Химия. S элементы

s-ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

1. Общая характеристика s-элементов.

 

К блоку s-элементов относятся 13 элементов, общим для которых является застраивание в их атомах s-подуровня внешнего энергетического уровня. Электронная формула внешней оболочки элементов IА-группы и водорода ns¹ , а элементов IIА-группы и гелия ns² . Хотя водород и гелий относят к s-элементам, из-за специфики свойств их целесообразно рассматривать отдельно.

Как следует из электронных формул, элементы IА-группы имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s-электрону, а элементы IIА-группы — по два электрона.

Химические  свойства s-элементов IА- и IIА-групп сходны. s-Элементы легко отдают валентные s-электроны, т. е. они представляют собой сильные восстановители. Элементные вещества — типичные металлы, обладающие блеском, высокой электрической проводимостью и теплопроводностью, химически весьма активны.

s-Элементы имеют малые значения энергии ионизации при относительно больших радиусах атомов и ионов. Как правило, они образуют соединения с ионным типом связи, исключение составляет водород, для которого в соединениях даже с самыми электроотрицательными элементами (например, в воде) характерна преимущественно ковалентная связь. Частично ковалентный характер связи в соединениях в известной мере имеет место у лития, бериллия и магния.

Большинство природных соединений натрия, калия, кальция, стронция растворимы в воде и слабых кислотах, и поэтому ионы этих металлов могут мигрировать  из водных растворов в организм растений, животных и человека.

Водород, натрий, калий, магний, кальций — жизненно необходимы для живых и растительных организмов.

 

2. Водород и  его соединения.

 

Водород — наиболее легкий s-элемент. Электронная формула валентной оболочки 1s¹ Водород относится к макроэлементам и играет важную роль в живых организмах. В периодической системе водород помещают как вместе с щелочными металлами, так и с галогенами. Действительно, водород сходен с элементами IА-группы — щелочными металлами (образование иона Н⁺, восстановительная способность, взаимодействие с неметаллами).

Однако  гораздо большее сходство водород  имеет с галогенами: газообразное состояние при обычных условиях, двухатомная молекула простого вещества Н₂, неполярная связь в молекуле Н₂, полярные связи в соединениях с неметаллами, образование гидрид-иона Н^- в соединениях с металлами NаН, СаH₂ (подобно иону Г^- в галогенидах металлов NаГ, СаГ₂).

Таким образом, водород является элементом  со специфическими свойствами и его следует рассматривать отдельно.

Основная  особенность атома водорода заключается в том, что в отличие от других элементов его валентный электрон непосредственно находится в поле действия атомного ядра, так как отсутствуют промежуточные электронные оболочки, имеющиеся у других элементов. Другое отличие водорода — ионизированный атом — ион Н⁺ представляет собой элементарную частицу — протон весьма малых размеров (10^-15 м).

Водород является одним из самых распространенных элементов Вселенной.

Концентрирование  водорода в организме человека —  около 10% (7 кг) по сравнению с его  содержанием в земной коре (1%)—свидетельствует об исключительной роли водорода в биологических процессах. На 100 атомов водорода в организме человека приходится всего 58 атомов остальных элементов. В организме человека водород содержится в виде различных биоорганических соединений и воды.

Известны  три изотопа водорода: протий (H), дейтерий (D), тритий (Т). Протий и дейтерий — стабильные изотопы, тритий — радиоактивен (период полураспада 12,5 лет).

В настоящее  время дейтерий широко используют в  качестве метки, вводимой в различные лекарственные препараты для исследования их фармако-кинетики.

Широкое применение находит и тритий, являющийся излучателем β-частиц. Этот изотоп используется в качестве метки для изучения различных метаболических реакций и для диагностики ряда заболеваний. Особенно часто реагенты, меченные тритием, используются при исследованиях механизма действия ферментов.

Тритий  используют для определения общего количества воды в организме. Для этого в организм вводят определенное количество воды, содержащей известную долю трития. После полного усвоения введенной воды отбирают образец сыворотки крови и определяют в нем радиоактивность трития. Зная радиоактивность вводимой порции воды и радиоактивность сыворотки крови, можно рассчитать общее количество воды в организме.

