Химия и биологическая роль элементов IIA группы

ГБОУ ВПО ОрГМУ МИНЗДРАВА РОССИИ Кафедра медицинской и фармацевтической химии Реферат Химия и биологическая роль элементов IIA группы Выполнила Студентка 123 гр Девяткина А. А Проверила: к.б.н., доцент кафедры химии и фармацевтической химии Шарапова Н. В Оренбург 2015

1. Общая характеристика, краткие сведения об истории открытия элементов и их распространённости в природе

2. Изменения в группе величины радиусов атомов и ионов, потенциал ионизации

3. Сравнение свойств простых веществ IIA группы

4. Реакции комплексообразования соединений IIA группы

5. Качественные реакции на ионы магния, кальция, стронция, бария

6. Биологическая роль магния и кальция: содержание в организме, суточная потребность, локализация в органах и тканях, значение для организма

7. Антагонизм магния и кальция

8. Соединения магния, кальция и бария как лекарственные средства

9. Токсичность бериллия и бария

1. Общая характеристика, краткие сведения об истории открытия элементов и их распространённости в природе

s-Элементы расположены в IIА подгруппе периодической системы Д. И. Менделеева (Это Берилий, Магний, Кальций, Стронций, Барий, Радий). На внешнем электронном уровне у них имеется два электрона, которые легко отдают атомы s-элементов, превращаясь в двузарядные ионы. С увеличением числа валентных электронов на энергитическом уровне энергия ионизации атомов увеличивается (Энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома), а следовательно, восстановительные свойства атомов уменьшаются.

Входящие в состав этой группы кальций, стронций и барий издавна получили название щелочно-земельных металлов. Такое название связано с тем, что гидроксиды этих элементов обладают щелочными свойствами, а их оксиды по тугоплавкости сходны с оксидами алюминия и тяжёлых металлов, носивших прежде общее название земель.

Элементы IIА группы — металлы серебристо-белого цвета, легкие и довольно твёрдые. Они непосредственно соединяются с кислородом, водородом, галогенами, серой, азотом, фосфором и углеродом. На воздухе покрываются защитной плёнкой, которая состоит из оксидов и частично нитридов и карбонатов.

В свободном виде эти металлы получают главным образом электролизом их расплавленных солей. Радий выделяют обработкой урановых руд. В воде катионы s-элементов гидратированы и образуют аквакомплексы ([Ca (H2O)6]2+) за счёт электростатического притяжения дипольных молекул воды. Поскольку электронная оболочка ионов s-элементов имеет устойчивую конфигурацию инетрного газа и лиганды (молекулы воды) мало влияют на состояние электронов, все они в водных растворах бесцветны. Ионы s-элементов в водных растворах могут образовывать комплексные соединения с органическими и неорганическими лигандами, но устойчивость этих комплексов мала, так как s-элементы образуют с лигандами связь, приближающуюся к ионной. Наименьшая устойчивость комплексных соединений наблюдается у ионов с большим радиусом и малым зарядом. У катионов IIА группы с повышением заряда и уменьшением радиуса устойчивость комплексов увеличивается.

Соли элементов IIА группы подвергаются гидролизу в том случае, когда соль образована сильным основанием и слабой кислотой. При растворении такой соли в воде она полностью диссоциирует. Образуется слабая кислота и гидроксид-ионы:

А- +НОН = НА + ОН;

Р-ры таких солей имеют елочную реакцию среды. Гидролиз идёт по аниону.

Щелочноземельные металлы могут соединяться с водородом, образуя гидриды, аналогичные гидридам щелочных металлов. Замечательна склонность щелочноземельных металлов соединяться с азотом, возрастающая по мере увеличения их атомной массы. Уже при комнатной температуре щелочноземельные металлы медленно соединяются с азотом, образуя нитриды.

Говоря о том, сколь часто встречаются природе атомы того, или иного элемента, обычно указывают его распространенность в земной коре. Под земной корой понимают атмосферу, гидросферу и литосферу нашей планеты. Так, в земной коре наиболее распространены четыре из этих тринадцати элементов: Na (w =2,63%), K (w = 2,41%), Mg (w = 1,95%) и Ca (w = 3,38%). Остальные встречаются значительно реже, а франций вообще не встречается.

Берилий открыт в 1798 г. французским химиком Луи Никола Вокленом. Большую работу по установлению состава соединений бериллия и его минералов провёл русский химик И. В. Авдеев. Именно он доказал, что оксид бериллия имеет состав BeO.

Магний. В 1695 году из минеральной воды Эпсомского источника в Англии выделили соль, обладавшую горьким вкусом и слабительным действием. Аптекари называли её горькой солью. Минерал эпсомит имеет состав MgSO4 · 7H2O. Латинское название элемента происходит от названия древнего города Магнезия в Малой Азии, в окрестностях которого имеются залежи минерала магнезита. Впервые магний был выделен в чистом виде сэром Хемфри Дэви в 1808 году. Большие количества магния находятся в морской воде. Магнезиальные соли встречаются в больших количествах в солевых отложениях самосадочных озёр. Месторождения ископаемых солей карналлита осадочного происхождения известны во многих странах.

Из-за высокой химической активности кальций в свободном виде в природе не встречается. На долю кальция приходится 3,38% массы земной коры. Новый элемент обнаружили в минерале стронцианите, найденном в 1764 году в свинцовом руднике близ шотландской деревни Строншиан, давшей впоследствии название новому элементу. В свободном виде стронций не встречается. Он входит в состав около 40 минералов. Из них наиболее важный — целестин. Чаще всего стронций присутствует как примесь в различных кальциевых минералах.

Барий был открыт в виде оксида BaO в 1774 г. Карлом Шееле. Своё название получил от древнегреческого «тяжёлый», так как его оксид (BaO) был охарактеризован, как имеющий необычно высокую для таких веществ плотность. В Российской Федерации радий впервые был получен в экспериментах известного советского радиохимика В. Г. Хлопина. Название «радий» связано с излучением ядер атомов радия.

2. Изменения в группе величины радиусов атомов и ионов, потенциал ионизации В группе восстановительные свойства s-элементов увеличивается сверху вниз, так как увеличивается атомный радиус и уменьшается в том же направлении энергия ионизации. Степень поляризации иона связана с его зарядом и радиусом. Чем больше заряд иона и меньше его радиус, тем больший поляризующий эффект оказывает ион и тем меньше он сам способен к поляризации. Под поляризацией понимают смещение электронных оболочек относительно ядра, что приводит к образованию новых диполей. По активности эти элементы уступают только щелочным металлам. Изменение радиуса иона оказывает большое влияние на его основные свойства. Гидроксиды катионов s-элементов обладают выраженными основными свойствами, что объясняется непрочностью ионной связи Э-ОН. Растворимость гидроксидов s-элементов связана также с изменением радиуса иона. С увеличением поляризующей способности иона увеличивается прочность связи катиона с гидроксид-ионом и уменьшается растворимость основания.

3. Сравнение свойств простых веществ IIA группы Общим свойством всех щелочноземельных металлов является то, что на воздухе они быстро покрываются защитной плёнкой, состоящеё в основном из оксидов. Так же все они — довольно твёрдые и лёгкие.

На бериллий вода почти не действует, в кислотах же он легко растворяется с выделением водорода. Для бериллия характерно, что в водных растворах щелочей он тоже растворяется. Металлический бериллий обладает многими замечательными свойствами: тонкие пластинки бериллия хорошо пропускают рентгеновские лучи и служат незаменимым материалом для изготовления окошек рентгеновских трубок. Be (OH)2 — единственное в подгруппе основание, обладающее амфотерными свойствами.

Магний разлагает воду очень медленно, вследствие образования малорастворимого гидроксида магния. Легко растворяется в кислотах. Щелочи на магний не действуют. При нагревании на воздухе сгорает, образуя оксид магния MgO. Кальций представляет собой ковкий и твёрдый белый металл.

При нагревании он сгорает ярким красноватым пламенем. С холодной водой реагирует сравнительно медленно, но из горячей воды быстро вытесняет водород, образуя гидроксид Кальций — очень активный металл, легко соединяющийся с галогенами, серой, азотом и восстанавливающий при нагревании оксиды многих металлов. При нагреваyии в струе водорода металлический кальций соединяетсz с водородом, образуя гидрид.

Металлические стронций и барий очень активны, быстро окисляются на воздухе, довольно энергично взаимодействуют с водой (особенно барий) и непосредственно соединяются со многими элементами.

Соли стронция окрашивают пламя в карминово-красный, а соли бария в желтовато-зелёный цвет.

4. Реакции комплексообразования соединений IIA группы

Be + 2NaOH +2H2O = Na2[Be (OH)4] + H2(газ) — тетрагидроксобериллат натрия.

BeF2 + 2KF = K2[BeF4] - тетрафторбериллат калия.

Be (OH)2 + 2NaOH = Na2[Be (OH)4]

Be2+ + 2CO32- > [Be (CO3)2]2;

5. Качественные реакции на ионы магния, кальция, стронция, бария Катионы магния, кальция, бария и стронция относятся ко II аналитической группе, которая характеризуется наличием группового реагента (NH4)2CO3, осаждающего любой из приведённых катионов из его раствора.

Реакции обнаружения катиона магния Mg2+

Групповой реагент. Карбонат аммония с раствором соли магния образует белый амфотерный осадок основной соли (MgOH)2CO3, растворимый в избытке NH4Cl

2MgCl2 + 2(NH4)2CO3 + H2O = (MgOH)2CO3(осадок) + CO2(газ) + 4NH4Cl,

2Mg2+ + 2CO32- + H2O = (MgOH)2CO3(осадок) + CO2(газ) Реакции обнаружения катиона бария Ba2+

Групповой реагент. Карбонат аммония осаждает катион бария из растворов его солей в виде белого аморфного постепенно кристаллизирующегося осадка BaСО3

BaCl2 + (NH4)2CO3 = BaCO3(осадок) + 2NH4Cl,

Ba2+ + CO32- = BaCO3(осадок).

Осадок хорошо растворим в кислотах, в том числе и слабых.

Обнаружение.

Дихромат калия K2Cr2O7 образует с раствором соли бария жёлтый осадок BaCrO4, нерастворимый в уксусной кислоте, в отличие от хромата стронция:

2Ba2+ + Cr2O72- + H2O = 2BaCrO4(осадок) + 2H+.

Реакции обнаружения катиона кальция Ca2+

Групповой реагент.

Карбонат аммония осаждает из растворов солей кальция аморфный белый осадок CaCO3, который при нагревании переходит в кристаллический:

CaCl2 + (NH4)2CO3 = CaCO3(осадок) + 2NH4Cl,

Ca2+ + CO32- = CaCO3(осадок).

Осадок легко растворяется в минеральных и уксусной кислотах.

Обнаружение. Оксалат аммония образует с раствором соли кальция белый кристаллический осадок, растворимый в соляной, но не растворимый в уксусной кислоте.

CaCl2 + (NH4)2C2O4 = CaC2O4(осадок) + 2NH4Cl,

Ca2+ + C2O42- = CaC2O4.

Аналогичный осадок дают ионы бария и стронция, поэтому этой реакцией можно обнаружить кальций только при отсутствии этих двух ионов.

Реакции обнаружения катиона стронция Sr2+

Групповой реагент. Карбонат аммония при взаимодействии с растворами солей стронция осаждает карбонат стронция белого цвета, растворимый в уксусной, соляной и азотной кислотах:

SrCl2 + (NH4)2CO3 = SrCO3(осадок) + 2NH4Cl.

Обнаружение. Насыщенный раствор гипса образует с ионами Sr2+ белый осадок сульфата стронция:

Sr2+ + SO42- = SrSO4(осадок).

Однако при действии гипсовой воды ион стронция даёт не обильный осадок, а только помутнение, появляющееся не сразу из-за образования пересыщенного раствора. Появление осадка ускоряется нагреванием.

6. Биологическая роль магния и кальция: содержание в организме, суточная потребность, локализация в органах и тканях, значение для организма Биороль магния: Всего в организме человека содержится около 40 г магния, из них более половины находится в костной ткани. Основная масса магния, находящегося вне костей, сосредоточена внутри клеток. Ионы магний 2+ являются вторыми по содержанию внутриклеточными катионами после ионов калия. Поэтому ионы магния играют важную роль в поддержании осмотического давления внутри клеток. В организме человека и животных ионы магния являются одними из основных активаторов ферментативных процессов. Ионы магния, введённые подкожно или в кровь, вызывают угнетение центральной нервной системы и приводят к наркотическому состоянию, понижению кровяного давления и т. д. Топография магния в организме человека следующая: дентин и эмаль зубов, кости скелета, поджелудочная железа, скелетные мышцы, почки, мозг, печень и сердце. Суточная потребность в магнии взрослого человека — около 10 мг на 1 кг массы тела. Ионы магния тормозят выделение ацетилхолина, способствуют выделению холестерина из организма, стимулируют перистальтику кишок и желчеотделение, влияют на углеводно-фосфорный обмен и синтез белка. Ионы магния являются антагонистами ионов кальция.

Кальция: Это один из пяти (O, C, H, N, Ca) наиболее распространённых элементов в организме человека (1,5%). Основная масса имеющегося в организме кальция находится в костях и зубах. В составе плотного матрикса кости входит термодинамически и кинетически устойчивая при pH 7,40 форма фосфата кальция — гидроксифосфат кальция Ca5(PO4)3OH. Фракция внекостного кальция, хотя она составляет всего 1% его общего содержания в организме, очень важна из-за её воздействия на свёртываемость крови, нервно-мышечную возбудимость и сердечную мышцу. Суточная потребность организма в кальции 0,8−0,9 г. Ионы кальция принимают участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердца, свёртывании крови. Его уменьшение в организме сопровождается возбуждением нервной системы. Ионы кальция влияют на кислотно-основное равновесие, функцию эндокринных желёз. Находится в антагонизме с ионами калия, натрия и магния.

7. Антагонизм магния и кальция Избыточное поступление в организм магния может привести к дефициту кальция. Избыточное потребление кальция может препятствовать усвоению магния организмом.

Основные проявления дефицита магния:

утомляемость, раздражительность;

потеря аппетита, тошнота, рвота, диарея, запоры;

заболевания сердечно-сосудистой системы (магнийзависимые аритмии, ангиоспазмы, стенокардия, гипертоническая болезнь, при рисках тромбозов и инфарктов);

истощение функции надпочечников;

начальные стадии развития сахарного диабета;

мышечная слабость, судороги мышц;

начальные стадии развития мочекаменной и желчнокаменной болезни;

иммунодефициты (возможно, повышенный риск опухолевых заболеваний).

Основные проявления избытка магния:

вялость, сонливость, снижение работоспособности;

диарея.

Основные проявления дефицита кальция .

общая слабость, повышенная утомляемость;

боли, судороги в мышцах;

боли в костях, нарушения походки;

нарушения процессов роста;

гипокальциемия, гипокальциноз;

декальцинация скелета, деформирующий остеоартроз, остеопороз, деформация позвонков, переломы костей;

мочекаменная болезнь;

болезнь Кашина-Бека (уровская болезнь);

нарушения иммунитета;

аллергозы;

снижение свертываемости крови, кровоточивость.

Основные проявления избытка кальция:

подавление возбудимости скелетных мышц и нервных волокон;

уменьшение тонуса гладких мышц;

гиперкальциемия, повышение содержания кальция в плазме крови;

повышение кислотности желудочного сока, гиперацидный гастрит, язвы желудка;

кальциноз, отложение кальция в органах и тканях (в коже и подкожной клетчатке; соединительной ткани по ходу фасций, сухожилий, апоневрозов; мышцах; стенках кровеносных сосудов; нервах);

брадикардия, стенокардия;

подагра, обызвествление туберкулезных очагов и т. д.;

увеличение содержания солей кальция в моче;

нефрокальциноз, почечно-каменная болезнь;

увеличение свертываемости крови;

увеличение риска развития дисфункции щитовидной и околощитовидных желез, аутоиммунного тиреоидита;

вытеснение из организма фосфора, магния, цинка, железа.

магний кальций стронций лекарственный

8. Соединения магния, кальция и бария как лекарственные средства Соединения бериллия в медицине не применяются.

Соединения магния находят широкое применение в медицине.

Сульфат магния применяется при судорогах различного происхождения, гипертонической болезни, заболеваниях желчного пузыря и желчных путей, для обезболивания родов. При назначении внутрь даёт слабительный, желчегонный и мочегонный эффект.

Белая глина обладает обволакивающими, адсорбирующими свойствами. Применяется наружно в виде присыпок, мазей, паст в дерматологии, внутрь — при интоксикации. Тиосульфат магния MgC2O3 назначается внутрь при гипертонической болезни, атеросклерозе, хронической коронарной недостаточности, заболеваниях пищевого канала и желчных путей. Отличается от сульфата магния тем, что почти не даёт слабительного эффекта. Трисиликат магния Mg2Si3O8*H2O применяется при гиперацидных гастритах, язвенной болезни желудка и двенадцатипёрстной кишки. Не токсичен и хорошо переносится больными. Оксид магния назначается при язвенной болезни желудка и двенадцатипёрстной кишки, гиперацидном гастрите, отравлении кислотами. Обладает антацидными свойствами, оказывает легкое послабляющее действие, не вызывает явления алкалоза. Кальций. Хлорид кальция уменьшает проницаемость сосудов, оказывает противоаллергическое и противовоспалительное действие Его применяют при аллергических заболеваниях, лучевой болезни, ревматизме, кровотечениях, переломах костей, кожных заболеваниях, а также при отравлениях солями магния, щавелевой кислотой, солями фтористоводородной кислоты, свинцом, ртутью, фосгеном.

Карбонат кальция осаждённый обладает антацидным и адсорбирующим действием. Его назначают внутрь при заболеваниях пищевого канала, наружно применяют в виде присыпок и для приготовления зубных порошков.

Сульфат кальция применяется для гипсовых повязок, при переломах и в зубоврачебной практике, чтобы получить слепки полости рта. Кроме того, он входит в состав силура, который применяется для изготовления форм при отливке мелких золотых зубоврачебных изделий: вкладок, зубов, кламмеров, дуг и т. д.

Оксид кальция является составной частью силикатного цемента, также применяемого в стоматологии.

Растворимые в воде соединения кальция применяются в медицине для электрофореза.

9. Токсичность бериллия и бария Водорастворимые соли бария очень ядовиты. При остром отравлении поражаются миокард, нервная система, сосуды. Обладает холинолитическим эффектом, вызывает гипокалиемию. При отравлении барийхлордва повышается проницаемость сосудов, приводя к кровоизлияниям и отёкам. Поражение нервной системы проявляется энцефалопатией, парезами, параличами. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что ведёт к остеопорозу. Обладает слабым мутагенным действием.

Биологическая роль бериллия не выяснена. Все его соединения ядовиты. Особенно токсичны летучие соединения и пыль, содержащая бериллий и его соединения. Присутствие даже небольшого количества бериллия в окружающей среде приводит к заболеванию — бериллозу. Ионы бериллия вытесняют ионы кальция из костной ткани, вызывая её размягчение.

1) Ахметов Н. С. Неорганическая химия, 2 изд., М.:1975.

2) Барковский Е. В., Ткачёв С. В., Атрахимович Г. Э.

Введение

в химию биогенных элементов и химический анализ. М.:Высшая школа. 1997.

3) Глинка Н. Л. Общая химия. Л.:Химия. 1979.

4) Селезнёв К. А. Аналитическая химия. М.:Высшая школа. 1966.

5) Скальный А. В., Рудаков И. А. Биоэлементы в медицине. М.: Мир, ОНИКС, АСТ. 2004.

6) Хухрянский В. Г., Цыганенко А. Я., Павленко .В. Химия биогенных элементов, 2-е изд., К.: Высшая школа 1990.

7) Под редакцией В. А. Филова. Неорганические соединения элементов I-IV групп. Справочник.