ЕкатеринбургИздательство Уральского университета

2016

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет иМени первого президента россии б. н. ельцина

общаяи бионеорганическая

хиМиярекомендовано методическим советом урФу

в качестве учебно-методического пособия для студентов, обучающихся по программе бакалавриата

по направлениям подготовки 06.03.01 «биология»,05.03.06 «Экология и природопользование»

© уральский федеральный университет, 2016ISBN 978-5-7996-1663-2

с о с т а в и т е л и:н. а. тарасова, и. н. атманских, н. а. кочетова

под общей редакциейн. а. тарасовой

р е ц е н з е н т ы:отдел химико-технологических исследований

института физики металлов уро ран(руководитель отдела главный специалист л. н. кузьминых);

а. в. соколова, кандидат медицинских наук, врач отделения функциональной и ультразвуковой диагностики

гбуз со «свердловская областная больница № 2»

удк 54(07) о28

Общая и бионеорганическая химия : [учеб.-метод. пособие] / [н. а. тарасова, и. н. атманских, н. а. кочетова ; под общ. ред. н. а. тарасовой] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 63 с.

ISBN 978-5-7996-1663-2в практической части учебно-методического пособия приведены описания

лабораторных работ, рекомендации по оформлению отчетов к ним. в теоретиче-ской части дано краткое описание биологической роли химических элементов и применения их соединений в медицине.

адресовано студентам бакалавриата, осваивающим дисциплину «общая и бионеорганическая химия», которая является частью образовательного модуля «Физико-химические основы жизни».

о28

удк 54(07)

предисловие ................................................................................................... 4

общая и бионеорганическая хиМия. содержание дисциплины ......................................................................... 6

теМа «строение атоМа и хиМическая связь». вопросы для самостоятельной подготовки ......................................... 11

лабораторный практикуМ .............................................................. 14 1. рекомендации к оформлению отчетов по лабораторным работам .. 14 2. лабораторные работы ........................................................................ 16 лабораторная работа 1. химическая кинетика и равновесие ........ 16 лабораторная работа 2. s-Металлы и алюминий ............................ 18 лабораторная работа 3. кислотно-основные и комплексообразующие свойства соединений d-металлов .......... 19 лабораторная работа 4. окислительно-восстановительные свойства соединений d-металлов ..................................................... 21 лабораторная работа 5. свойства основных биогенных элементов ............................................................................................ 23 лабораторная работа 6. кислород и сера ......................................... 26 лабораторная работа 7. водород. галогены .................................... 28

введение в хиМию биогенных ЭлеМентов .......................... 31 1. классификация элементов, содержащихся в живых организмах .. 31 2. биологическая роль элементов и применение их соединений

в медицине .............................................................................................. 34 3. Экологические аспекты действия неорганических веществ .......... 51

список использованной литературы .......................................................... 57список рекомендуемой литературы ........................................................... 57

приложение .................................................................................................. 58

Оглавление

4

дисциплина «общая и бионеорганическая химия» является первой дисциплиной образовательного модуля «Физико-химиче-ские основы жизни», входящего в базовую часть учебного плана студентов, обучающихся по направлению «биология» в институте естественных наук урФу.

в начальных разделах дисциплины, посвященных изучению об-щей химии, излагаются основные понятия, теории и законы химии, основу которых составляют учение о строении атома и периодиче-ский закон д. и. Менделеева. в последующих разделах детально рассматриваются строение и свойства химических элементов и их важнейших соединений. особое внимание уделяется изучению не-органической химии именно биологически значимых элементов.

таким образом, в основе дисциплины «общая и бионеоргани-ческая химия» лежат базовые компоненты содержания химической науки:

— индивидуальность химических объектов, проявляющаяся через качественные особенности их свойств и превращений;

— внутренняя активность и реакционная способность веществ, объяснение их на основе структурной, энергетической и кинетиче-ской теорий;

— взаимосвязь свойств веществ, их состава и строения;— качественное и количественное описание химических объ-

ектов в их единстве как отражение этой взаимосвязи;— качественные скачки, происходящие под влиянием количе-

ственных изменений;— дискретность и непрерывность организации вещества.в программу дисциплины включены также элементы бионеор-

ганической химии, которая является междисциплинарной областью

ПредислОвие

знания, развивается на стыке биологии, химии, медицины, био-химии, молекулярной биологии и является своеобразным мостом между неорганической химией и биохимией.

занятия по дисциплине «общая и бионеорганическая химия» проводятся в виде лекций и лабораторных работ.

настоящее учебно-методическое пособие включает программу дисциплины и перечень вопросов для самостоятельной подготовки студентов по ряду разделов общей химии. приводятся описания лабораторных работ, направленных на закрепление знаний по химии биогенных элементов, а также на формирование умений проведения лабораторного эксперимента. в описание каждой лабораторной работы включены домашние задания по подготовке к занятию. в заключительной части пособия представлен раздел, содержа-щий краткое описание биологической роли химических элементов и применения их соединений в медицине. в приложение включена справочная информация (таблицы произведений растворимости, степеней диссоциации электролитов, констант комплексных со-единений).

6

Раздел I. Атомно-молекулярное учение. Строение атома. Периодический закон

основные положения атомно-молекулярного учения. основ-ные понятия химии: атом, молекула, химический элемент, простое и сложное вещество, химическое соединение. основные стехиоме-трические законы.

история развития представлений о строении атома. Модели строения атома. двойственная природа электрона. принцип не-определенности гейзенберга. уравнение Шредингера.

понятие об электронном облаке. квантовые числа как харак-теристики состояния электрона в атоме. s-, p-, d-, f-Элементы. Электронная конфигурация атома. правила заполнения электрон-ных оболочек атомов. Электронные и энергетические формулы атомов и ионов.

периодический закон д. и. Менделеева. Физический смысл порядкового номера, номера группы и периода. периодичность свойств атомов элементов. изменение атомных и ионных радиусов по периодам и группам. Энергия ионизации и сродство к электрону. закономерности их изменения по периодам и группам. понятие об электроотрицательности элементов.

Раздел II. Химическая связьприрода химической связи и механизм образования химической

связи. валентные и невалентные силы сцепления. основные типы химической связи.

Общая и биОнеОрганическая химиясодержание дисциплины

7

ковалентная связь. обменный и донорно-акцепторный механиз-мы образования связи. σ- и π-связи.

количественные характеристики химических связей. Энергия связи. длина связи. кратность связи. валентный угол. полярность связи.

ионная связь. Межмолекулярное взаимодействие. водородная связь. Металлическая связь.

Раздел III. Кинетика химических реакций. Равновесие в растворах электролитов

скорость химических реакций и факторы, ее определяющие. константа скорости химической реакции. катализ и катализаторы. химическое равновесие, константа равновесия.

растворение как физико-химический процесс. растворимость веществ. способы выражения состава растворов.

Электролитическая диссоциация. сильные и слабые электро-литы. степень диссоциации электролитов. Факторы, определяющие степень диссоциации. основные представления теории сильных электролитов. константа диссоциации. ионное произведение воды. водородный показатель, шкала рн.

труднорастворимые электролиты. произведение растворимости. перевод труднорастворимых осадков в растворимое состояние.

гидролиз солей. Молекулярные и ионные уравнения гидроли-за солей. константа гидролиза. влияние концентрации раствора, температуры, рн среды на степень гидролиза. случаи полного гидролиза.

обменные реакции между ионами в растворе. ионные уравне-ния. реакции обмена, осложненные реакциями гидролиза.

Раздел IV. Металлы — элементы главных подгруппобщая характеристика элементов. строение атомов. изменение

атомных радиусов, ионизационных потенциалов, электроотри-цательности по подгруппе. изменение металлических свойств

8

в подгруппе. природные соединения и способы получения простых веществ из них.

строение и физические свойства простых веществ: изменение плотности, температур плавления с увеличением атомного номера по подгруппе.

химические свойства простых веществ. изменение восстано-вительных свойств. отношение металлов к водороду, кислороду, галогенам, азоту, углероду, сере, металлам, воде. кислородные соединения металлов. соединения с неметаллами: получение, строение и свойства. гидроксиды: получение, свойства, строение, применение. соли. галогениды.

области применения, вытекающие из физических и химических свойств простых и сложных веществ. биогенная роль элементов. токсичность соединений.

Раздел V. Металлы — элементы побочных подгрупппереходные металлы первого переходного ряда (3d-элементы).

изменение физических и химических свойств простых веществ и соединений 3d-металлов (кислотно-основные и оксилительно-восстановительные свойства, склонность к комплексообразованию). биогенная роль элементов.

комплексообразующая способность ионов металлов. номен-клатура комплексных соединений. классификация комплексных соединений. диссоциация комплексных ионов в растворе, константы нестойкости и устойчивости комплексных соединений.

участие соединений 3d-элементов в окислительно-восстанови-тельных реакциях. типы окислительно-восстановительных реакций. составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Раздел VI. Неметаллы IIIA–VA подгруппбор. углерод. кремний. азот. Фосфор. общая характеристика

элементов. строение атомов и возможные степени окисления. на-хождение в природе и получение. строение, физические и химиче-ские свойства простых веществ.

9

углерод, его аллотропные модификации. химические свойства углерода. карбиды. оксиды углерода (II) и (IV), строение молекул, химические свойства. угольная кислота и ее соли.

кремний. диоксид кремния и кремниевые кислоты. силикаты и их полимерная структура.

азот, строение молекулы, химические свойства. реакции, приво-дящие к фиксации атмосферного азота. аммиак, физические и хи-мические свойства. соли аммония, их поведение при нагревании. участие соединений азота в кислотно-основных и окислительно-восстановительных реакциях. оксиды азота. азотная и азотистая кислоты, строение молекул, устойчивость, кислотные и окислитель-но-восстановительные свойства. термическое разложение нитратов.

Фосфор, аллотропные модификации. оксокислоты фосфора, строение молекул, кислотные и окислительно-восстановительные свойства.

круговорот углерода, азота и фосфора в природе. биологическая роль неметаллов IIIA–VA подгрупп.

Раздел VII. Неметаллы VIA подгруппыкислород. сера. общая характеристика VIA подгруппы.кислород. Молекулярный кислород и озон: строение молекул,

физические и химические свойства. озоновый слой в атмосфере, его роль и реакции, приводящие к разрушению. пероксид водо-рода. окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода.

сера. взаимодействие с металлами и неметаллами. сульфиды: классификация и растворимость. оксид серы (IV). сернистая кис-лота и ее соли, участие в окислительно-восстановительных реак-циях. серная кислота. зависимость окислительных свойств серной кислоты от концентрации. термическая устойчивость сульфатов.

биологическая роль кислорода и серы, их круговорот в природе.

Раздел VIII. Неметаллы VIIA подгруппы и водород

галогены. общая характеристика элементов. строение атомов и возможные степени окисления. нахождение в природе и полу-чение. строение, физические и химические свойства простых веществ.

специфические свойства фтора и его соединений. галогеново-дороды, получение, изменение физических и химических свойств в подгруппе. кислородные соединения галогенов.

биологическая роль галогенов.водород. особенности положения водорода в периодической

системе д. и. Менделеева, его физические и химические свойства как простого вещества, промышленные и лабораторные способы получения, применение. соединения водорода в степени окисления «–1».

11

Атомно-молекулярное учение1. какие частицы называются атомами и молекулами? приведите

примеры.2. дайте современное определение понятия «химический эле-

мент».3. определите понятие «вещество». какие вещества называются

простыми и сложными?4. отличаются ли понятия «вещество» и «химическое соедине-

ние»? чем отличается химическое соединение от смеси веществ?