Хотя  дейтерий не радиоактивен, при работе с дейтерированными соединениями необходимо учитывать токсическое действие дейтерия на живые организмы.

Простые вещества. Водород образует двухатомные молекулы. Наличие трех изотопов обусловливает способность водорода образовывать молекулы протия Н₂, дейтерия D₂, трития Т₂, протодейтерия НD, прототрития НТ, дейтеротрития DТ.

Наибольший  интерес в связи с большой  распространенностью в земной коре и живых организмах изотопа протия представляют свойства простого вещества протия Н₂ — диводорода, в дальнейшем именуемого просто водородом.

Водород — самый легкий из всех газов. Малорастворим в воде, но хорошо растворим в некоторых металлах: Рt, Рd и др. Вследствие неполярности и большой прочности молекулы Н₂ при комнатной температуре водород малоактивен и взаимодействует только с фтором. При нагревании водород реагирует со многими неметаллами — хлором, бромом, серой, кислородом и др. Восстановительная способность водорода используется для получения некоторых простых веществ из оксидов и галогенидов. Так, например, при высокой температуре происходит восстановление оксида меди (II):

СuО(т) + Н₂(г) = Сu(т) + Н₂О(г)

Вследствие  высокого поляризующего действия протон никогда не существует как таковой, он обязательно соединяется с другими атомами и молекулами, например, с водой ион водорода Н⁺ образует ион оксония Н₃О⁺. В организме человека в соединениях с углеродом, азотом, серой водород ковалентно связан. Небольшая часть водорода находится в виде иона оксония Н₃О⁺ (например, в желудочном соке). Содержащиеся в желудочном соке ионы оксония проявляют, с одной стороны, противомикробное действие — убивают многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей. С другой стороны, ионы Н₃О⁺ оказывают каталитическое действие — при их участии гидролизуются белки, полисахариды и другие биоорганические соединения.

Спецификой  строения атома водорода обусловлено  образование водородной связи. В живых организмах водородные связи имеются как в самом растворителе — воде, так и в растворенных в ней веществах — сахарах, белках, нуклеиновых кислотах и др.

Во  всех соединениях, содержащихся в живых  организмах, водород имеет степень  окисления +1.

Наряду  со способностью отдавать электрон атом водорода может присоединять электрон. При этом образуется отрицательный ион водорода — гидрид — Н^-, имеющий устойчивую электронную конфигурацию благородного газа гелия. В виде иона Н^- водород находится в соединениях с активными металлами — гидридах. При взаимодействии водорода с такими металлами проявляется его окислительная способность.

Биологическая роль важнейших соединений водорода и их применение в медицине. Вода — одно из самых важных и распространенных на Земле соединений водорода. Водное пространство занимает почти 75% поверхности земного шара. В организме взрослого человека в среднем содержится 65—67% воды, у эмбрионов (4-месячных) — 94, у новорожденных — 74%.

Все химические реакции в организме  протекают только в водной среде. Жизнь без воды невозможна. Дистиллированная вода — фармакопейный препарат.

Тяжелую воду D₂О широко применяют для изучения движения воды в растениях и скорости всасывания воды в человеческом организме. Например, использование D₂О позволило установить, что в тканях некоторых растений вода двигается со скоростью 14 м в час, а вода, выпитая человеком, за 2 ч полностью распределяется по органам и тканям организма, и лишь через две недели полностью выводится из него.

В медицинской  практике находит применение еще  одно соединение водорода — пероксид водорода Н₂О₂. Это соединение является важным побочным продуктом метаболизма.

Пероксид водорода — бесцветная, прозрачная жидкость. При попадании на кожу и слизистые вызывает жжение. Строение молекулы Н₂О₂ показано на рис. 6.1. Молекула Н₂О₂ полярна, дипольный момент р =7,1 D. Наличие неподеленных пар электронов у атомов кислорода делает возможным образование донорно-акцепторных связей пероксида водорода с лигандами — акцепторами электронов.

