мочекаменной и желчекаменной болезней (образованию камней).

Различают жесткость временную (или устранимую) и постоянную. Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбонатовCa(HCO₃)₂, реже Mg(HCO₃)₂ и иногда Fe(HCO₃)₂. Постоянная жесткость обусловлена присутствием других растворимых солей этих металлов (хлоридов, сульфатов и др.).

При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются с образованием труднорастворимых соединений, выпадающих в осадок, и жесткость уменьшается.

Ca(HCO₃)₂ ® CaCO₃ ¯ + H₂O + CO₂ ­

Ca²⁺ + 2HCO₃^- ® CaCO₃ ¯ + H₂O + CO₂ ­

2Mg(HCO₃)₂ ® (MgOH)₂CO₃ ¯ + H₂O + 3 CO₂ ­

2Mg²⁺ + 2HCO₃^2- ® (MgOH)₂CO₃ ¯ + H₂O + 3 CO₂ ­.

Сохраняющаяся после кипячения воды жесткость, называется постоянной (некарбонатной).

В соответствии с ГОСТ 6055-86 по значению общей жесткости (ммоль/л) различают воду: очень мягкую <1,5, мягкую 1,5–3,0, средней жесткости 3,0–6,0, жесткую 6,0–9,0, очень жесткую > 9,0.

Жесткость воды хозяйственно-питьевых водопроводов не должна превышать 7 ммоль/л.

Для определения жесткости воды применяют титриметрический метод (см. лабораторную работу №1).

В даннойработе методом кислотно-основного титрования (метод нейтрализации) определяется временная (гидрокарбонатная) жесткость воды. Гидрокарбонаты кальция и магния титруют соляной кислотой в присутствии индикатора.

Ca ( HCO ₃ )₂ + 2 Н Cl ® CaCl ₂ + 2 H ₂ O +2 CO ₂

HCO ₃ ^– + Н⁺ ® H ₂ O + CO ₂

 

Группа IIIA (алюминий)

По содержанию в организме человека алюминий относится к примесным микроэлементам (10^–5 %). Известно, что алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костной ткани, на обмен фосфора. Катион Al³⁺ способен замещать ионы Ca²⁺  и Mg²⁺, влияя тем самым на протекание ферментативных процессов. Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина, так как благодаря довольно высокой способности к комплексообразованию ионы алюминия блокируют активные центры ферментов, участвующих в кроветворении.

Алюминий – амфотерный металл, растворяется в растворах кислот и в щелочах. Амфотерными свойствами обладают оксид (Al₂O₃) и гидроксид алюминия (Al(OH)₃).

Соли алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде, за исключением фосфата алюминия AlPO₄. Это следует учитывать при назначении препаратов алюминия, в частности гидроксида алюминия при повышенной кислотности желудка. В желудке гидроксид алюминия нейтрализует соляную кислоту

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + 3H⁺ = Al³⁺ + 3H₂O

Перешедшие в раствор ионы алюминия в кишечнике переходят в малорастворимую форму – фосфат алюминия, который выводится из организма. Таким образом, в присутствии ионов алюминия уменьшается усвоение фосфора.

В медицинской практике также находят применение алюмокалиевые квасцы (KAl(SO₄)₂∙12H₂O) и жженые квасцы (KAl(SO₄)₂). Эти соединения используются для наружного применения для полосканий, промываний, примочек при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых, как кровоостанавливающее средство при порезах. Фармакологическое действие солей алюминия основано на том, что ионы Al³⁺ образуют с белками комплексы, выпадающие в виде гелей, что приводит к гибели микробных клеток.

Группа VA (азот)

Опыт 6. Получение и свойства аммиака                        

Азот (N) – элемент VА группы (р-элемент). Из соединений азота, в которых он проявляет степень окисления –3, наибольший интерес для медиков и биологов представляет аммиак NH₃ и его производные – соли аммония и аминокислоты. Аммиак NH₃ в организме человека является одним из продуктов метаболизма аминокислот и белков.

Причина токсического действия аммиака на мозг до конца не выяснена. В крови при рН = 7,4 аммиак почти полностью находится в виде ионов аммония. Ионы NH₄⁺, несмотря на то, что они в крови находятся в большом избытке, не могут проникать через клеточные мембраны, в то время как нейтральные молекулы NH₃ легко проходят и могут воздействовать на мозг.

NH₃ – бесцветный газ с резким запахом, очень хорошо растворим в воде: в 1 объеме воды при 20°С растворяется около 700 объемов аммиака (растворимость 31 моль/л). В концентрированном водном растворе массовая доля аммиака составляет 25%. В медицинской практике применяют 10%-ный раствор аммиака (нашатырный спирт) для выведения из обморочного состояния. При вдыхании аммиак оказывает возбуждающее влияние на дыхательный центр. При больших дозах наступает удушье.

Группа VIA (кислород)

Кислород – важнейший биогенный элемент, находится в VIА группе (р-элемент).

В атмосфере Земли содержится около 21% кислорода (по объему). В промышленности кислород получают из жидкого воздуха путем ректификации – дробной перегонки, основанной на различии температур кипения кислорода (–183°С) и азота (–195,8°С). В лабораториях пользуются кислородом промышленного производства, поставляемым в стальных баллонах под давлением 15 МПа. Лабораторным способом его получения служит электролиз водных растворов щелочей. Небольшие количества О₂ можно получать взаимодействием раствора KMnO₄с подкисленным раствором Н₂О₂ (см. опыт 4.2 в работе 8) или термическим разложением некоторых кислородсодержащих веществ, например, перманганата калия:

2 KMnO ₄ = K ₂ MnO ₄ + MnO ₂ + O ₂ ­ .

Велика биологическая роль кислорода. Элемент кислород входит в состав всех жизненно важных органических веществ – белков, жиров, углеводов. Без О₂ невозможны чрезвычайно важные жизненные процессы: дыхание, окисление аминокислот, жиров, углеводов. Только немногие растения, называемые анаэробными,могут обходиться без кислорода. За сутки человек фактически использует около 0,1 м³ кислорода. У высших животных О₂ проникает в кровь, соединяется с гемоглобином, образуя оксигемоглобин, который поступает в капилляры различных органов. Здесь О₂ отщепляется от гемоглобина и через стенки капилляров диффундирует в ткани. В тканях кислород расходуется на окисление различных веществ. Эти реакции в конечном итоге приводят к образованию углекислого газа, воды и созданию запаса энергии.

Регенерация кислорода осуществляется в растениях в результате фотосинтеза.

Кислород используют в медицине при затрудненном дыхании. В последние годы при лечении газовой гангрены и ряда других заболеваний, при которых накапливаются микробы в омертвевших тканях, применяют гипербарическуюоксигенацию, т.е. помещают больных в барокамеры с повышенным давлением кислорода в воздухе. При этом улучшается снабжение тканей кислородом, и во многих случаях такой способ лечения дает хорошие результаты.

Группа VIIA (йод)

Йод (I) находится в VIIА группе, относится к р-элементам. Он относится к числу незаменимых биогенных элементов, и его соединения играют важную роль в процессах обмена веществ. Имеются данные, что йод влияет на синтез некоторых белков, жиров и гормонов. В организме человека содержится около 25 мг йода, из них больше половины находится в щитовидной железе, причем в связанном состоянии – в виде гормонов – и только около 1% его находится в виде иодид-иона. Щитовидная железа секретирует иод-содержащие гормоны тироксин и трииодтиронин.

 Пониженная активность щитовидной железы (гипотиреоз) может быть связана с уменьшением ее способности накапливать иодид-ионы, а также с недостатком в пище иода (эндемический зоб).

При эндемическом зобе назначают препараты иода: KJ или NaJ. В районах, где имеется дефицит иода, для профилактики эндемического зоба добавляют к поваренной соли NaJ или KJ (1-2,5 г на 100 кг).

При повышенной активности щитовидной железы (гипертиреоз) вследствие избыточного синтеза тиреоидных гормонов наблюдается ненормально увеличенная скорость метаболических процессов.

KJ применяют и при гипотиреозе (эндемический зоб), и при гипертиреозе. В первом случае иодид-ионы используют для синтеза гормонов, во втором случае иодид-ион тормозит иодирование тирозина иодом. При неэффективности указанных препаратов для лечения гипертиреоза применяют препарат радиоактивного иодаJ-131, излучение которого разрушает фолликулы щитовидной железы и уменьшает избыточный синтез гормонов.

NaJ и KJ используют также как отхаркивающее средство при воспалительных заболеваниях дыхательных путей.

Иод применяют в медицине в виде раствора в этиловом спирте (массовая доля иода 3, 5 или 10%), который является превосходным антисептическим и кровоостанавливающим средством. Кроме того, йод входит в состав ряда фармацевтических препаратов.

D -элементы

По содержанию в организме человека d-элементы относятся к микроэлементам (10^–3 масс. % и ниже). Среди них есть жизненно необходимые (незаменимые) элементы – это Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V (по классификации В.В. Ковальского). Другие, такие как, Cd, Cr, Ni, Ag, Hg и другие, относятся к примесным элементам, биологическая роль которых мало выяснена или неизвестна. Шесть d-элементов (Fe, Zn, Cu, Mn, Mo, Co) наряду с четырьмя s-элементами (Ca, K, Na, Mg) относятся к металлам жизни.

У d-элементов сильно выражена способность к комплексообразованию (слово «комплексные» означает сложные, составные). Комплексные соединения - ярко окрашенные солеобразные вещества были известны химикам еще в XVIII веке. Одними из первых были открыты комплексные соли железа и кобальта. Многие биокатализаторы – ферменты также являются комплексными соединениями. Изучением их занимается бионеорганическая химия.

Рассмотрим образование комплексной соли на конкретном примере. Если к голубому водному раствору CuSO₄ прибавить раствор аммиакаNH₃, то при этом раствор приобретает красивый ярко-синий цвет. Происходит реакция образования комплексной соли [Cu(NH₃)₄]SO₄:

CuSO ₄ + 4 NH ₃ → CuSO ₄ × 4 NH ₃

Строение комплексных соединений объясняет теория А. Вернера. В молекулах комплексных соединений выделяют центральный атомили ион (М) и непосредственно связанные с ним молекулы (или ионы), называемые лигандами (L), в количестве n.

Центральный ион и окружающие его лиганды образуют внутреннюю сферу комплекса [ ML_n ]. Внутренняя сфера связана электростатическими силами притяжения с внешней сферой, которая состоит из m частиц Х (молекулы или ионы). Общая запись формулы комплексного соединения имеет вид [ ML_n ] X_m.

Центральный атом координирует лиганды, геометрически правильно располагая их в пространстве. Поэтому комплексные соединения называют также координационными. Число лигандовn называется координационным числом, а внутренняя сфера – координационной.

В соответствии с этим формулу комплексного соединения меди с аммиаком можно записать в виде [Cu(NH₃)₄]SO₄, где ион меди Cu²⁺ – центральный ион; молекулы NH₃ – лиганды; 4 – координационное число; сульфат анион SO₄^2- – внешняя сфера. Называется данная соль сульфат тетраамминмеди (II).

Комплексные соли диссоциируют на внутреннюю и внешнюю сферу по типу сильных электролитов:

[Cu(NH₃)₄]SO₄ « [Cu(NH₃)₄]²⁺ + SO₄^2-.

Образующийся комплексный ион [Cu(NH₃)₄]²⁺диссоциирует как очень слабый электролит:

[ Cu ( NH ₃ )₄]²⁺ « Cu ²⁺ + 4 NH ₃.

Концентрация образующихся ионов Cu²⁺ очень мала.

Константа равновесия этого процесса называется константой нестойкости комплексного иона (комплекса):

.

Обратная ей величина называется константой устойчивости комплекса:

; К_У = 1 × 10¹².

Чем больше константа устойчивости комплекса, тем более прочным он является, в меньшей степени диссоциирует на комплексообразователь и лиганды.

Многие жизненно необходимые d-элементы содержатся в организме в виде комплексов с лигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так ион Fe²⁺ в качестве комплексообразователя входит в состав гемоглобина, Со²⁺ – в витамин В₁₂.

Токсичность соединений тяжелых металлов (Hg, Pb, Cd, Cr, Ni) объясняется взаимодействием катионов тяжелых металлов (М_Т) с бионеорганическими комплексами. Реакция, описывающая это взаимодействие, может быть записана в виде уравнения:

М_Б L + М_Т = М_Б + М_Т L,

где М_БL – комплекс иона биогенного металла М_Б (Fe, Zn, Cu, Co) с биоорганическими лигандамиL (например, с порфирином); М_Т – ион тяжелого металла.

Если устойчивость комплекса М_ТL больше, чем устойчивость М_БL, происходит смещение равновесия указанной обратимой реакции вправо, и в организме накапливаются токсичные соединения М_ТL.

Свойства ионов металлов образовывать прочные связи ссеросодержащимилигандами используются и при подборе лекарств, применяемых для лечения при отравлениях. Такие лекарства имеют общее название – антидоты. Например, в нашей стране применяется отечественные препараты унитиол, сукцимер, которые образуют с ртутью прочные комплексы.

В качестве антидотов при отравлении Zn, Cd, Hg применяют также комплексон этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) и ее натриевую соль (трилон Б). Применение комплексонов основано на том, что они, выступая в качестве лигандов, образуют более прочные комплексы с ионами металлов, чем эти ионы с серосодержащими группами белков, ферментов, аминокислот.

Группа I Б

IБ группу элементов составляют Cu, Ag, Au.

На внешнем электронном слое атомов этих элементов содержится по одному s-электрону (ns¹). В образовании химических связей могут принимать участие не только ns-электроны, но и d-электроны предвнешнего слоя:
(n–1)d-электроны. Конфигурация валентных уровней: Cu – 4s¹3d¹⁰, Ag – 5s¹4d¹⁰, Au – 6s¹5d¹⁰. Все три металла могут образовывать соединения со степенью окисления +1. Медь в соединениях проявляет также степень окисления +2, а золото образует устойчивые соединения со степенью окисления +3 и неустойчивые соединения со степенью окисления +1 и +2.

Из трех металлов группы IБ медь выполняет наиболее важную биологическую роль. Она является необходимым микроэлементом, относится к металлам жизни. Серебро – примесный микроэлемент. Золото – микроэлемент, не играющий роли для живых организмов.

В организме человека медь в основном концентрируется в печени, головном мозге и крови. Известно около двадцати пяти медьсодержащих белков и ферментов. В медьсодержащих ферментах медь находится в степени окисления +1. В окислительных процессах медь окисляется до +2. Большую группу медьсодержащих белков составляют оксидазы, к которым относится важнейший дыхательный фермент цитохромоксидаза. Очень важным медьсодержащим белком является церулоплазмин, который участвует в окислении железа (Fe²⁺ в Fe³⁺), при этом медь, входящая в состав белка, восстанавливается (Cu²⁺ в Cu⁺). Церулоплазмин, образуя комплекс с ионами меди, транспортирует их в органы, регулирует баланс меди в организме и обеспечивает выведение избытка меди из организма.

Медь вместе с железом участвует в кроветворении. При дефиците меди в организме нарушается обмен железом между плазмой крови и эритроцитами, что может привести к разрушению эритроцитов и развитию медьдефицитной анемии.Потребность человека в меди составляет 2–3 мг в сутки. Она полностью обеспечивается потребляемой пищей.Известна болезнь Коновалова-Вильсона, которая связана с избыточным количеством меди в организме.

В больших концентрациях растворимые соли меди токсичны. Так, например, медный купорос CuSO₄×5H₂O массой до 2 г вызывает сильное отравление с возможным смертельным исходом. Токсическое действие меди объясняется тем, что медь образует с белками нерастворимые бионеорганические хелаты, т.е. свертывает белки. Ионы меди, имея высокое сродство к сере, образуют прочную связь с группой –SH белков, что приводит к инактивации ферментов.

Медь (I) и медь (II) образуют также неорганические комплексные соединения. Координационное число меди (I) равно 2, а меди (II) равно 4 и 6. Например, гидроксид меди (II) растворяется в аммиаке, образуя комплекс, окрашивающий раствор в синий цвет (координационное число меди в этом комплексе равно 6):

Cu(OH)₂ + 4NH₃ + 2H₂O = [Cu(NH₃)₄(H₂O)₂](OH)₂.

Эта реакция используется для открытия (обнаружения) ионов двухвалентной меди.

Группа II Б

Zn, Cd и Hg составляют группу элементов IIБ.

На внешнем электронном слое их атомов содержится по два s-электрона (ns²). Для них характерна постоянная валентность II и положительная степень окисления +2. Однако ртуть образует соединения, в которых она двухвалентна, а степень окисления равна +1, например, в соединении Hg₂CI₂ (каломель): Cl–Hg–Hg–Cl.

Из трёх металлов IIБ-группы цинк выполняет наиболее важную биологическую роль и по степени своей необходимости для человека относится к металлам жизни. Считают, что кадмий и ртуть какой-либо заметной биологической функции не выполняют. Если цинк является активатором многих биохимических процессов, то кадмий и ртуть попадают в организм извне, оказывают ингибирующее (тормозящее) действие на ряд ферментов, разрушая их. Кадмий и ртуть – примесные токсичные элементы, они концентрируются в основном в почках.

Цинк в организме концентрируется главным образом в мышцах, печени, поджелудочной железе, содержится также в гипофизе, половых железах, щитовидной железе. Цинк входит в состав более 40 металлоферментов, которые катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. Одним из наиболее изученных ферментов является карбоангидраза. Этот фермент крови представляет собой бионеорганический комплекс, в котором координационное число цинка равно 4. Он влияет на процесс дыхания, газообмен в организме.

Цинк входит в состав гормона инсулина, который влияет на содержание сахара в крови. Другими словами, цинк участвует в углеводном обмене.

Растворимые соединения цинка, кадмия и ртути оказывают раздражающее воздействие на кожу, а при попадании внутрь организма в больших концентрациях вызывают отравление. Токсичность их увеличивается от цинка к ртути, что обусловлено усилением способности ионов этих металлов взаимодействовать с SH-группами, а это приводит к подавлению активности ферментов и свертыванию белков.

Некоторые соединения цинка в небольших концентрациях нашли применение в медицинской практике. Использование их основано на вяжущем, прижигающем и небольшом антисептическом действии. Так, сульфат цинка используют для приготовления глазных капель (0,25%-ный раствор). Оксид, хлорид и сульфат цинка используют также в стоматологической практике.

Цинк, как и все d-элементы, способен образовывать соединения с неорганическимилигандами. Для него координационное число 4.

К числу важнейших соединений цинка относятся оксид, гидроксид, некоторые простые и комплексные соли. Оксид ZnO и гидроксид Zn(ОН)₂ проявляют амфотерные свойства, растворяются не только в кислотах, но и в щелочах:

ZnO + H₂O + 2O Н ^– = [Zn(OH)₄]^2–

Zn(OH)₂ + 2O Н ^– = [Zn(OH)₄]^2–

Гидроксид цинка получают с помощью обменной реакции при взаимодействии растворимых солей цинка со щелочами:

Zn ²⁺ + 2 O Н^– = Zn ( OH )₂

Гидроксид цинка растворяется в избытке аммиака с образованием растворимых комплексных солей – аммиакатов:

Zn(OH)₂+ 4NH₃ = [Zn(NH₃)₄](OH)₂

Группа VII Б

Мn, Тc, Re – элементы, образующие группу VIIБ. Конфигурация валентных электронов этих элементов ns²(n-1)d⁵: Mn 4s²3d⁵, Tc 5s²4d⁵, Re 6s²5d⁵.

Из элементов этой группы наиболее распространен в природе марганец. Он относится к жизненно необходимым элементам – металлам жизни. Рений и технеций не являются биогенными элементами. Рений содержится в земной коре в незначительных количествах, технеций – радиоактивный элемент, в природе практически не встречается, получен искусственным путем.

Марганец в своих соединениях проявляет степени окисления: +2, +3, +4, +6, +7.

В природе наиболее распространены соединения марганца со степенью окисления +2. Из них наиболее важны оксид, гидроксид и соли.

В медицинской практике из соединений марганца наиболее широко используют перманганат калия KMnO₄. Перманганатами называются соли марганцевой кислоты HMnO₄. В них Mn имеет высшую положительную степень окисления +7, поэтому перманганаты являются сильными окислителями. В зависимости от реакции среды они образуют различные продукты восстановления:

 

Среда	Полуреакция восстановления	Степень окисления марганца в продукте
кислая	MnO4– + 8H+ + 5 e ® Mn2+ + 4H2O	+2
нейтральная или слабощелочная	Mn O4– + 2H2O + 3e ® MnO2  + 4OH–	+4
сильнощелочная	Mn O 4 – + e ® MnO 4 2–	+6

 

Как видно из уравнений, окислителями являются анионы MnO₄^–. Однако в таких формах марганец в биологических системах не существует. Очевидно, это связано с тем, что сильные окислители неприемлемы для организма как постоянные компоненты.

Для организма перманганаты являются ядами. Обезвреживание их как ядов может идти за счет окислительно-восстановительной реакции. Например:

2 KMnO ₄ + 5 H ₂ O ₂ + 6 CH ₃ COOH = 2 Mn ( CH ₃ COO )₂ + 2 CH ₃ COOK + 8 H ₂ O + 5 O ₂.

В уксуснокислой среде 3%-ный раствор Н₂О₂ действует как восстановитель. Эта реакция используется для лечения острых отравлений перманганатом.

Перманганат калия взаимодействует с органическими компонентами клеток тканей и органическими веществами протоплазмы микробов. При этом KMnO₄ восстанавливается до MnO₂, который также может взаимодействовать с белками, образуя комплекс бурого цвета.

Бактерицидные и прижигающие свойства перманганата обусловлены его окислительным и коагулирующим действием на белки. Вследствие того, что белки коагулируют, перманганат калия является препаратом наружного действия. Его противомикробное действие проявляется только на поверхности кожи и слизистых оболочек. Раствор KMnO₄ применяют также для окисления токсичных органических веществ, переводя их в менее токсичные формы. Например, морфин окисляется в малотоксичный оксиморфин.

KMnO₄ используют в клиническом и биохимическом анализе для определения некоторых ферментов.В санитарно-гигиенической практике используют метод перманганатометрии для определения окисляемости природных вод, а также промышленных сточных вод. Метод основан на высоких окислительных свойствах перманганата, которые проявляются во взаимодействии его с примесными органическими компонентами воды.

Перманганатометрия относится к методам окислительно-восстановительного титрования. Сущность метода заключается во взаимодействии раствора восстановителя (титруемый раствор) с раствором окислителя (рабочий раствор).

В окислительно-восстановительных реакциях молярная масса эквивалента вещества равна молярной массе, деленной на число отданных или присоединенных в данной реакции электронов. Например, в реакции окисления сульфата железа (II) перманганатом калия:

2 KMnO ₄ + 10 FeSO ₄ + 8 H ₂ SO ₄ = 2 MnSO ₄ + 5 Fe ₂ ( SO ₄ )₃ + K ₂ SO ₄ + 8 H ₂ O

MnO4– + 8H+ + 5e ® Mn2+ + 4H2O	×1	окислитель,процесс восстановления
Fe2+ – e ® Fe3+	× 5	восстановитель, процесс окисления

Каждый ион Fe²⁺ отдает один электрон, а каждый ион MnO₄^– принимает пять электронов. Поэтому:

М_Э ( FeSO ₄ ) =

М_Э ( KMnO ₄ ) =

Группа VIIIБ

Группу VIIIБ составляют девять d-элементов: Fe, Co, Ni, Ru, Rh,Pd,Os, Ir, Pt. He у всех элементов этой группы число валентных электронов совпадает с номером группы. Железо, кобальт, никель объединены в семейство железа. Остальные 6 элементов образуют семейство платины.

Железо и кобальт – жизненно необходимые элементы, никель – примесный токсичный элемент. Элементы семейства платины не являются биогенными.

Конфигурация валентных электронов железа 4s²3d⁶. В соединениях железо проявляет степени окисления +2 и +3 (реже +6). Более устойчивы соединения со степенью окисления +3. Железо, как и другие d-элементы, проявляет способность к комплексообразованию. Известно большое число комплексных соединений, в которых железо имеет координационное число 6. В биологических системах железо связано в комплексы, в которых степень окисления железа +2 и реже +3. В таком жизненно важном биокомплексе, как гемоглобин, железо находится в степени окисления +2. В процессе обратимого присоединения кислорода железо в гемоглобине не меняет своюстепень окисления.

В комплексных соединениях Fe(II) и Fe(III) имеют координационное число 6, причем анионные комплексы Fe(III) более устойчивы, чем Fe(II). Уже алхимикам были известны цианидные комплексы железа: красная кровяная соль – гексацианоферрат (III) калия К₃[Fе(CN)₆] и желтая кровяная соль – гексацианоферрат (II) калия К₄|Fe(CN)₆]. Эти соли применяются в аналитической практике для определения ионов Fe²⁺ и Fe³⁺.

Железо является важным биогенным элементом и относится к «металлам жизни». В организме человека содержится около 5 г железа. Большая часть его сосредоточена в гемоглобине крови (около 70%). Гемоглобин – сложный по составу белок, содержащий и небелковую группу – гем (от греч. «гемо» — кровь). Физиологическая функция гемоглобина заключается в способности обратимо связывать кислород и переносить его от легких к тканям. Если гемоглобин условно обозначить [HbFe²⁺], то реакцию обратимого присоединения кислорода можно записать так:

[HbFe²⁺]  +  O₂ «   [HbFe²⁺∙O₂ ]

дезоксигемоглобин             оксигемоглобин

Гемоглобин взаимодействует также с угарным газом, при этом образуется карбонилгемоглобин, который более устойчив, чем оксигемоглобин:

[ HbFe ²⁺ ] + CO = [ HbFe ²⁺ ∙ CO ].

Это нарушает перенос кислорода от легких к тканям и вызывает отравление организма.

Железо входит также в состав ферментов, например, цитохромов, каталазы, пероксидазы и др. Недостаток железа и кобальта в организме приводит к нарушению синтеза гемоглобина. Это, в свою очередь, вызывает заболевание крови, связанное с дефицитом железа, которое называется анемией. Для лечения анемии используются соли двухвалентного железа: хлорид и сульфат. Эффективным средством для лечения анемии являются ферамид и коамид, которые представляют собой бионеорганические комплексы соответственно железа и кобальта с никотинамидом.

Раствор FeCl₃ в силу его окислительных свойств используется в медицинской практике как дезинфицирующее и кровоостанавливающее средство.

 

Выполнение эксперимента

Группа IA

Опыт 1. Каталитическое разложения пероксида водорода

Выполнение опыта

Налейте в пробирку 1–2 мл 3%-ного раствора Н₂О₂, внесите на кончике шпателя немного порошка MnO₂. Выделяющийся газ испытайте тлеющей лучиной. Объясните наблюдаемое явление и напишите уравнение реакции. Какую роль выполняет MnO₂ в этой реакции?

Группа IA и II А

Опыт №2

2.1.Взаимодействие оксидов и солей щелочных и щелочноземельных металлов с соляной кислотой

Выполнение опыта

Испытайте отношение к раствору HCl следующих веществ NaHCO₃, MgO, CaCO₃. Поместите в три пробирки небольшие количества перечисленных веществ. Прилейте раствор соляной кислоты. Объясните наблюдаемые явления. Напишите уравнения реакций в молекулярной, ионной и сокращенной ионной форме. Напишите уравнения реакций в молекулярной, ионной и сокращенной ионной форме.

2.2. Определение временной (гидрокарбонатной) жесткости воды

Выполнение опыта

1. Пипеткой отбирают 100 мл анализируемой воды, переносят в коническую колбу для титрования.

2. Добавляют 3-4 капли метилового оранжевого.

3. Титруют стандартным 0,1 н раствором соляной кислоты до перехода окраски из желтой в бледно-розовую.

Титрование проводят 2-3 раза, разница между параллельными результатами не должна превышать 0,1 мл. Вычисляют средний объем кислоты и рассчитывают временную жесткость воды по формуле:

где Ж(Н₂О) – жесткость воды, ммоль/л

 С(HCl) – нормальная концентрация раствора, моль/л

 V(HCl) – объем кислоты, пошедшей на титрование, мл

V_a - объем воды, взятый на титрование, мл.

Множитель 1000 учитывает перевод моль в ммоль (1 моль = 1000 ммоль).

Приведите необходимые расчеты и сделайте вывод о жесткости исследуемой воды.

Группа IIIA

Опыт 3. Амфотерность гидроксида алюминия

Выполнение опыта

В пробирку налейте 2-3 мл раствора AlCl₃. Пипеткой по каплям добавляйте раствор NaOH, отметьте наблюдаемые изменения. Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной форме.

Взболтайте взвесь и перелейте половину во вторую пробирку. В первую пробирку добавьте раствор соляной кислоты, а во вторую – избыток щелочи. Напишите соответствующие уравнения реакций в молекулярной и ионной форме и объясните наблюдаемые явления.

 

Группа VA

Опыт 4. Получение и свойства аммиака

Выполнение опыта

А. Получение аммиака

Собирают из сухих пробирок прибор по рис. 2.3. Хлорид аммония и гашеную известь (Ca(OH)₂) в приблизительно равных частях (по объему) тщательно перемешивают в фарфоровой чашке. Полученную смесь высыпают в пробирку (до половины), которую затем закрывают пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют в штативе так, чтобы дно ее было несколько выше отверстия (почему?). Не сильно нагревают смесь и собирают выделяющейся газ в другую пробирку (почему ее надо повернуть вверх дном?). Через несколько минут, когда пробирка наполнится аммиаком (как в этом убедиться?), осторожно снимают ее с трубки, не переворачивая, закрывают сухой пробкой и используют для следующего опыта. Напишите уравнение реакции получения аммиака.

Рис. 2.3. Получение аммиака из соли аммония.

Б. Растворение аммиака в воде

Пробирку с аммиаком опускают отверстием вниз в ванну с водой. Под водой открывают пробку и слегка покачивают пробирку. Что наблюдается? Когда вода перестанет подниматься, закрывают пробку под водой и вынимают ее из ванны.

Испытайте полученный раствор индикаторной бумажкой. Объясните наблюдаемые явления. Напишите уравнение реакции.

Часть полученного раствора нагрейте. Изменяется ли интенсивность запаха? Напишите уравнение реакции. Какие равновесия устанавливаются в водном растворе аммиака? Как смещаются эти равновесия при нагревании? Дайте объяснение.

Группа VIA

Опыт 5. Получение кислорода из перманганата калия

Выполнение опыта

В сухую пробирку с газоотводной трубкой высыпают примерно 1 г кристаллического KMnO₄. Другую пробирку (или цилиндр), предназначенную для собирания газа, предварительно заполняют водой, затем закрывают стеклянной пластинкой или пробкой, опускают вниз отверстием в стеклянную ванну, в которую налита вода, и открывают под водой отверстие этой пробирки (см. рис. 2.4). Осторожно нагревают пробирку с KMnO₄ по всей длине пробирки. Убедившись, что из трубки выделяется кислород (как это сделать?), подводят конец ее под пробирку с водой. Затем ведут нагревание, перемещая горелку от отверстия к дну пробирки. Собирают в пробирку кислород методом вытеснения воды, оставив в ней немного воды. Вынимают газоотводную трубку из воды и только тогда прекращают нагревание (почему?). Закрывают пробирку под водой стеклянной пластинкой, вынимают из воды и поднимают открытым отверстием вверх.

Испытайте собранный таким образом газ тлеющей лучиной. Напишите уравнение реакции, укажите окислитель и восстановитель, определите тип окислительно-восстановительной реакции, расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

 

Рис.2.4. Получение кислорода.

Группа VIIA

Опыт 6. Свойства йода

Выполнение опыта

6.1. Положите в пробирку несколько кристалликов йода, прилейте к ним 5-10 мл воды и сильно взболтайте. Отметьте цвет жидкости. Хорошо ли растворяется йод в воде? Слейте в чистую пробирку немного полученного водного раствора йода и прибавьте к нему 2-3 капли крахмального клейстера (качественная реакция на йод). Как изменяется окраска раствора?

6.2. Испытайте растворимость йода в этиловом спирте. Для этого 1 кристаллик йода опустите в 1-2 мл спирта, налитого в пробирку. Отметьте цвет раствора. Сделайте вывод о растворимости йода в спирте.

 

Группа I Б

Опыт 7. Получение и свойства комплексной соли меди ( II )

Выполнение опыта

Налейте в пробирку 1 мл раствора CuSO₄ и добавляйте к нему по каплям концентрированный раствор аммиака до полного растворения выпадающего вначале осадка основной соли (CuOH)₂SO₄. Отметьте цвет осадка и цвет образовавшегося потом раствора. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме, считая, что медь проявляет в полученной комплексной соли координационное число 4. Составьте уравнение электролитической диссоциации образовавшейся комплексной соли и напишите выражение константы нестойкости комплексного иона. Докажите опытным путём, что в растворе этой соли имеются сульфат-ионы.

Ответьте на вопросы. В состав какого иона входят атомы меди? Каков цвет раствора, содержащего образовавшийся ион?

 

Группа II Б

Опыт 8. Амфотерность гидроксида цинка

В пробирку налейте примерно 1мл раствора соли цинка (сульфат или хлорид). Добавьте медленно, по каплям, раствор щелочи (NaOH). Отметьте цвет и характер образовавшегося осадка. Разделите его на две пробирки, в одну добавьте раствор кислоты (НС1), а в другую – раствор щелочи (NaOH). Что наблюдаете? Объясните наблюдения. Напишите уравнения в молекулярной и ионной форме.

Группа VII Б

Опыт 9. Окислительные свойства перманганата калия

Выполнение опыта

9.1. В три пробирки налейте по 1-2 мл раствора KMnO₄. В первую пробирку добавьте немного разбавленной серной кислоты, во вторую – столько же дистиллированной воды, в третью – раствор щелочи. Во все три пробирки добавьте по 1-2 мл раствора сульфита натрия. Что наблюдается? Отметьте, как изменился цвет раствора. Напишите уравнения окислительно-восстановительных реакций, определите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

 

9.2.В две пробирки налейте по 1-2 мл раствора KMnO₄. В первую добавьте немного разбавленной серной кислоты, во вторую – немного раствора уксусной кислоты CH₃COOH. В обе пробирки добавьте по 1-2 мл 3%-ного раствора Н₂О₂. Что наблюдается? Напишите уравнения окислительно-восстановительных реакций и расставьте коэффициенты методом электронного баланса. Чем можно объяснить различие, наблюдаемое в двух случаях?

Группа VIIIБ

Опыт 10. Качественные реакции на ионы двухвалентного и трёхвалентного железа

Выполнение опыта

10.1. Обнаружение ионов Fe ²⁺.

Реактивом на ионF е²⁺ служит гексацианоферрат (III) калия К₃|Fe(CN)₆] (красная кровяная соль).

Налейте в пробирку 1 мл раствора FeSO₄ или раствор соли Мора, добавьте примерно такой же объем раствора К₃|Fe(CN)₆]. Выпадает осадок турнбулевой сини KFe[Fe(CN)₆]. Отметьте его цвет. Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной форме.

10.2. Обнаружение ионов Fe ³⁺.

Реактивом на ион Fе³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия К₄|Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль) и роданид калия KSCN.

1. К 1 мл раствора FeCl₃ прилейте немного раствора KSCN. Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах, отметьте цвет раствора роданида железа (III).

2. К 1 мл раствора FeCl₃ прилейте такой же объем К₄|Fe(CN)₆]. Отметьте цвет. Напишите уравнения реакции в молекулярной и ионной форме.

 

10.3. Различие между простыми и комплексными ионами железа ( III ).

Установите, обнаруживается ли ион Fe³⁺ в растворе комплекснойсоли К₃[Fе(СN)₆]. Для этого проведите реакцию, как в предыдущем опыте, только вместо раствора FeCl₃ возьмите раствор К₃[Fе(СN)₆] и прилейте к нему раствор KSCN. Объясните отсутствие изменений.

 

Контрольные вопросы и задачи

1. Какие химические элементы относятся к органогенам?

2. Что такое макро- и микроэлементы? Какова их биологическая роль?

3. Дайте классификацию элементов по их значимости для жизнедеятельности (по В.В. Ковальскому). Приведите примеры элементов из этих групп.

4. Что такое биогенные элементы? Приведите примеры.

5. По рис. 1 дайте характеристику топографии элементов в организме человека.

6. По рис. 2 охарактеризуйте зависимость реакции организма от концентрации веществ в пище.

7. Приведите примеры веществ, используемых в качестве лекарственных средств.

8. Что такое жесткость, виды жесткости. Способы устранения жесткости.

9. Напишите электронную формулу атомовалюминия, азота, кислорода, йода, меди, цинка, марганца, железа.

10. В качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока применяется препарат Маалокс, который представляет собой суспензию гидроксидов магния и алюминия. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций, поясняющие действие этого лекарственного средства. Почему применение Маалокса более предпочтительно, чем использование соды?

11. Что такое ПДК веществ? Приведите примеры.

12. Как называются заболевания, вызванные аномальным содержанием некоторых элементов в воде, почве? Какие аномалии есть в Белгородской области?

13. Рассчитайте сколько мл кислорода можно получить из 1 г перманганата калия при 20°С?

14. Какова биологическая роль алюминия, меди, цинка, йода, железа в организме человека?

15. Напишите уравнение реакции образования комплексной соли [Cu(NH₃)₄]SO₄ и выражение для константы нестойкости комплексного иона.

16. Докажите амфотерность гидроксида цинка, гидроксида алюминия. Напишите уравнения соответствующих реакций.

17. Напишите уравнение реакций окисления нитрита натрия перманганатом калия в кислой среде. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса и электронно-ионным методом (методом полуреакций).

18. Как определяется молярная масса эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции?

19. Что такое перманганатометрия?

20. Как обнаружить ионы Fe²⁺ и Fe³⁺.в растворах?

21. Во что переходит перманганат-ион при различных значениях рН среды?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

---

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 510; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!