Теория строения атома1. какие открытия послужили основой для создания моделей

строения атома?2. объясняет ли планетарная модель строения атома, предло-

женная резерфордом, линейчатые спектры газообразных атомов?3. сформулируйте основные положения теории строения одно-

электронных атомов бора.4. в чем суть принципа неопределенности гейзенберга? 5. что характеризуют радиальная и угловая части волновой

функции в уравнении Шредингера для атома водорода?6. что называется атомной орбиталью?7. что характеризует главное квантовое число (n) и какие зна-

чения оно может принимать?8. что характеризует орбитальное квантовое число (ℓ), какие

значения оно принимает и какова форма s-, p- и d-орбиталей?9. что характеризует магнитное квантовое число (m), какие

значения оно принимает?

тема «стрОение атОма и химическая связь»

вопросы для самостоятельной подготовки

12

10. какое количество s-, p- и d-орбиталей возможно для данного значения n?

11. что такое спин электрона и спиновое квантовое число?12. что такое электронная конфигурация атома? 13. назовите принципы заполнения электронами в атоме энер-

гетических уровней, подуровней, орбиталей.14. сформулируйте правила клечковского.15. как формулируется принцип паули? рассчитайте максималь-

ное количество электронов на s-, p- и d-орбиталях. чему равно число электронов, находящихся на энергетическом уровне?

16. сформулируйте правило гунда.

Периодический закон и Периодическая система Д. И. Менделеева

1. почему в периодической системе д. и. Менделеева некоторые элементы расположены не в соответствии с ростом их атомных масс?

2. какова физическая сущность порядкового номера элемента в периодической системе д. и. Менделеева?

3. какова физическая сущность номера периода в периодической системе химических элементов д. и. Менделеева?

4. в чем физический смысл номера группы для элементов глав-ных подгрупп периодической системы д. и. Менделеева?

5. изобразите распределение электронов в атомах 24Cr и 29Cu и обозначьте переход («провал») электронов с 4s на 3d- орбитали.

6. охарактеризуйте периодическое изменение свойств элемен-тов. все ли свойства элементов изменяются периодически?

7. что такое орбитальный и эффективный радиусы атома?8. как измененяются величины радиусов атомов в малых и боль-

ших периодах? что называется d- и f-сжатием?9. как изменяются величины радиусов атомов в главных и по-

бочных подгруппах периодической системы д. и. Менделеева?10. что такое энергия ионизации? как изменяется ее величина

в периодах и группах?11. дайте определения сродства атома к электрону. каковы за-

кономерности его изменения в периодах и группах?

12. что такое электроотрицательность элемента? как изменяют-ся величины относительной электроотрицательности элементов по периодам и группам?

13. почему в пределах главного периода физические и химиче-ские свойства элементов изменяются неравномерно?

14. что называется вторичной периодичностью и как она объ-ясняется на основании теории строения атома?

Химическая связь1. какова причина образования химической связи между ато-

мами?2. охарактеризуйте основные типы химической связи.3. опишите механизм образования ковалентной связи: обменный

и донорно-акцепторный. какова природа донорно-акцепторной связи? приведите примеры соединений с ковалентной связью.

4. какая связь называется полярной? как оценить полярность связи между атомами?

5. какие связи называются σ- и π-связями?6. охарактеризуйте ионную связь и ее свойства. приведите при-

меры соединений с ионной связью.7. охарактеризуйте силы ван-дер-ваальса: ориентационное,

индукционное и дисперсионное взаимодействия.8. в чем заключается природа водородной связи?9. охарактеризуйте металлическую связь.

14

1. Рекомендации к оформлению отчетов по лабораторным работам

после проведения лабораторной работы должен быть подготов-лен отчет, выполняется он в отдельной тетради. в отчете необходимо указать название работы и сформулировать общую цель, после чего последовательно описать проводимые опыты.

описание каждого опыта должно содержать следующие разделы:1. название опыта.2. Методика проведения опыта (краткое его описание).3. подробные наблюдения: изменение цвета раствора; выделе-

ние газа, его цвет и запах; выделение тепла или света; выпадение осадка, его цвет и характер.

4. уравнения реакций, протекающих в ходе опыта, и объяснения наблюдаемых явлений.

5. вывод по опыту.описание опытов рекомендуется оформлять в виде таблицы.пример оформления отчета по лабораторной работе:

лабОратОрнЫЙ ПрактикУм

15

Лабораторная работа №

Название работыЦель работы: (формулируется согласно теме работы).Понятия и определения: (приводится обобщенная характеристи-

ка свойств элементов и их соединений, рассматриваемых в работе).

ход работы реакции, наблюдения, расчеты выводы

Задание 1. изучение свойств соединений марганца в высшей степени окисления

Опыт 1. Изучение окислительных свойств соединений марганца

к водному раствору KMnO4 приливаем раствор MnSO4. определяем рн среды: 7 (нейтральная). наблюдаем обесцвечивание раствора и выпадение бурого осадка MnO2. определяем рн среды после протекания реакции: 4 (кислая).

2KMnO4 + 3MnSO4 + 2H2O →→ 5MnO2↓ + 2H2SO4 + K2SO4бурый осадок

MnO–4 + 4H+ + 3ē →

→ MnO2↓ + 2 H2O φ1 = 1.69 вMn2+ + 2H2O – 2ē → → MnO2↓ + 4H+ φ2 = –1.23 вE = 0.46 в

Mn+7 (ион MnO–

4) является очень сильным окислителем вследствие неустойчивости степени окисления «+7». при этом он окисляет даже такой слабейший восстановитель, как Mn+2 (степень «+2» является устойчивой для марганца). при этом протекает реакция компро-порционирования Mn+2 → Mn+4← ← Mn+7, в результате которой образуется MnO2↓

16

2. Лабораторные работы

Лабораторная работа 1

Химическая кинетика и равновесиеТеоретическая частьскорость химической реакции, ее зависимость от различных

факторов. Физический смысл константы скорости химической реакции. катализ и его виды. химическое равновесие. обратимые и необратимые химические реакции.

Домашнее задание1. если температурный коэффициент реакции равен 3, как из-

менится ее скорость при повышении температуры от 80 до 110 °с? 2. каким образом можно сместить равновесие реакции в сторону

образования продуктов реакции (реакция экзотермическая)?

2SO2 + O2 ↔ 2SO3

Экспериментальная частьОпыт 1. зависимость скорости реакции от природы реагентав одну пробирку налить раствор хлороводородной кислоты

с концентрацией 2N, в другую — раствор уксусной кислоты той же концентрации. поместить в каждую пробирку по грануле цинка. объяснить причины различной скорости протекания реакций.

Опыт 2. зависимость скорости реакции от концентрациив две пробирки поместить по одной грануле цинка. в первую

прилить 2–3 мл раствора хлороводородной кислоты концентрации 1N, в другую — концентрации 4N. наблюдать выделение водорода, объяснить, почему во второй пробирке газ выделяется интенсивнее.

Опыт 3. зависимость скорости реакции от температурыв две пробирки налить раствор хлороводородной кислоты с кон-

центрацией 1N. одну из пробирок поместить в стакан с горячей водой и выдержать 2–3 мин, затем в каждую из пробирок поместить

17

по одной грануле цинка. объяснить, почему в нагретой пробирке водород выделяется интенсивнее.

Опыт 4. зависимость скорости реакции от катализаторав три пробирки налить 3 %-й раствор пероксида водорода. за-

тем внести по одному шпателю: в первую — диоксид кремния, во вторую — оксид железа (III), в третью — диоксид марганца. тлею-щей лучинкой определить выделяющийся газ. записать уравнения реакции, выяснить, какую роль в этой реакции играют оксиды.

Опыт 5. зависимость скорости реакции от размера площади поверхности реагента

в две пробирки налить раствор хлороводородной кислоты с концентрацией 2N, в одну поместить порошок сасо3, в другую — кусочек сасо3. объяснить, почему с порошкообразным сасо3 реакция протекает быстрее.

Опыт 6. влияние концентрации реагентов и продуктов на сме-щение равновесия

смешать в стаканчике по 2 капли концентрированных растворов хлорида железа (III) и роданида калия. раствор приобретает темно-красную окраску из-за образования роданида железа (III). добавить около 10 мл дистиллированной воды. полученный раствор разделить на четыре пробирки. внести в первую пробирку концентрированный раствор хлорида железа (III), во вторую — концентрированный рас-твор роданида калия, в третью — 1–2 шпателя кристаллического хлорида калия, четвертую оставить без изменений для контроля. сравнить окраски растворов в первых трех пробирках с окраской четвертой. сделать вывод о смещении равновесия.

Опыт 7. влияние температуры на смещение равновесияв пробирку с водой добавить несколько капель раствора иода

и раствора крахмала. нагреть и наблюдать изменение окраски, за-тем охладить и снова отметить цвет раствора. предположить, каков тепловой эффект реакции.

18

Лабораторная работа 2

s-Металлы и алюминий

Теоретическая частьФизические и химические свойства металлов IA и IIA групп,

особенности их взаимодействия с кислородом. амфотерный харак-тер оксида и гидроксида алюминия.

определение электролитической диссоциации, основные по-ложения теории аррениуса. сильные и слабые электролиты, водо-родный показатель.

Домашнее задание1. охарактеризуйте способы получения щелочных и щелочно-

земельных металлов.2. приведите примеры малорастворимых солей щелочных и ще-

лочноземельных металлов. какими реакциями можно обнаружить в растворе ионы Na+ и к+?

Экспериментальная частьОпыт 1. взаимодействие металлов с кислородома) щелочные металлы (демонстрационный). в железную ложеч-

ку поочередно положить кусочки металлического натрия и калия, внести в пламя спиртовки и нагреть до воспламенения. отметить цвет пламени.

б) Магний. бросить немного порошка магния в пламя горелки. наблюдать вспышку.

Опыт 2. взаимодействие металлов с водойа) натрий (демонстрационный). в фарфоровую чашку с водой

поместить кусочек натрия. определить реакцию среды получивше-гося раствора с помощью лакмуса или фенолфталеина.

б) Магний и алюминий. в две пробирки с водой внести немно-го порошка магния и алюминия. нагреть обе пробирки. отметить интенсивность протекания реакции в каждой из пробирок.

в) алюминий (демонстрационный). пластинку очистить на-ждачной бумагой. на свежую поверхность металла нанести каплю раствора Hg(NO3)2. когда поверхность станет серой, смоченное

19

место слегка растереть ватой и оставить на воздухе. наблюдать об-разование хлопьев гидроксида алюминия.

Опыт 3. взаимодействие алюминия с кислотами и щелочамиа) в две пробирки налить растворы HCl и HNO3. в каждую

из них поместить по грануле алюминия. какие газы выделяются в процессе реакций?

б) налить в пробирку 3–5 мл 20 %-го раствора NaOH и насыпать немного порошка алюминия. определить выделяющийся газ.

Опыт 4. получение и свойства гидроксидов металлов IIA группы и алюминия

а) к растворам сульфата магния и хлоридов кальция, стронция и бария прилить раствор гидроксида натрия. отметить образование осадков и их цвет. растворить каждый из осадков в хлороводородной кислоте. сравнить растворимость гидроксидов экспериментально и по значениям произведения растворимости (пр).

б) к раствору сульфата алюминия прилить раствор сульфида аммония. полученный осадок промыть на фильтре водой и раз-делить на две части. к одной из них прилить хлороводородную кислоту, к другой — гидроксид натрия. сделать вывод о природе осадка.

Опыт 5. окрашивание пламени соединениями металловочистить нихромовую проволоку, опуская ее в соляную кисло-

ту и прокаливая в пламени спиртовки. затем опустить проволоку в раствор хлорида кальция и снова внести в пламя. наблюдать окрашивание пламени. проделать аналогичный опыт с хлоридами натрия, калия, стронция и бария.

Лабораторная работа 3

Кислотно-основные и комплексообразующие свойства соединений d-металлов

Теоретическая частьгидролиз солей: определение, случаи гидролиза.

20

комплексные соединения: определение, номенклатура. констан-ты нестойкости и устойчивости. комплексообразователь и лиганды. диссоциация комплексных ионов.

Домашнее задание1. укажите внутреннюю и внешнюю сферы, комплексообра-

зователь (центральный атом) и лиганды, дайте названия соеди-нениям: [Ni(NH3)6]Cl2, K2[CuCl4], K2[Co(NO2)4(NH3)2], Li[AlH4], [Cr(H2O)4Cl2]Cl, [Cu(NH3)4](OH)2, Na3[Co(NO2)6], [Co(NH3)3Cl3].

2. напишите формулы комплексных соединений: гексафторо-силикат водорода; тетракарбонилникель.

Экспериментальная часть

Опыт 1. гидролиз соединений d-металлов в степенях окисления +2 и +3

а) в растворы солей марганца (II), железа (II), меди (II) и же-леза (III) опустить полоску универсальной индикаторной бумаги и сравнить ее цвет с окраской эталонной шкалы. записать значения рн и уравнения реакций взаимодействия этих солей с водой.

б) к хлориду хрома (III) прилить сульфид натрия, к хлориду железа (III) — раствор карбоната натрия. отметить цвет образу-ющегося осадка, цвет и запах выделяющихся газов. доказать, что выпавшие осадки не являются карбонатами и сульфидами.

Опыт 2. получение гидроксидов d-металлов и изучение их свойств

к растворам сульфатов марганца (II), меди (II), цинка и хлоридов железа (III) и хрома (III) прилить по каплям раствор гидроксида на-трия. отметить окраску и характер образовавшихся осадков.

каждый осадок разделить на две части. к одной части прилить раствор хлороводородной кислоты, ко второй — раствор гидрокси-да натрия. записать уравнения реакций и сделать вывод, какие из осадков являются амфотерными.

Опыт 3. качественные реакции на ионы Fe2+, Fe3+, Cu2+

а) к раствору хлорида железа (III) прилить раствор роданида калия. отметить цвет полученного соединения.

21

б) к раствору хлорида железа (III) прилить раствор гексациа-ноферрата (II) калия. отметить выпадение осадка и его цвет. полу-ченное вещество носит название «берлинская лазурь».

в) к раствору сульфата железа (II) прилить раствор гексациано-феррата (III) калия. отметить выпадение осадка и его цвет. полу-ченное вещество носит название «турнбулева синь».

г) к раствору сульфата меди (II) добавить по каплям аммиак до растворения первоначально образующегося осадка. отметить из-менение цвета. сохранить раствор для опыта 4. написать уравнение реакции образования комплексного соединения.

Опыт 4. разрушение комплексных соединенийа) к полученному в опыте 3 «г» раствору добавить раствор

сульфида аммония. отметить образование осадка и его цвет. объ-яснить причины разрушения комплекса на основании данных о константе нестойкости комплексного соединения и произведения растворимости сульфида.

б) к раствору гексацианоферрата (II) калия прилить раствор гидроксида натрия. объяснить причины устойчивости комплекса.

Лабораторная работа 4

Окислительно-восстановительные свойства соединений d-металлов

Теоретическая частьопределение понятия «окислительно-восстановительные ре-

акции (овр)». понятия «окислитель», «восстановитель», «степень окисления». Электронный баланс. типы овр: внутри- и межмоле-кулярные, диспропорционирование. закономерности изменения в периодической системе степеней окисления d-металлов.

Домашнее заданиезакончите уравнение реакции, методом ионно-электронного

баланса расставьте коэффициенты, запишите полное ионное и со-кращенное ионное уравнения, рассчитайте Эдс реакции:

1) K2Cr2O7 + H2O2 + H2SO4 → Cr2(SO4)3 + O2 + K2SO4 + …

22

2) KMnO4 + HCl → Cl2 + MnCl2 + KCl +…

Экспериментальная часть

Опыт 1. окислительные свойства перманганата калияк раствору сульфата марганца прилить разбавленный раствор

перманганата калия. отметить окраску исходных веществ и цвет образующегося осадка.

Опыт 2. получение гидроксида марганца (II) и его свойствак раствору соли марганца (II) прилить гидроксид натрия. отме-

тить цвет образующегося осадка. к осадку прилить бромной воды. отметить цвет осадка.

Опыт 3. влияние реакции среды на переход хромат ↔ дихроматк 2–3 мл раствора хромата калия прилить раствор серной кис-

лоты. наблюдать изменение цвета. в ту же пробирку прилить рас-твор щелочи. наблюдать восстановление первоначальной окраски. указать, какие ионы ответственны за переходы цвета.

Опыт 4. получение и свойства оксида хрома (III)а) (демонстрационный). насыпать в небольшой алундовый ти-

гель на 2/3 объема дихромат аммония. с помощью спички нагреть верхний слой соли. объяснить наблюдаемые явления.

б) подействовать на полученный порошок оксида хрома (III) водой, разбавленными растворами кислот и щелочей. происходит ли растворение? сделать вывод о прочности кристаллической ре-шетки данного оксида.

Опыт 5. окислительно-восстановительные свойства соединений хрома (III)

а) к раствору хлорида хрома (III) добавить раствор щелочи до растворения первоначально выпадающего осадка. при этом образу-ется раствор комплексного хромата (III). добавить избыток щелочи, 2–3 мл бромной воды и нагреть. отметить изменение цвета.

б) (демонстрационный). в раствор хлорида хрома (III), под-кисленный соляной кислотой, поместить 2–3 гранулы цинка. на-лить в пробирку немного керосина и закрыть резиновой пробкой

23

с газоотводной трубкой, конец которой опустить в воду. наблюдать через несколько минут изменение цвета. объяснить роль керосина. сделать выводы об участии хрома (III) в окислительно-восстано-вительных реакциях.

Опыт 6. окислительные свойства железа (III) и меди (II)а) к раствору FeCl3 прилить раствор иодида калия, добавить

раствор крахмала. сделать вывод о продуктах реакции.б) к раствору сульфата меди прилить раствор иодида калия.

дать осадку осесть. отлить часть раствора, разбавить его водой и добавить раствор крахмала. по изменению цвета сделать вывод о продуктах реакции.

Опыт 7. взаимодействие меди с солями менее активных метал-лов (демонстрационный)

в раствор нитрата ртути (II) опустить предварительно обезжи-ренную медную монету. объяснить наблюдаемые явления.

Лабораторная работа 5

Свойства основных биогенных элементовТеоретическая частьобщая характеристика элементов IVа и Vа группы периодиче-

ской системы д. и. Менделеева. аммиак, его строение и свойства. азотная кислота как окислитель (взаимодействие с металлами и не-металлами). сравнение химических свойств высших гидроксидов элементов Vа группы.

Домашнее задание1. напишите уравнения реакций разложения NH4NO3, KNO3,

Zn(NO3)2, AgNO3. обратите внимание на различие продуктов раз-ложения.

2. Методом ионно-электронного баланса расставьте коэффици-енты, запишите полное ионное и сокращенное ионное уравнения:

C + H2SO4(конц.) →t CO2↑ + SO2↑ + н2о

24

Экспериментальная часть

а з о т

Опыт 1. качественная реакция на ион аммонияв пробирку налить раствор хлорида аммония, добавить такой

же объем 20 %-го раствора гидроксида натрия и нагреть. отметить запах. в пары внести влажную индикаторную бумагу. сделать вы-вод о составе выделяющегося газа.

Опыт 2. термическое разложение солей аммония (демонстра-ционный)

в фарфоровый тигель положить несколько кристаллов гидро-карбоната (карбоната) аммония и нагреть на плитке. обнаружить выделяющийся аммиак.

Опыт 3. окислительные и восстановительные свойства азоти-стой кислоты

а) к раствору иодида калия, подкисленному серной кислотой, прилить раствор нитрита натрия, а затем раствор крахмала. объ-яснить наблюдаемое.

б) к подкисленному серной кислотой раствору перманганата калия прилить раствор нитрита натрия. объяснить наблюдаемые явления.

Опыт 4. действие азотной кислоты на металлыв одну пробирку положить кусочек цинка, в другую — кусочек

олова, затем добавить в каждую немного концентрированной азот-ной кислоты. написать уравнения реакций, учитывая, что во второй пробирке образуется SnO2 · nH2O (H2SnO3).

Опыт 5. разложение нитратов при нагревании а) прокалить в пробирке, закрепленной в штативе, ~1 г нитрата

натрия. доказать, что выделяющийся газ — кислород.б) прокалить на плитке в фарфоровом тигле несколько кри-

сталлов нитрата меди (II). отметить цвет газа и изменение окраски вещества в тигле. дать объяснение.

25

Ф о с ф о р

Опыт 6. получение и свойства оксида фосфора (V) (демон-страционный)

в фарфоровую чашку положить ~0.5 г красного фосфора и при-крыть стеклянной воронкой. нагреть фосфор до воспламенения и закрыть узкое отверстие воронки ватой. после сгорания фосфора подождать несколько минут. оставшийся р4о10 смыть со стенок во-ронки в пробирку и добавить в нее раствор лакмуса. сделать вывод о характере взаимодействия оксида фосфора (V) с водой.

Опыт 7. получение малорастворимых фосфатовиспользуя растворы фосфата натрия и солей серебра, кальция

и алюминия, провести обменные реакции. отметить цвет и характер осадков.

уг л е р о д

Опыт 8. получение углекислого газа и его свойстваа) (демонстрационный). получить углекислый газ в колбе вюр-

ца, используя мрамор и соляную кислоту. заполнить углекислым газом стеклянный стакан на 400 мл. в такой же стакан положить кусочек ваты, смоченной спиртом, поджечь горящей лучинкой и осторожно перелить в него углекислый газ из первого стакана. сделать заключение о том, поддерживает ли углекислый газ горение.

б) в пробирку с водой добавить несколько капель раствора лакмуса и пропустить ток углекислого газа. объяснить изменение цвета раствора.

в) (демонстрационный). закрытую пробирку с углекислым газом опустить вверх дном в разбавленный раствор щелочи и открыть пробку. сделать вывод о характере взаимодействия углекислого газа и щелочи.

Опыт 9. гидролиз солейс помощью универсальной индикаторной бумаги определить

значения рн растворов: нитрата натрия, фосфата натрия и карбоната натрия. записать значения рн и уравнения реакций взаимодействия этих солей с водой.

26

Лабораторная работа 6

Кислород и сераТеоретическая частьобщая характеристика элементов VIа группы периодической

системы д. и. Менделеева. Физические и химические свойства кис-лорода и серы как простых веществ. аллотропия и полиморфизм.

Домашнее задание1. напишите уравнения реакций получения кислорода путем

термического разложения кислородсодержащих соединений: ок-сидов, пероксидов, солей (не менее пяти способов). расставьте степени окисления.

2. расставьте коэффициенты методом ионно-электронного ба-ланса:

SnCl2 + H2SeO3 + HCl → SnCl4 + Se + ...

Экспериментальная часть

к и с л о р о д

Опыт 1. получение кислородапоместить в чистую сухую пробирку не более 0.5 г хлората

калия и осторожно нагреть. после плавления соли внести в про-бирку тлеющую лучинку и сделать вывод о протекании реакции разложения. прекратить нагревание, всыпать в пробирку немного порошка диоксида марганца и вновь внести тлеющую лучину. со-ставить уравнение реакции разложения, указать роль MnO2.

Опыт 2. получение и свойства озона (демонстрационный)в пробирку вюрца внести 2 г кристаллического пероксоди-

сульфата аммония и прилить 5 мл концентрированной азотной кислоты. слегка подогреть. обнаружить выделяющийся озон по запаху (осторожно!). поместить над пробиркой полоску иодкрах-мальной бумаги (фильтровальная бумага, пропитанная раствором иодида калия и крахмальным клейстером). наблюдать и объяснить изменение ее окраски.

27

с е р а

Опыт 3. восстановительные свойства сероводородав пробирку налить сероводородной воды и по каплям приливать

бромную воду. объяснить исчезновение окраски бромной воды.

Опыт 4. окислительно-восстановительные свойства сернистой кислоты

а) к раствору сульфита натрия, подкисленному серной кислотой, прилить сероводородную воду. объяснить наблюдаемые явления.

б) в пробирку налить немного раствора иода и добавить к нему раствор сульфита натрия до исчезновения окраски. доказать наличие в растворе сульфат-иона.

Опыт 5. дегидратирующее действие концентрированной серной кислоты (демонстрационный)

насыпать в стакан из термостойкого стекла 15–20 г сахарной пудры и прилить немного воды до образования кашицы. затем добавить 15 мл концентрированной серной кислоты и тщательно перемешать стеклянной палочкой. наблюдать за содержимым стаканчика в течение нескольких минут. объяснить происходящие явления. сделать вывод.

Опыт 6. взаимодействие серной кислоты с металламиа) положить в пробирку порошок меди, добавить немного

концентрированной серной кислоты и нагреть. отметить запах выделяющегося газа (осторожно!). подержать над отверстием про-бирки влажную индикаторную бумагу. сделать вывод о составе выделяющегося газа.

б) провести этот опыт, заменив концентрированную серную кислоту на ее 1М раствор. объяснить наблюдаемые явления. что изменится в характере взаимодействия, если вместо меди исполь-зовать цинк?

Опыт 7. качественные реакции на сульфат-, сульфит- и суль-фид-ионы

к растворам сульфита и сульфида натрия прилить раствор хло-роводородной кислоты. отметить окраску и запах газов.

28

к раствору сульфата натрия прилить раствор хлорида бария. отметить характер и цвет осадка.

Лабораторная работа 7

Водород. ГалогеныТеоретическая частьособенности положения водорода в периодической системе

д. и. Менделеева, его физические и химические свойства как про-стого вещества.

закономерности изменения физических и химических свойств простых веществ галогенов, галогеноводородов и кислородсодер-жащих кислот галогенов.

Домашнее задание1. приведите формулы и назовите кислородные соединения

галогенов в положительных степенях окисления (кислот и соот-ветствующих им солей).

2. расставьте коэффициенты методом электронно-ионного ба-ланса:

Br2 + Cl2 + H2O → HBrO3 + HCl

Экспериментальная часть

в о д о р о д

Опыт 1. получение водородаположить в пробирку несколько кусочков цинка и прилить

20 %-й серной кислоты (на 1/3 от объема). вставить пробку с от-тянутой трубкой и закрепить пробирку вертикально. наблюдать выделение газа. затем надеть на газоотводную трубку пробирку, перевернутую вверх дном, заполнять водородом полминуты и, не переворачивая, поднести к пламени. если в пробирке был чистый водород, то он загорается спокойно (тихий звук). при наличии в про-бирке примеси воздуха происходит небольшой взрыв, сопровожда-ющийся резким (лающим) звуком. в этом случае следует повторить

29

испытание газа на чистоту. если выделяется чистый водород, под-жечь его у отверстия трубки. подержать над пламенем водорода сухую пробирку. какое вещество образуется при горении водорода? написать уравнения реакций получения и горения водорода.

Опыт 2. получение атомарного водорода и изучение его свойств (демонстрационный)

в пробирку поместить две гранулы алюминия, 3 мл 30 %-го раствора гидроксида натрия, 0.5 мл раствора нитрата калия и слегка нагреть. определить состав выделяющегося газа с помощью универ-сальной индикаторной бумаги. сделать вывод о восстановительных свойствах атомарного водорода.

г а л о г е н ы

Опыт 3. получение хлора и изучение его окислительных свойств (демонстрационный)

а) в колбу вюрца насыпать перманганат калия. вставить в нее капельную воронку, в которую налить концентрированную соляную кислоту. прилить кислоту по каплям в колбу. отметить цвет и запах выделяющегося газа. заполнить газом две стеклянные банки и за-крыть их стеклянными пластинками.

б) накалить в пламени кусочек медной фольги и опустить в сосуд с хлором. отметить горение меди и цвет пламени. после остыва-ния сосуда влить в него немного воды и взболтать. какова окраска образовавшегося раствора? добавить несколько капель аммиака, объяснить изменение цвета.

в) положить в ложечку для сжигания немного красного фосфо-ра и внести в сосуд с хлором. описать и объяснить происходящие явления.

Опыт 4. получение хлорной воды и ее свойстваа) налить в пробирку 3–5 мл холодной воды и пропускать через

нее хлор в течение 1–2 мин. отметить цвет и запах хлорной воды.б) в три пробирки с хлорной водой налить по 1–2 капли раство-

ров лакмуса, фуксина и чернил. записать и объяснить наблюдаемые явления.

Опыт 5. получение хлороводорода (демонстрационный)в колбу вюрца поместить 10–15 г сухого хлорида натрия. в ка-

пельную воронку прилить концентрированную серную кислоту. получить хлороводород и заполнить им сухую толстостенную кол-бу вместимостью 25–30 мл. после окончания заполнения закрыть колбу пробкой с капилляром, обращенным внутрь. перевернуть склянку с газом вверх дном и опустить ее горлышко в сосуд с водой. объяснить наблюдаемое явление. сделать вывод о растворимости хлороводорода в воде.

Опыт 6. качественные реакции на галогенид-ионы (демонстра-ционный)

испытать действие нитрата серебра на растворы хлорида, бро-мида и иодида (брать малые объемы реактивов). отметить цвет и характер осадков.

Опыт 7. восстановительные свойства галогеноводородовв три сухие пробирки положить немного измельченных кри-

сталлов хлорида, бромида и иодида калия соответственно. прилить в каждую пробирку по ~2 мл концентрированной серной кислоты (под тягой!). по запаху (осторожно!) определить состав выделяю-щихся газов. объяснить наблюдаемые явления. сравнить восста-новительные свойства галогеноводородов.

31

1. Классификация элементов, содержащихся в живых организмах

основу живых систем составляют шесть элементов, называемых органогенами: с, н, о, N, P, S. на их долю в животных и раститель-ных организмах приходится 97.3–97.4 % (масс.). Элементы-орга-ногены отличает в первую очередь исключительное разнообразие типов образуемых ими связей, обеспечивающее многообразие действующих в живых организмах биомолекул. именно то обстоя-тельство, что органогены образуют в основном растворимые в воде соединения, обеспечивает их концентрирование живыми организ-мами, содержащими более 60 % воды.

представляет интерес близость значений содержания элементов-органогенов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в со-ставе межзвездного газа и газового вещества комет — с другой, что можно рассматривать как факт, свидетельствующий о связи живого вещества земли с космосом. аналогичное сходство, хотя и менее выраженное, существует и для живого вещества нашей планеты в целом.

наряду с органогенами обычно выделяют группу незаменимых для живых организмов элементов — металлов, непосредственно принимающих активное участие в обеспечении жизненных про-цессов и называемых металлами жизни: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, на долю которых в организмах приходится около 2.4 % (масс.). Эти элементы в физиологических условиях находятся или в форме свободных (гидратированных) ионов, или в составе ком-плексов с биолигандами. первая из этих форм более характерна для натрия и калия; катионы Ca2+ и Mg2+ встречаются как в виде

введение в химию биОгеннЫх элементОв

32

свободных ионов, так и в связанном состоянии (в форме комплексов или труднорастворимых солей), ионы остальных металлов жизни вследствие их высокой комплексообразующей способности действу-ют в условиях организма преимущественно в форме биокомплексов различной устойчивости.

Элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности различных клеток организма, называются биогенными элементами. к числу таких элементов, кроме указанных выше органогенов и ме-таллов жизни, может быть отнесен еще целый ряд элементов. к ним следует отнести неметаллы F, Cl, Br, I, Si, Se, As (а для растений и в) и металлы Li, Sr, Ba, Sn, Ti, V, Cr (для растений также Al).

общее содержание этих элементов в организмах не превышает 0.3 % (масс.), из которых на долю хлора приходится 0.08 % (масс.), а на долю каждого из остальных — по 10–6–10–4 % (масс.).

кроме приведенной выше существуют и другие классификации химических элементов, содержащихся в живых организмах. так, в. и. вернадским была предложена система, в которой элементы подразделяются в зависимости от среднего содержания в живых организмах на тринадцать декад (I декада — содержание элемента — десятки % (масс.), XIII декада — 10–11 % (масс.) и менее).

в соответствии с такой классификацией по содержанию в живых организмах элементы делятся на макро-, микро- и ультрамикроэле-менты (см. таблицу).

33

Содержание химических элементов в организме человека

группа элементов содержание, % (масс.)

химические элементы*

Макроэлементы 10 и более O (62), C (21), H (10)

1–10 N (3), Ca (2), P (1)

0.1–1 K (0.23), S (0.16), Cl (0.1), Na (0.08), Mg (0.027)

Микроэлементы 10–3–10–2 Zn, Sr

10–4–10–3 Cu, Co, Br, Cs, Si

10–5–10–3 I

10–5–10–4 Mn, V, B, Cr, Al, Ba

10–6–10–3 Mo, Pb, Ti

10–7–10–4 Be, Ag

10–6–10–5 Ni, Ga, Ge, As, Hg, Bi

10–7–10–5 Se, Sb, U

ультрамикроэлементы 10–7–10–6 Th

10–12–10–7 Ru

* в скобках указано содержание макроэлементов в % (масс.).

34

2. Биологическая роль элементов и применение их соединений в медицине*

s-ЭлеМенты Iа группы

Водород. свободный водород в биосфере практически отсут-ствует. главными формами его нахождения в биосфере являются природные воды, газы и органические вещества. в организмах водород входит в состав углеводородов, углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот. водород не принимает участия в образовании скелета органических соединений. основное количество атомов водорода заключено в воде, на долю которой приходится более 90 % массы живой клетки. вся химия клетки основана на том, что растворителем в клеточных системах служит вода.

организм человека, масса которого составляет 70 кг, содержит примерно 75 л воды. в организме имеются два основных вида жид-кости с разным составом электролитов, а именно: внутриклеточная, в которой преобладающим катионом является калий, и внеклеточная с преобладанием натрия.

другое кислородное соединение водорода — пероксид водорода н2о2, который образуется во всех клетках организма при различных окислительно-восстановительных процессах как побочный про-дукт метаболизма и сразу же разлагается под влиянием фермента каталазы на воду и молекулярный кислород.

Литий. Это микроэлемент. он является постоянной составной частью живых организмов. ион лития, имеющий наименьший среди щелочных металлов радиус, в водных растворах так сильно гидра-тирован (в составе ионгидрата удерживается 13 молекул воды), что его размер в гидратированном состоянии намного превышает ради-усы гидратированных ионов Na+ (удерживает 8 молекул воды) и к+ (удерживает 4 молекулы воды). Это препятствует проникновению Li+ через ионные каналы клеточных мембран. ионы Li+, оказывая влияние на активность некоторых ферментов, регулируют ионный Na+ — к+ баланс клеток коры головного мозга. именно поэтому

* Материал приводится по кн.: введение в химию биогенных элементов и химический анализ : учеб. пособие / под ред. е. в. барковского. — Минск, 1997.

35

литийсодержащие препараты находят широкое применение в пси-хиатрической клинике.

Натрий и калий. ионы Na+ — к+ распределены по всему орга-низму, причем первые входят в состав преимущественно межклеточ-ных жидкостей, а вторые находятся главным образом внутри клеток. внутриклеточная концентрация ионов натрия составляет менее 10 % его содержания во внеклеточной жидкости, тогда как концентрация ионов калия внутри клеток почти в 30 раз выше, чем вне их.

если оценивать абсолютные величины, то примерно 95 % ио-нов натрия, участвующих в обмене веществ, находится вне клеток и примерно такая же доля ионов калия — внутри клеток. с ионами Na+ связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями (15 г NaCl задерживают в организме человека до 2 л жид-костей), поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме (NaHCO3 — щелочной резерв крови — компонент гидрокарбонатной буферной системы), перенос аминокислот и сахаров через клеточную мембрану.

ионы Na+ и к+ активируют (Na+ + к+)-аденозинтрифосфатазу клеточных мембран, которая выкачивает ионы Na+ из клетки и обе-спечивает сопряженное накопление ионов к+ в клетке. различные концентрации двух данных ионов по разные стороны мембраны обусловливают возникновение трансмембранной разности потенци-алов (до 100 мв), что обеспечивает существование легкодоступного источника энергии для многих связанных с функционированием мембран процессов.

Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов IА группы

в медицине применяются:1) пероксид водорода н2о2 (3 %-й раствор); дезинфицирующее

средство для промываний и полосканий при воспалительных за-болеваниях слизистых оболочек (стоматиты, ангины), для лечения гнойных ран, остановки носовых кровотечений и т. д.;

2) карбонат лития Li2CO3; используется для лечения маниакаль-ного возбуждения при различных психических заболеваниях;

36

3) хлорид натрия NaCl; в зависимости от концентрации хлорида натрия различают изотонический (физиологический) и гипертони-ческий растворы. изотоническим называется 0.9 %-й раствор NaCl, так как его осмотическое давление соответствует осмотическому давлению плазмы крови (7.7 атм). изотонический раствор исполь-зуется в качестве плазмозамещающего раствора при обезвоживании организма, для растворения лекарственных веществ и т. д. гипер-тонические растворы (3, 5, 10 %-й) применяют наружно в виде компрессов и примочек для лечения гнойных ран;

4) гидрокарбонат натрия NaHCO3 (питьевая сода); введение ги-дрокарбоната натрия в желудок приводит к быстрой нейтрализации соляной кислоты желудочного сока:

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2↑

5) декагидрат сульфата натрия Na2SO4 · 10H2O (глауберова соль); назначают внутрь в качестве слабительного средства;

6) декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 · 10H2O (бура); при-меняют наружно как антисептическое средство для спринцеваний, полосканий, смазываний. в водных растворах бура легко подвер-гается гидролизу:

Na2B4O7 + H2O ↔ H3BO3 + 2NaOH

образующаяся при гидролизе борная кислота обладет анти-септическим действием;

7) иодид натрия NaI; используют как препарат иода при энде-мическом зобе;

8) хлорид калия KCl; применяется при состояниях, сопрово-ждающихся нарушением электролитного обмена в организме (не-укротимая рвота, профузные поносы), а также для купирования сердечных аритмий;

9) иодид калия кI; применяют как препарат иода при заболева-ниях щитовидной железы;

10) перманганат калия KMnO4; используют как антисептическое средство для промывания ран, полоскания рта и горла, для сприн-цеваний и промываний.

37

s-ЭлеМенты IIа группы

Бериллий. биологическая роль не выяснена. соединения бе-риллия ядовиты. особенно токсичны летучие соединения бериллия и пыль, содержащая бериллий и его соединения. присутствие даже небольшого количества бериллия в окружающей среде приводит к заболеванию бериллозу (бериллиевый рахит). ионы Be2+ вытес-няют ионы са2+ из костной ткани, вызывая ее размягчение.

Магний. всего в организме человека содержится около 40 г магния, из них более половины — в костной ткани. основная масса магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри клеток. ионы Mg2+ являются вторыми по содержанию внутриклеточными катионами после ионов к+. поэтому ионы Mg2+ играют важную роль в поддержании осмотического давления внутри клеток. в организ-ме человека и животных ионы Mg2+ являются одними из основных активаторов ферментативных процессов. ионы магния, введенные подкожно или в кровь, вызывают угнетение нервной системы и приводят к наркотическому состоянию, понижению кровяного давления и т. д.

Кальций. Это один из пяти (о, с, н, N, са) наиболее распро-страненных элементов в организме человека (1.5 %). основная масса имеющегося в организме кальция находится в костях и зу-бах. в состав плотного матрикса кости входит термодинамически и кинетически устойчивая при рн 7.40 форма фосфата кальция — са5(ро4)3он. Фракция внекостного кальция, хотя она составляет всего 1 % его общего содержания в организме, очень важна из-за ее воздействия на свертываемость крови, нервно-мышечную воз-будимость и сердечную мышцу.

Барий. биогенная роль бария на настоящий момент изучена мало. все растворимые в воде и кислотах соли бария весьма ядови-ты. нерастворимый в воде и кислотах сульфат бария BaSO4 хорошо поглощает рентгеновские лучи, и поэтому его применяют с целью исследования желудочно-кишечного тракта человека.

Стронций. в организме животных и человека в больших коли-чествах накапливается в костной ткани и влияет на процесс косте-образования. избыток его вызывает ломкость костей, «стронциевый

38

рахит». причиной является замена кальция костного вещества стронцием. извлечь стронций из костей практически невозможно. повышение радиоактивного фона биосферы может вызвать появле-ние в атмосфере продукта деления тяжелых элементов 90Sr. оседая в кости, последний облучает костный мозг и нарушает костномоз-говое кроветворение.

Лекарственные препараты на основе соединений s-элементов IIА группы

в медицине применяются:1) оксид магния MgO (жженая магнезия); является одним из

основных представителей антацидных средств, используемых для уменьшения повышенной кислотности желудочного сока; при введении в желудок нейтрализует соляную кислоту желудочного содержимого;

2) гептагидрат сульфата магния MgSO4 · 7H2O (магнезия); при парентеральном применении оказывает успокаивающее действие на цнс; в зависимости от дозы может наблюдаться снотворный или наркотический эффект;

3) гексагидрат хлорида кальция сасl2 · 6H2O; используется при аллергических заболеваниях (сывороточная болезнь, крапивница) и аллергических осложнениях, связанных с приемом лекарств;

4) полугидрат сульфата кальция 2саSO4 · H2O (жженый гипс, по-луводный гипс); получается путем прокаливания природного гипса 2саSO4 · 2H2O. при замачивании в воде быстро твердеет. на этом свойстве основано его использование при изготовлении гипсовых повязок. в стоматологии применяется в качестве слепочного мате-риала при протезировании зубов;

5) сульфат бария ваSO4; рентгеноконтрастное вещество.

р-ЭлеМенты IIIа группы

Бор. биологическая роль соединений бора в живых организмах не выяснена.

в медицине применяются:

39

1) борная кислота н3во3; антисептик, входит в состав различных мазей; в виде растворов (1–3 %-х) используется для полоскания ротовой полости и в офтальмологической практике;

2) декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 · 10H2O (бура); анти-септик; показания к применению те же.

Алюминий. является микроэлементом.в медицине применяются:1) алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 · 12H2O; обладают вяжу-

щим, прижигающим и кровоостанавливающим действием;2) гидроксид алюминия Al(он)3; обладает адсорбирующим

и обволакивающим действием, понижает кислотность желудочного сока, входит в состав комбинированного препарата «алмагель».

р-ЭлеМенты IVа группы

Углерод. обладая исключительной способностью образовывать вместе с другими элементами длинные цепи атомов, дает много-численные разнообразные органические соединения и определяет их структурные особенности. благодаря углероду возникло все богатство и разнообразие видов растений и животных.

важнейшей особенностью атомов углерода является его способ-ность к образованию кратных связей. здесь уместно отметить, что способность образовывать кратные связи присуща почти исключи-тельно углероду, азоту и кислороду. в тех редких случаях, когда мы встречаем кратные связи помимо этой тройки элементов, они чаще всего образуются серой и фосфором.

в настоящее время широко обсуждаются вопросы загрязнения биосферы диоксидом углерода, поступающим из продуктов сжига-ния топлива. существует опасение, что в скором времнени увели-чение содержания со2 в воздухе на 20 % может вызвать глобальное повышение температуры на земле (на 4–5 °с). дело в том, что со2 обладает сильными полосами поглощения в инфракрасной области спектра. по этой причине со2 в атмосфере, пропуская солнечную радиацию, не выпускает назад тепловое инфракрасное излучение.

особенно вредное действие на организм человека оказывает оксид углерода (II), угарный газ. при вдыхании оксид углерода (II)

40

попадает в кровь и образует прочное соединение с гемоглобином — карбоксигемоглобин. при этом гемоглобин теряет способность связывать кислород, что и является причиной смерти при тяжелых отравлениях угарным газом.

в медицине применяются:1) активированный уголь (карболен); адсорбент при отравлениях

алкалоидами, солями тяжелых металлов и т. д.; находит широкое применение в гемо- и лимфосорбции;

2) гидрокарбонат натрия NaHCO3; понижает кислотность же-лудочного сока; водные растворы используются для полосканий и примочек.

Кремний. является микроэлементом. Жизненно важен для роста и развития высших животных. повышенным содержанием крем-ния отличаются ткани, в которых слабо развиты или отсутствуют нервные волокна. Максимальное его количество содержится в коже, хрящах, сухожилиях, в местах активного обызвествления костей, в некоторых тканях глаза (радужная и роговая оболочки).

при высоком содержании во вдыхаемом воздухе нерастворимых соединений кремния (кремнезем, силикаты) развивается професси-ональное заболевание — пневмокониоз (силикоз, асбестоз, талькоз) у рабочих горнорудной, угольной, цементной, фаянсовой и других отраслей промышленности.

в медицине применяется тальк (3Mgо · 4Siо2 · H2о) — при-сыпки.

Свинец. биологическая роль свинца не установлена. соедине-ния свинца токсичны. явления острого и хронического отравления (сатурнизм) могут встречаться у рабочих различных производств, связанных с получением и применением свинца. при сатурнизме наблюдаются ряд симптомов поражения цнс (головная боль, бес-сонница, судороги, галлюцинации, атрофия зрительного нерва), а также нарушение функций почек (альбуминурия) и желудочно-кишечного тракта («свинцовые колики»).

в медицине соединения свинца применяются только наружно как антисептические и вяжущие средства. оксид свинца рbо входит в состав свинцового пластыря, используемого при воспалительных заболеваниях кожи, фурункулезе. добавки свинца используют при

41

изготовлении одежды для медперсонала рентгеновских кабинетов (фартуки, рукавицы, шлемы), так как свинец поглощает рентгенов-ские и γ-лучи.

р-ЭлеМенты Vа группы

Азот. один из важнейших биогенных элементов. содержание его в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет при-мерно 3 %. азот входит в состав аминокислот, белков, нуклеотидов, нуклеиновых кислот, биогенных аминов и т. д.

Мы живем в азотной атмосфере (объемная доля азота в воздухе составляет 78 %), умеренно обогащенной кислородом и в очень малых количествах — другими химическими элементами. без азота трудно представить себе жизнь на земле. азот и жизнь — понятия неразделимые. Жизнь во многом обязана именно азоту, а азот своим происхождением и существованием в биосфере обязан жизненным процессам.

Молекулярный азот участия в обмене веществ не принимает. человек использует азот органических соединений.

азот не только носитель жизни. азотные соединения, особенно нитраты, вредны для организма и могут быть причиной отравления.

в медицине применяются:1) оксид азота (I), или «веселящий газ», N2о; в смеси с кисло-

родом используется в качестве наркотического средства;2) водный раствор аммиака (гидроксид аммония, нашатырный

спирт) NH4OH; используется для возбуждения дыхания и выведения больных из обморочного состояния, для чего небольшой кусок ваты или марли, смоченной нашатырным спиртом, осторожно подносят к носовым отверстиям.

Фосфор. Фосфор является пятым из важнейших для биологии элементов вслед за углеродом, водородом, кислородом и азотом. Фосфаты играют две ключевые роли в биологии. во-первых, они служат структурными элементами ряда биологических компонентов; например, сахарофосфатный остов нуклеиновых кислот или отло-жение фосфата кальция костей и зубов (са5(ро4)3он — гидрокси-апатит, са5(ро4)3F — фторапатит). у человека в костях содержится

42

5 %, а в зубной эмали — 17 % фосфора. вторая роль производных иона ортофосфата связана с переносом энергии.

что же определяет специфическую роль фосфора в организме, т. е. роль агента переноса энергии? во-первых, фосфор образует более слабые связи, чем кислород и азот. во-вторых, благодаря наличию 3d-орбиталей атомы фосфора могут образовывать более четырех ковалентных связей. в-третьих, среди элементов третьего периода только фосфор и сера сохраняют способность образовывать кратные связи.

в медицине применяется аденозинтрифосфорная кислота (атФ); назначается при хронической коронарной недостаточности, мы-шечной дистрофии и атрофии, спазмах периферических сосудов.

Мышьяк. является микроэлементом. биогенная роль мышьяка и формы его содержания в организме до сих пор неизвестны. со-единения мышьяка очень токсичны, но в малых дозах обладают терапевтическим эффектом: оказывают тонизирующее действие, стимулируют синтез гемоглобина и созревание эритроцитов, угне-тают лейкопоэз.

в медицине применяется оксид мышьяка (III), или белый мы-шьяк, As2O3. в стоматологической практике его используют для не-кротизации пульпы. внутрь назначают при малокровии, истощении, неврастении.

р-ЭлеМенты VIа группы

Кислород. входит в состав практически всех жизненно важных молекул. содержание его в живых организмах в расчете на сухое вещество составляет примерно 70 %. объемная доля кислорода в воздухе — 21 %. с содержанием кислорода в воздухе связаны многие жизненные процессы. например, «горная болезнь» вызыва-ется недостатком кислорода в высокогорных условиях. уменьшение парциального давления кислорода в воздухе на 1/3 вызывает кис-лородное голодание, на 2/3 — летальный исход.

большая часть введенного в организм кислорода выделяется в виде со2, главным образом через легкие. заслуживает внимания проблема озонового экрана, образуемого трехатомным кислородом

43

в тропосфере (приблизительно на высоте 20 км). озоновый экран представляет собой очень важный щит, защищающий все живое на земле от ультрафиолетовых лучей солнца. в программу оон по охране окружающей среды проблема изучения озонового экрана включена в качестве одной из важнейших.

в медицине кислород применяют для вдыхания при заболева-ниях, сопровождающихся кислородной недостаточностью, при от-равлениях оксидом углерода (II), синильной кислотой и т. д. часто используют смесь 95 % кислорода и 5 % углекислого газа (карбоген). в анестезиологической практике кислород широко применяют в смеси с ингаляционными наркотиками. для лечебных целей можно вводить кислород под кожу, а также в виде кислородного коктейля в желудок.

Сера. является одним из шести органогенов (с, н, N, о, S и р), атомы которых составляют основную массу органических моле-кул. в организме сера, как и фосфор, выполняет функцию агента переноса групп и энергии. в биологических системах практически все реакции переноса групп и энергии осуществляются не только органическими фосфатами, но и органическими серосодержащими соединениями.

в организме животных и человека сера встречается также в со-ставе серосодержащих аминокислот — цистеина и метионина.

наличие спаренных остатков цистеина обусловливает образо-вание дисульфидных (–S–S–) связей в белках, определяющих их пространственное строение. сульфгидрильные (тиольные) груп-пы (–SH) цистеина являются составной частью активных центров многих ферментов.

в медицине применяются:1) сера очищенная; используют как слабительное, а также на-

ружно в виде мазей и присыпок для лечения псориаза, себореи, чесотки и т. д.;

2) сульфаты натрия, магния, бария, кальция.

44

р-ЭлеМенты VIIа группы

Фтор. биологическая роль фтора до сих пор изучена мало. Фтор участвует в минеральном обмене веществ при образовании твердых составных частей зубов и ткани скелета. поэтому в человеческом ор-ганизме фтор концентрируется больше всего в эмали зубов и костях. в этих тканях фтор находится в форме фторапатита (Ca5(Pо4)3F).

основным источником фтора, получаемого человеком, является питьевая вода, которая должна содержать около 1 мг фтора в 1 л. если в питьевой воде содержание фтора недостаточно (менее 0,5 мг/л), то это приводит к возникновению кариеса зубов (разрушение эмали). важнейшее средство профилактики кариеса — фторирование воды. Фторирование питьевой воды с целью доведения содержания в ней фтора до нормы осуществляется путем добавления определенного количества фторида натрия. при избыточном содержании фтора в питьевой воде развивается эндемическое заболевание — флюороз, сопровождающееся хрупкостью зубов.

в свободном состоянии газообразный фтор является очень сильным ядом. его вдыхание вызывает мгновенное поражение органов дыхания.

в медицине применяется фторид натрия NaF, он входит в состав зубных паст и используется для профилактики кариеса.

Хлор. принадлежит к весьма важным биогенным элементам. анионы хлора с1– активно участвуют в биохимических превращени-ях: активируют некоторые ферменты, влияют на электропроводность клеточных мембран и т. д. ионы с1– наряду с ионами Na+ являются основным осмотическим веществом биологических жидкостей (плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости). газообразный хлор ядовит.

в медицине применяются:1) соляная кислота разведенная (8 %-я); принимают внутрь

в каплях и микстурах (часто вместе с пепсином) при недостаточной кислотности желудочного сока;

2) хлориды натрия, калия, кальция;3) хлорная известь саосl2; используется в санитарном деле

в качестве дезинфицирующего средства.

45

Бром. бром принадлежит к числу биогенных элементов. в ме-дицине применяются бромиды аммония (NH4Br), калия (квr) и на-трия (NaBr).

Иод. для животных и людей иод является необходимым микроэлементом. из общего количества иода в организме (25 мг) больше половины сосредоточено в щитовидной железе, где он входит в состав гормона тироксина. Этот гормон определяет об-щую интенсивность процессов обмена веществ в организме. при недостатке иода в организме задерживается образование в щито-видной железе тироксина, что приводит к развитию эндемического зоба. в ряде областей содержание иода в воде и почве ничтожно, что обусловливает и крайне низкое его содержание в пищевых продуктах. в этих случаях питьевая вода и обычная пища не по-крывают потребностей организма в иоде, заставляя прибегать к иодированию пищи (обычно путем добавления 15–20 мг KI или NaI на 1 кг поваренной соли).

пары иода ядовиты. они вызывают сильное катаральное вос-паление слизистой оболочки носа и глаз.

в медицине применяются:1) радиоактивный иод (изотопы 131I, 132I, 125I); благодаря корот-

кому периоду полураспада этих изотопов они используются для лечения и диагностики заболеваний щитовидной железы;

2) спиртовый раствор иода (5 или 10 %-й); применяют наружно как антисептическое средство, внутрь назначают для профилактики атеросклероза (по 1–10 капель 5 %-го раствора);

3) раствор люголя (раствор иода в водном растворе KI); ис-пользуют для смазывания слизистой оболочки глотки и гортани;

4) иодид калия KI, иодид натрия NaI; назначают при эндемиче-ском зобе; таблетки под названием «антиструмин», содержащие кI, используют для предупреждения эндемического зоба.

d-ЭлеМенты IB группы

Медь. в организме взрослого человека содержится около 100 мг меди. ионы меди по сравнению с ионами других металлов активнее реагируют с аминокислотами и белками, поэтому медь образует

46

с биологически активными веществами наиболее устойчивые ком-плексы (так называемые клешневидные или хелатные). предполага-ют, что в ходе эволюции, когда природа создавала систему переноса кислорода, у нее был выбор между железом и медью. по-видимому, первоначально у большинства животных пигментом крови служил медьсодержащий белок — гемоцианин, но позднее преимущество получил гемоглобин.

гемоцианины обнаруживаются только в плазме, в то время как гемоглобины расположены внутри красных кровяных клеток (эритроцитов), благодаря чему кровь может переносить гораздо большие количества кислорода. понятно, что высшие животные с их возросшей потребностью в кислороде должны были переключиться на гемоглобин, тогда как моллюски и членистоногие сохранили гемоцианин, вполне отвечающий их потребностям.

главная функция меди у высших организмов — каталитическая. в настоящее время известен целый ряд медьсодержащих ферментов (церулоплазмин, тирозиназа, цитохромоксидаза).

из соединений меди в медицине находит применение сульфат меди CuSо4 · 5H2о как антисептическое и вяжущее средство для наружного применения (раствор для смазывания ожоговой поверх-ности кожи, глазные капли и т. д.).

Серебро. Физиологическая роль серебра в живом организме изучена недостаточно. серебро — ультрамикроэлемент.

в медицине применяются:1) нитрат серебра AgNо3 (ляпис); вяжущее и прижигающее

средство, используется наружно. применяется в стоматологии для серебрения корневых каналов и кариозных полостей зубов перед их пломбированием. сначала из нитрата серебра получают аммиачный раствор оксида серебра и 10 %-й формалин. образующаяся сере-бряная пленка посылает в окружающее пространство ионы серебра, которые обладают бактерицидным действием;

2) бумага, вата, марля — бактерицидный перевязочный материал, пропитанный растворами нитрата и хлорида серебра.

Золото. золото как микроэлемент обнаружено в организме че-ловека, и его роль еще только начинают изучать.

47

в медицинской практике находят применение органические и неорганические соединения золота, радиоактивное золото и ме-таллическое золото.

радиоактивное золото (198аu) применяется для лечения злокаче-ственных опухолей. короткий период полураспада радиоактивного золота (2.69 дня) позволяет вводить препарат в организм без по-следующего его извлечения.

некоторые сплавы золота с медью и серебром находят приме-нение в зубном протезировании.

сплав 916-й пробы, содержащий 91.6 % аu, 4.2 % сu и 4.2 % Ag, используется для изготовления мостовидных протезов, коронок, вкладок, полукоронок и фасеток. сплав 750-й пробы содержит 75 % аu, 8.3 % Ag и 16.7 % сu, а сплав 583-й пробы — 58.3 % аu, 13.7 % Ag и 28 % сu.

d-ЭлеМенты IIB группы

Цинк. Физиологическая функция цинка осуществляется благо-даря связи его с ферментноактивными белками. высокое содержание цинка в эритроцитах объясняется тем, что большая часть его входит в состав угольной ангидразы (карбоангидразы), участвующей в газо-обмене и тканевом дыхании. карбоангидраза катализирует реакции:

н2о + со2 ↔ н2со3 ↔ н+ + нсо3–

он– + со2 ↔ нсо3–

Многие соединения цинка используются как вяжущие, анти-септические средства для наружного применения:

1) ZnSо4 · 7H2о — глазные капли;2) ZnO — присыпки, мази, пасты при кожных заболеваниях;3) цинк-инсулин — препарат для лечения сахарного диабета.Ртуть. ртуть — составная часть растительных и животных

организмов. накапливается главным образом в печени и почках. ртутное заражение почвы, природных вод, растений и животных в настоящее время характерно для многих регионов планеты. оно связано с поступлением большого количества ртути в биосферу

48

в виде продуктов промышленного производства, выхлопов транс-порта, ядохимикатов. при хроническом отравлении ртутью и ее соединениями появляются металлический привкус во рту, сильное слюнотечение, слуховые и обонятельные галлюцинации, головные боли, наблюдается ослабление памяти («меркуризм»).

хотя все ртутные соли ядовиты, многие из них применяются в медицине:

1) HgO (желтая ртутная мазь); используется для лечения кожных заболеваний;

2) HgCl2 (сулема); обладает высокой токсичностью, при работе с ней необходимо соблюдать большую осторожность; растворы в разведении 1 : 1000 применяются для дезинфекции белья, предме-тов ухода за больными, помещений, медицинского инструментария.

в медицине используют не только соединения, но и саму ртуть и ее пары (ртутные термометры, ртутные манометры в аппаратах для измерения кровяного давления). в больницах и физиотерапевти-ческих кабинетах поликлиник ультрафиолетовые лучи, полученные от ртутно-кварцевых ламп, глубоко прогревают ткани, губительно действуют на многие микроорганизмы.

в стоматологической практике находят значительное применение в качестве пломбировочного материала амальгамы (медная, серебря-ная, кадмиевая и т. д.). они легко размягчаются при нагревании, а при температуре тела становятся твердыми и образуют твердую пломбу. пломбирование зубов амальгамами недопустимо, если поблизости в ротовой полости имеются золотые коронки. дело в том, что золото легче образует амальгаму, поэтому наличие амальгамной пломбы может быстро привести к разрушению золотой коронки.

d-ЭлеМенты VIB и VIIB групп

Хром. хром — постоянная составная часть растительных и жи-вотных организмов. биологическая активность хрома объясняется главным образом способностью ионов сr3+ образовывать комплекс-ные соединения. например, ионы сr3+ участвуют в стабилизации структуры нуклеиновых кислот.

соединения хрома ядовиты и в медицине не применяются.

49

Марганец. Марганец — микроэлемент. биогенная функция ионов Мn2+ состоит в регуляции активности ферментов. поэтому ионы Мn2+ обладают широким спектром биологических эффектов: оказывают влияние на кроветворение, минеральный обмен, рост, размножение и т. д. кроме того, ионы Мn2+ стабилизируют структуру нуклеиновых кислот.

в медицине используется перманганат калия кМnо4. Этот антисептик применяется в водных растворах для промывания ран, полоскания горла и т. д.

d-ЭлеМенты VIIIB группы

Железо. среди биоэлементов, важных для жизнедеятельности всех живых существ, железо, по-видимому, играет доминирующую роль, так как является активатором многих каталитических про-цессов в организме и участвует в транспортировке газов кровью.

в организме взрослого человека содержится около 3.5 г железа. основная его масса сконцентрирована в дыхательном пигменте эри-троцитов — гемоглобине. гемоглобин — сложный белок, молекула которого состоит из двух частей: белковой (глобин) и железосодер-жащей (гем). гем — комплекс железа с порфирином (замкнутым циклом из четырех пиррольных колец). в составе молекулы гемо-глобина четыре гема, и в каждом по атому железа. и хотя на долю этих атомов приходится всего 0.35 % массы огромной молекулы, именно железо придает ей уникальное свойство — способность за-хватывать молекулярный кислород и отдавать его там, где он нужен.

значительная часть железа содержится в мышечном белке — миоглобине, структурном «родственнике» гемоглобина, который также способен обратимо связывать молекулярный кислород. при недостатке железа в организме человека (или большой потере его) развивается железодефицитная анемия.

для лечения железодефицитных анемий, а также при слабости и истощении организма применяются следующие препараты железа:

1) аскорбинат железа (II);2) драже Ферроплекс (сульфат железа (II) с аскорбиновой кис-

лотой);

50

3) гемостимулин, гематоген;4) сироп алоэ с железом.Кобальт. ион со3+ входит в состав витамина в12 (кобаламина).

Это единственный из ионов металлов, входящий в структуру ви-таминов. витамин в12 необходим для нормального кроветворения и созревания эритроцитов.

недостаток витамина в12 в организме вызывает злокачествен-ную анемию.

радиоактивный изотоп кобальта (60со) используется для диа-гностики и лечения злокачественных опухолей.

препараты, содержащие кобальт, — эффективные противоане-мические средства, например витамин в12 (цианокобаламин).

платиновые Металлы

к платиновым металлам принадлежат легкие металлы (рутений, родий, палладий) и тяжелые металлы (осмий, иридий и платина). в 70-е гг. XX в. появились сведения о противоопухолевой актив-ности некоторых комплексных соединений платины. по структуре большинство этих веществ неэлектролиты, цис-изомеры, производ-ные двух- и четырехвалентной платины. наиболее эффективными из них являются цис-дихлородиамминплатина [Pt(NH3)2]Cl2 и цис-тетрахлородиамминплатина [Pt(NH3)2]Cl4.

сплавы платина — иридий, платина — золото, а также сплавы палладия применяются при зубопротезировании. иридий в сплаве с платиной используется для изготовления электрических стиму-ляторов сердца.

51

3. Экологические аспекты действия неорганических веществ

проблема окружающей среды в значительной мере связана с отрицательным воздействием неорганических веществ. из неор-ганических веществ наибольшую экологическую опасность создают металлы и их соединения, накапливающиеся в природных водах, диоксид серы и оксиды азота, загрязняющие атмосферный воздух.

до наступления промышленной революции человек осущест-влял достаточный контроль над окружающей его средой, предохра-няя ее от полного разрушения. сегодня перед человечеством стоит проблема: как, увеличивая выпуск промышленной и сельскохозяй-ственной продукции, минимально загрязнять окружающую среду и сохранять природные ресурсы земли?

в результате быстрого развития техники количество металлов, используемых в производстве, необычайно выросло. если до второй мировой войны применялось не более половины всех элементов периодической системы д. и. Менделеева, то за послевоенный пе-риод почти все элементы этой системы нашли применение в разных отраслях техники и охвачены товарным производством.

незаменимыми стали легкие металлы (литий, магний, алю-миний, бериллий, кальций и др.), тугоплавкие металлы (ванадий, титан, вольфрам, кобальт, молибден, рений, стронций, тантал и др.). быстрорастущие потребности новых отраслей техники привели к росту и развитию производства драгоценных металлов (платины, палладия, рутения, иридия, осмия, золота, серебра и др.), редкозе-мельных металлов (церия, иттрия, лантана), металлов, обладающих рядом весьма ценных свойств (кадмия, галлия, индия, таллия, сурьмы, германия).

послевоенный период характеризуется необычайно расширив-шимся производством и применением «старых», тяжелых, высоко-токсичных металлов, таких, как ртуть, марганец, хром, никель, а также цветных металлов (медь, свинец, цинк и др.).

к настоящему времени широкое развитие получило производ-ство и применение сплавов металлов, их разнообразных неоргани-ческих и органических соединений.

52

увеличение контингента работающих, подвергающихся воздей-ствию металлов и их соединений, привело к тому, что в современной профессиональной патологии болезни, вызванные широкой группой металлов, занимают первое место, причем отмечается увеличение частоты этих заболеваний и особенно рост профессиональных ал-лергических дерматозов, в структуре которых растет частота экземы.

таким образом, соединения целого ряда металлов в современных условиях оказались ведущими аллергенами, а именно ими опреде-ляется уровень профессиональной патологии.

число людей, контактирующих с металлами, возрастает не только при их добыче, очистке, использовании, но и в результате увеличения загрязнения выбросами металлов атмосферы, почвы, воды вследствие накопления их в растениях, организмах животных и рыб. в условиях производства воздействию металлов и их соеди-нений подвержены люди не только в металлургии и металлохимии, но практически во всех отраслях добывающей и обрабатывающей промышленности, в строительстве, теплоэнергетике, машинострое-нии, химической промышленности, на транспорте и т. д. заболевания этих рабочих в результате аллергических, токсических, онкогенных воздействий металлов рассматривались в основном с позиций про-фессиональной патологии, и профилактические меры были направ-лены в первую очередь на оздоровление производственной среды. однако в последнее десятилетие металлопатология приобретает все более и более широкое распространение из-за угрожающе быстрого загрязнения металлами окружающей среды, и проблема оздоровле-ния среды обитания человека становится глобальной.

биологическая активность металлов связана с их способно-стью повреждать клеточные мембраны, повышать проницаемость барьеров, связываться с белками, блокировать многие ферментные системы, что в итоге ведет к токсическим изменениям. соединения металлов, хорошо растворимые в воде и биологических жидкостях, легче проникают через биологические барьеры и вызывают нару-шения в организме.

любой металл, поступивший тем или иным путем в организм, довольно быстро проникает в кровь. из крови ионы металлов пере-ходят во внутренние органы. обычно органами максимального

53

накопления металлов в организме являются печень, почки и костная система. из внутренних органов металлы медленно, приблизительно в течение 1 месяца, выделяются из организма, преимущественно почками или кишечником.

данные токсикометрии позволяют установить сравнительную токсичность всех металлов периодической системы д. и. Менде-леева и подчеркнуть большие различия в ней. если токсичность ионов натрия принять за единицу, то токсичность ионов ртути будет почти в 2300 раз выше. все металлы по степени токсичности можно разделить на три группы:

1) высокотоксичные металлы — ртуть, уран, индий, кадмий, медь, таллий, мышьяк, золото, ванадий, платина, бериллий, серебро, цинк, никель, висмут;

2) умеренно токсичные металлы — марганец, хром, палладий, свинец, осмий, барий, иридий, олово, кобальт, галлий, молибден, скандий, стронций, сурьма, рутений, родий, лантан, лантаноиды;

3) малотоксичные металлы — алюминий, железо, германий, кальций, магний, стронций, цезий, рубидий, литий, титан, натрий.

Металлы расположены по степени токсичности их иона в убы-вающем порядке. как видно, самым токсичным является ион ртути, а наименее токсичным — ион натрия.

ионы, которые относятся к группе высокотоксичных, вызывают в реальных условиях острые и хронические отравления. Это в основ-ном самые тяжелые металлы, имеющие высокий порядковый номер. к ним относятся переходные металлы, хотя имеются и исключения; в эту группу входит и такой легкий металл, как бериллий.

наиболее многочисленная группа умеренно токсичных металлов характеризуется способностью вызывать хронические отравления, часто с довольно тяжелыми клиническими проявлениями.

Малотоксичные металлы из группы щелочных и щелочноземель-ных проявляют свое действие как щелочи и не обладают заметной избирательностью. аэрозоли других металлов этой группы (герма-ния, алюминия, титана и т. д.) способны вызывать разнообразные изменения в легких.

крайне различная степень токсичности металлов определяется особенностями химических процессов при взаимодействии ионов

54

металлов с живыми структурами. при этом лишь в общем случае можно указать на зависимость токсичности от электронного строе-ния атомов металлов. характерной особенностью высокотоксичных элементов является незаполненность электронами внешнего и пред-внешнего энергетических уровней.

накопленные токсикологией сведения убедительно показывают, что токсичность неорганических соединений металлов — оксидов и солей — является функцией токсичности металлов в элементарной форме. Это в первую очередь относится к оксидам. то, что ядови-тость оксидов — функция металлов, подтверждается сходством специфических проявлений действия элементов и их оксидов. таким образом, окисление не оказывает решающего влияния на токсич-ность, а лишь изменяет в той или иной мере ее степень.

все оксиды металлов менее ядовиты, чем их соли, причем с увеличением токсичности элемента различие степени токсичности между оксидами и солями уменьшается.

из химических свойств для токсического действия металлов важной является их валентность. Моновалентные металлы дают бо-лее простую, а поливалентные — более сложную и пеструю картину отравления. в процессе метаболизма токсичность металла может существенно изменяться с изменением валентности. например, токсичность ванадия при его переходе из пятивалентного в трех-валентный резко уменьшается, а мышьяка, наоборот, возрастает.

с изменением валентности этих элементов связана детоксика-ция. для одних металлов (марганца, хрома, ванадия) токсичность растет с увеличением валентности, для других (сурьмы, мышьяка и др.) такой зависимости нет. от валентности зависит прочность связи металлов с активными группами белков (сульфгидрильными, аминными, карбоксильными и т. д.). образовав химическое соеди-нение с белком, металл вызывает изменение вторичной и третич-ной структур этого белка, что способствует формированию нового и чуждого для организма антигена, индуцирующего аллергизацию организма.

в организм человека металлы-аллергены поступают обычно в неблагоприятных производственных условиях, когда одновре-менно на него действует и ряд других высокотоксичных веществ

55

(оксиды азота, пары соляной кислоты, хлор, сернистый газ, моно-оксид углерода и др.), которые тоже обладают выраженным раз-дражающим и общетоксическим влиянием.

потенциально экологически опасным продуктом является диок-сид углерода, хотя он обычно не рассматривается как загрязнитель среды. увеличение концентрации диоксида углерода в атмосфере может вызвать парниковый эффект. диоксид углерода не погло-щает видимую и ближнюю ультрафиолетовую области солнечного излучения, доходящего до земли. с другой стороны, длины волн излучения, испускаемого землей, значительно больше, и некоторая часть этого инфракрасного излучения поглощается диоксидом угле-рода в атмосфере. поскольку температура земли сбалансирована благодаря равновесию между энергией, получаемой от солнца, и энергией, излучаемой обратно землей, такое поглощение энергии диоксидом углерода может изменить климат земли, даже вызвать таяние полярных льдов.

большую опасность с учетом масштабности действия пред-ставляют газовые выбросы высокотоксичных диоксидов серы и азота, которые происходят при переработке различных руд. взаи-модействуя с водой облаков, они создают кислотную среду (отсюда происхождение термина «кислые дожди»). обычно кислотность дождевой воды отвечает рн 5.6; известны случаи, когда значение рн достигало 4.3 и даже 1.5. кислые дожди оказывают вредное влияние на экологическую систему. если они выпадают в районах, богатых известняком, то влияние кислых дождей нейтрализуется. нейтрализация отсутствует в безызвестняковых горных породах и почвах, рн воды в озерах может опуститься ниже 5. вредное дей-ствие кислотности проявляется также в том, что кислотная среда переводит в раствор металлы из оксидов, а это могут быть такие токсичные металлы, как цинк, железо, марганец, алюминий и т. д.

серьезное осложнение в экологическую проблему городов вносит образование смога и аналогичных загрязнений за счет высокотоксичных оксидов азота, которые в значительном коли-честве выделяются при работе двигателей внутреннего сгорания. процесс образования смога включает следующие неорганические реакции: N2 + о2 → 2NO (в цилиндре двигателя), 2NO + о2 → 2NO2,

NO2 + hν → NO + о, о + о2 → о3. озон, образующийся в этом процессе, является сильным окислителем, кроме того, он обладает раздражающим действием.

воздух загрязняется также промышленными дымами, которые могут содержать, помимо сажи, частицы тяжелых металлов, вы-зывающие заболевания легких. улавливание таких металлов — не-обходимое санитарно-гигиеническое требование.

Список использованной литературы

введение в химию биогенных элементов и химический анализ : учеб. по-собие / ред. е. в. барковский. — Минск : вышэйш. шк., 1997. — 176 с.

Ершов Ю. А. общая химия. биофизическая химия. химия биогенных эле-ментов : учеб. для студентов вузов / ю. а. ершов, в. а. попков, а. с. берлянд, а. з. книжник ; под ред. ю. а. ершова. — М. : высш. шк., 2005. — 560 с.

Лурье Ю. Ю. справочник по аналитической химии / ю. ю. лурье. — изд. 6-е, перераб. и доп. — М. : альянс, 2013. — 448 с.

практикум по неорганической химии : учеб. пособие для вузов / в. а. але-шин, к. М. дунаева, а. и. Жиров и др. ; под ред. ю. д. третьякова. — М. : Academia, 2004. — 384 c.

Чистяков Ю. В. основы бионеорганической химии : учеб. пособие / ю. в. чистяков. — М. : химия : колосс, 2007. — 539 с.

Список рекомендуемой литературы

Ахметов Н. С. лабораторные и семинарские занятия по общей и неор-ганической химии : учеб. пособие для вузов / н. с. ахметов, М. к. азизова, л. и. бадыгина. — 5-е изд., испр. — М. : высш. шк., 2003. — 367 с.

Ахметов Н. С. общая и неорганическая химия : учеб. / н. с. ахметов. — 8-е изд., стер. — спб. [и др.] : лань, 2014. — 752 с.

Степин Б. Д. неорганическая химия : [учеб. для хим. и химико.-технол. вузов] / б. д. степин, а. а. цветков ; под ред. б. д. степина. — М. : высш. шк., 1994. — 607 с.

Угай Я. А. общая и неорганическая химия : учеб. для вузов / я. а. угай. — 5-е изд., стер. — М. : высш. шк., 2007. — 523 с.

Чистяков Ю. В. основы бионеорганической химии : учеб. пособие / ю. в. чистяков. — М. : химия : колосс, 2007. — 539 с.

58

прилоЖение

Таблица 1 Произведение растворимости (ПР) некоторых соединений

(18–25 °С)

соединение произведение растворимости соединение произведение

растворимости

Al(OH)3 1 · 10–32 CuS 6.3 · 10–36

Sb(OH)3 4 · 10–42 FeS 5.0 · 10–18

Cu(OH)2 2.2 · 10–20 MnS 2.5 · 10–10

Mg(OH)2 1.1 · 10–11 PbS 2.5 · 10–27

Ca(OH)2 5.5 · 10–6 ZnS 1.6 · 10–24

Cr(OH)3 6.3 · 10–31 CaSO4 9.1 · 10–6

Mn(OH)2 1.6 · 10–13 SrSO4 3.2 · 10–7

Fe(OH)2 1 · 10–15 BaSO4 1.1 · 10–10

Fe(OH)3 3.2 · 10–38 BaSO3 8 · 10–7

AgCl 1.8 · 10–10 CaC2O4 2.3 · 10–9

AgBr 5.3 · 10–13 Ag3PO4 1.3 · 10–20

AgI 8.3 · 10–17 Ca3(PO4)2 2 · 10–29

CuI 1 · 10–12 AlPO4 5.8 · 10–19

59

Таблица 2Степень диссоциации электролитов 0.1 н растворов при 18 °С

кислота α, % основание α, %

HNO3 92 KOH 91

HCl 92 NaOH 91

HBr 92 NH3·H2O 1.3

HI 92 Ca(OH)2 78

HF 8.5

H2SO4 58 соль

H2S 0.07 NaCl 84

H2SO3 34 NH4Cl 85

H3PO4 27 KNO3 83

CH3COOH 1.3 CH3COONa 79

H2C2O4 31

H2CO3 0.17

60

Таблица 3Константы нестойкости (КН) комплексных ионов

Формула кн Формула кн

[FeF6]3– 1.8 · 10–16 [Cu(NH3)4]

2+ 2.1 · 10–13

[AlF6]3– 2.1 · 10–16 [Zn(NH3)4]

2+ 4.2 · 10–12

[Fe(CN)6]4– 1 · 10–37 [Ni(NH3)4]

2+ 2.0 · 10–8

[Fe(CN)6]3– 1 · 10–44 [Ag(NH3)2]

+ 9.3 · 10–8

[Fe(CNS)6]3– 5.9 · 10–3 [Co(C2O4)2]

2– 1 · 10–6

[Cr(OH)6]3– 1.3 · 10–30 [Cu(C2O4)2]

2– 1 · 10–10

[Al(OH)6]3– 1 · 10–33 [Ni(C2O4)2]

2– 1 · 10–7

[Zn(OH)4]2– 1 · 10–15

[Sn(OH)4]2– 1 · 10–25

[Pb(OH)4]2– 1 · 10–14

[CuCl4]2– 7.9 · 10–3

Таблица 4 Растворимость некоторых соединений

(г на 100 г Н2О при 20 °С)

ион Li+ Na+ K+ NH4+ Mg2+ Ca2+ Sr2+ Ba2+

OH– 12.3 109 112 52.6 0.01 0.165 0.81 3.89F– 0.27 4.03 94.9 82.6 0.008 1.610–3 0.0117 0.163Cl– 78.5 36 34 37.2 53.5 74.5 52.9 35.7I– 165 178.7 144 172.3 139.8 208.6 177.8 322S2– 18.8 7.86SO4

2– 34.2 19.4 11.1 754 30.9 0.203 2.3 · 10–4

NO2– 73.5 84.5 298.4 180.1 88.0 64.0 70.4

NO3– 74.5 88 31.6 192.0 65.3 129.3 70.5 9.2

CO32– 1.33 21.5 110.5 100 0.01 0.0013 0.001 0.0017

HCO3– 9.6 32 21.4 0.166

PO43– 0.03 11 98.5 37.4

H2PO4– 85.2 22.6 141.5 15.4

CH3COO– 46.5 255.6 63.4 34.7 71.0

ион Al3+ Cu2+ Ag+ Zn2+ Fe2+ Fe3+ Pb2+

OH– 0.002 5 · 10–4 5 · 10–5 0.01F– 0.5 172 0.06Cl– 45.9 72.7 1.5 · 10–4 367.5 62.6 91.9 0.8I– — 3 · 10–7 436.3 0.05S2– 1 · 10–5

SO42– 36.4 20.7 0.79 54.4 26.5 313 4 · 10–3

NO2– 0.34

NO3– 73.9 124.8 227.9 118.3 26.5 82.5 51.6

CO32– — 0.03 0.004 — 3 · 10–4

PO43– 9 · 10–5

CH3COO– 69.8

заведующий редакцией М. А. Овечкинаредактор Т. А. Федоровакорректор Т. А. Федороваоригинал-макет Л. А. Хухаревой

у ч е б н о е и з д а н и е

составители

тарасова наталия александровнаатманских ирина николаевна

кочетова надежда александровна

общаяи бионеорганическая

хиМия

учебно-методическое пособие

план выпуска 2016 г. подписано в печать 18.02.2016Формат 60 × 841/16. бумага офсетная. гарнитура Timеs.уч.-изд. л. 3,3. усл. печ. л. 3,7. тираж 150 экз. заказ 22.

издательство уральского университета620000, г. екатеринбург, ул. тургенева, 4.

отпечатано в издательско-полиграфическом центре урФу620000, екатеринбург, ул. тургенева, 4.

тел.: + (343) 350-56-64, 350-90-13Факс +7 (343) 358-93-06

E-mail: press-urfu@mail.ru

для заМеток