Степень окисления кислорода в Н₂О₂ равна -1, т.е. имеет промежуточное значение между степенью окисления кислорода в воде (—2) и в элементном кислороде О₂ (0). Из этого следует, что пероксид водорода может проявлять как свойства окислителя, так и свойства восстановителя (окислительно-восстановительная двойственность). Однако, для пероксида водорода более характерны окислительные свойства. Большинство встречающихся на практике веществ имеет более низкие окислительно-восстановительные потенциалы и Н₂О₂ может их окислять. Восстанавливать пероксид водорода может лишь относительно небольшую группу веществ.

В качестве примера реакции, в которой Н₂О₂ выступает окислителем, можно привести реакцию окисления сульфида никеля (II) в кислой среде до элементной серы:

NiS + H₂O₂ + 2CH₃COOH = Ni(СНзСОО)₂ +S + 2H₂O

При взаимодействии с очень сильными окислителями, например с РbО₂ в кислой среде, Н₂О₂ выступает в качестве восстановителя:

РbО₂ + Н₂O₂ + 2СН₃СООН = Рb(СН₃СОО)₂ + О₂ + 2Н₂О

Чистый  пероксид водорода термодинамически нестабилен и при стоянии разлагается со взрывом на воду и кислород с выделением большого количества теплоты:

2Н₂О₂(ж) = 2Н₂О + О₂

Такое разложение Н₂О₂ является реакцией диспропорционирования (самоокисления — самовосстановления).

Водные  растворы пероксида водорода более устойчивы, в прохладном месте они могут сохраняться длительное время. В продажу пероксид водорода обычно поступает в виде 30%-ного водного раствора — пергидроля.

Обычно  в митохондриях атомы водорода, отщепленные  от субстратов дегидрогеназами, передают свои электроны через цепь переносчиков кислороду О₂, который восстанавливается при этом до воды:

О₂ + 4Н⁺ + 4е^~ = 2Н₂О

Для клетки очень важно, чтобы, присоединив 4 электрона, молекула кислорода восстанавливалась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода, например в случае присоединения 2 электронов, образуется пероксид водорода:

О₂ + 2Н⁺ + 2е^- = Н₂О₂

а при  присоединении  1 электрона —  надпероксидный  (супероксидный) радикал О₂^-:

О₂ + е^- = О₂^-

Процесс разложения пероксида водорода значительно ускоряется в присутствии солей тяжелых металлов. Катализируемое ионом металла разложение пероксида водорода может приводить к образованию радикалов, наиболее важными из которых являются гидроксидный НО• и гидропероксидный НО₂•. Например, под действием Fе²⁺ происходит разрыв связи НО—ОН:

Fе²⁺ + Н₂О₂ → •ОН + ОН^- + Fе³⁺

Важные  промежуточные продукты восстановления элементного кислорода до воды — пероксид водорода и супероксидный радикал очень токсичны для клетки. Токсичность связана с тем, что Н₂О₂ и О₂ взаимодействуют с липидным слоем клеточных мембран и повреждают их.

Аэробные  клетки могут защитить себя от вредного действия водородпероксида и супероксид-радикала с помощью ферментов каталазы и, супероксиддисмутазы. Под действием медьсодержащего фермента супероксиддисмутазы (СОД) супероксидный радикал превращается в водородпероксид и элементный кислород, а под действием каталазы пероксид водорода превращается в воду и элементный кислород:

2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂

Освободившийся  кислород принимает участие в  дальнейших процессах биологического окисления.

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 двойную роль:

1) оказывает  противомикробное, дезодорирующее и депигментирующее действие, убивая микробные тела;

2) 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 пероксида водорода применяют для обесцвечивания волос. В виде 30%-ного раствора пероксида водорода применяют при лечении бородавчатой формы красного плоского лишая и для удаления юношеских бородавок.

Наряду  с окислительно-восстановительными свойствами Н₂О₂ проявляет и кислотно-основные. В молекуле пероксида водорода связи между атомами водорода и кислорода полярны, поэтому в водном растворе пероксида водорода ведет себя как очень слабая двухосновная кислота, т.е. отщепляет протоны. Н₂О₂ в незначительной степени ионизирует по первой ступени: