ТЕМА. Біогенні р-елементи: біологічна роль, застосування в медицині.

2. ОБГРУНТУВАННЯ ТЕМИ. До р-елементів належать органогени - вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка, з атомів яких побудовані основні органічні сполуки організму людини – білки, жири, вуглеводи, полінуклеотиди. р-Елемент хлор бере участь у створенні електролітного фону організму, підтриманні осмотичного тиску позаклітинної рідини. Мікроелементи селен і йод здійснюють регуляторну і транспортну функцію. Бром бере участь у регуляції процесів збудження і гальмування.

Сполуки багатьох р-елементів застосовуються як лікарські засоби.

Тому матеріал цієї теми є основою для наступного вивчення складних процесів обміну речовин в організмі та їх корекції за допомогою лікарських засобів (біохімія, фізіологія, фармакологія, клінічні дисципліни).

 

3. МЕТА. Сформувати уявлення про р-елементи, іх будову, властивості, роль у життєдіяльності організму, застосування сполук р-елементів у медицині. Оволодіти методикою проведення якісних реакцій відкриття катіонів р-елементів у розчинах та біологічних рідинах.

Студент повинен знати:

- положення в періодичній системі, електронну будову, ступінь окислення, валентність, електронегативність р-елементів;

- закономірності зміни фізико-хімічних властивостей р-елементів та їх сполук;

- біологічну роль р-елементів в організмі, наслідки надлишку або недостачі катіонів цих елементів;

- застосування сполук р-елементів у медицині;

- характерні якісні реакції відкриття катіонів алюмінію та амонію, карбонат-, нітрит-, сульфат-, тіосульфат-іонів;

вміти:

- складати електронні формули атомів та іонів р-елементів;

- проводити якісні реакції на катіони алюмінію, амонію, аніонів: карбонат-, нітрит-, сульфат-, тіосульфат-іони;

- складати рівняння якісних реакцій відкриття р-елементів;

оволодіти навичками:

- виявлення катіонів та аніонів, до складу яких входять р-елементи, у розчинах і біологічних рідинах.

ГРАФ ЛОГІЧНОЇ СТРУКТУРИ.

 

р-Елементи

Положення у періодичній Властивості елементів Біороль р-елементів та

системі. Будова атомів та їх сполук застосування їх сполук у медицині

 

Ступінь окислення, електро- Характерні якісні реакції відкриття

негативність та характер іонів, що містять р-елементи, у

зв’язків у сполуках розчинах та біологічних рідинах

 

ОРІЄНТОВНА КАРТКА ДЛЯ ПІДГОТОВКИ ДО ЗАНЯТТЯ

(самостійна позааудиторна робота студентів).

Зміст і послідовність дій	Вказівки до навчальних дій
1. р-Елементи.	1.1. Положення у періодичній системі елементів, будова атомів. Електронна будова атомів. 1.2. Електронегативність, ступінь окислення, характер зв’язків. 1.3. Кислотно-основні та окисно-відновні властивості p-елементів та їх сполук.
2. Біороль p-елементів та застосування їх у медицині.	2.1. Біологічна роль р-елементів ІІІ-А та ІV-А груп в організмі людини. 2.2. Біологічна роль р-елементів V-А групи в організмі людини. 2.3. Біологічна роль р-елементів VІ-A VІІ-A груп в організмі людини. 2.4. Застосування сполук елементів р-елементів у медицині.
3. Характерні аналітичні реакції відкриття іонів p-елементів у роз- чинах та біологічних рідинах.	3.1. Якісна реакція на катіон алюмінію (ІІІ-А група). 3.2. Якісна реакція на іон, який містить Карбон (ІV-А група). 3.3. Якісні реакції на іони, які містять Нітроген (V-A група). 3.4. Якісна реакція на іони, що містять Сульфур (VІ-A група).

 

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО ОПРАЦЮВАННЯ

(самостійна позааудиторна робота студентів)

1. Вказати правильну електронну формулу, що характеризує валентні електрони р-елементів ІІІ-А групи

а) 2ns²2p²; б) ns²np¹; в) ns³np⁴; г) ns¹np⁵.

 

2. Вказати правильну електронну формулу, що характеризує валентні електрони р-елементів ІV-А групи

а) ns²np²; б) ns¹2p²; в) ns³np¹; г) ns²np⁰.

 

3. Вказати правильну електронну формулу, що характеризує валентні електрони р-елементів V-А групи

а) ns²np⁴; б) ns¹p³; в) ns²np³; г) ns².

 

4. Вказати правильну електронну формулу, що характеризує валентні електрони р-елементів VІ-А групи

а) ns²np⁴; б) ns¹2p³; в) ns²np⁵; г) ns²np².

 

5. Вказати правильну електронну формулу, що характеризує валентні електрони р-елементів VІІ-А групи

а) ns²np⁵; б) ns¹2p⁴; в) ns²np⁶; г) ns⁰np⁶.

 

6. Вказати, чим обумовлена амфотерність сполук елементів ІІІ-А групи

а) характером хімічного зв’язку;

б) зміною радіуса іона;

в) зміною радіуса атома;

г) зміною окисно-відновного потенціала.

 

7. Пояснити, чому аналоги азоту здатні проявляти вищу валентність, ніж гранична валентність азоту

а) тому, що їх атоми мають валентні d-орбіталі;

б) тому, що їх атоми мають більший радіус, ніж радіус атома азоту;

в) тому, що зменшується значення першого потенціалу іонізації їх атомів;

г) тому, що збільшується заряд ядра.

 

8. Вказати, чому валентність кисню, як правило, дорівнює двом

а) тому, що кисень менш електронегативний, ніж фтор;

б) тому, що атом кисню не має d-підрівнів;

в) тому, що кисень проявляє неметалічні властивості;

г) тому, що для завершення зовнішнього енергетичного рівня його атому не вистачає двох електронів.

 

9. Вказати, чи є вуглець органогеном, який утворює структурні компоненти живої клітини

а) є органогеном; б) не є органогеном; в) частково є органогеном.

 

10. Вказати, які іони р-елементів V-A групи беруть участь у фізіологічних процесах організму людини.

а) NO₂^-; б) H₂PO₄^–; в) SbO⁺; г) As³⁺.

 

 

ПРАВИЛЬНІ ВІДПОВІДІ

1. Правильна відповідь б).

Атоми елементів ІІІ-А групи: бор, алюміній, галій, індій, талій мають три валентних електрони, з яких два знаходяться на s-підрівні та один на р-підрівні зовнішнього енергетичного рівня.

 

2. Правильна відповідь а).

Вуглець, кремній, германій, олово та свинець є р-елементами головної підгрупи ІV групи. Атоми цих елементів мають 4 валентні електрони: 2 з них на s-підрівні та 2 на р-підрівні зовнішнього енергетичного рівня (s²p²).

 

3. Правильна відповідь в).

У атомів азоту, фосфору, миш’яку, сурми, вісмуту на зовнішньому енергетичному рівні п’ять валентних електронів. З них 2 знаходяться на s-підрівні та 3 на р-підрівні.

 

4. Правильна відповідь а).

У атомів кисню, сірки, селену, телуру, полонію на зовнішньому енергетичному рівні знаходяться шість валентних електронів, з яких два електрони знаходяться на s-підрівні та чотири на р-підрівні.

 

5. Правильна відповідь а).

Атоми галогенів мають сім валентних електронів: два знаходяться на s-підрівні та п’ять на р-підрівні зовнішнього енергетичного рівня (s²p⁵).

 

6. Правильна відповідь д).

У сполуках елементів ІІІ-А групи не можна провести чітку межу між іонним і ковалентним характером хімічного зв’язку. Бор завдяки високим потенціалам іонізації у сполуках утворює ковалентні зв’язки, хоча він може також утворювати кристалічні модифікації, здатні проводити електричний струм. У алюмінію велика різниця між потенціалами іонізації електрона зр¹(5,8 еВ) та 3s² (І₂= 18,82 еВ, І₁ = 28,44 еВ). Тому він утворює ковалентні зв’язки. Лише при високих температурах (біля 1000⁰С) можуть протягом короткого часу існувати сполуки з іонним типом зв’язку. Утворення зв’язку у талію та його аналогів відбувається приблизно з таким же енергетичним ефектом, як і в алюмінію. Але складність збудження пари s²-електронів у галію, індію, талію збільшується, і різниця між потенціалами іонізації np¹-електрона та ns²-електронів різко зростає. Одночасно від галію до талію зростає радіус іона із зарядом 3+. Це призводить до того, що у гідроксиду талію (ІІІ) переважають основні властивості, а гідроксид талію (І) подібний до їдкого натру. У гідроксиду талію (І) зв’язок Тl-O близький до іонного.

 

7. Правильна відповідь а).

Азот значно відрізняється за властивостями від фосфору, миш’яку, сурьми, вісмуту (як і взагалі перші елементи головних підгруп). Це пояснюється малими розмірами атома, невеликою кількістю електронів та відсутністю d-орбіталей. Наявність цих орбіталей у інших елементів головної підгрупи V групи обумовлює можливість переходу на d-орбіталь s- і р-електронів. Тому аналоги азоту здатні виявляти більш високу валентність.

 

8. Правильна відповідь б).

Атом кисню відрізняється від атомів інших елементів підгрупи відсутністю d-підрівня на зовнішньому енергетичному рівні. Збільшення кількості неспарених електронів можливе тільки шляхом переходу одного з електронів на наступний енергетичний рівень. Але такий перехід вимагає дуже великої затрати енергії, яка не компенсується енергією, що виділяється при утворенні нових зв’язків. Тому за рахунок неспарених електронів атом кисню може утворювати не більше двох ковалентних зв’язків. У сірки та інших елементів підгрупи число неспарених електронів в атомі може бути збільшене шляхом переходу s- і p-електронів на d-підрівень зовнішнього шару. Тому ці елементи проявляють валентність, що дорівнює не тільки двом, а також і 4 та 6.

 

9. Правильна відповідь а).

Особлива роль Карбону (вуглецю) обумовлена властивостями його атома. Зв’язки в його сполуках завжди ковалентні. Атоми Карбону (вуглецю) в одній і тій же сполуці здатні виконувати роль акцептора і донора електронів. З біохімічної точки зору дуже важливим є те, що всі хімічні зв’язки, які утворює Карбон (вуглець), досить міцні і одночасно здатні легко розриватися (лабільні зв‘язки) в біохімічних реакціях.

 

10. Правильна відповідь б).

Дигідроортофосфат-іони Н₂РО₄^- є складовою частиною фосфатної буферної системи крові, сечі, міжклітинної рідини.

 

8. ВКАЗІВКИ ДО РОБОТИ СТУДЕНТІВ НА ЗАНЯТТІ.

8.1. Проведення якісної реакції на катіон алюмінію. Реакція з розчином лугу.

У пробірку налити 1 мл розчину солі алюмінію і краплями додати розчин лугу до утворення білого аморфного осаду.

AlCl₃ + 3 NaOH = Al(OH)₃↓ + 3 NaCl

Al³⁺+ 3 OH^─ = Al(OH)₃↓

Випробувати дію на осад сильної мінеральної кислоти та лугу.

Написати рівняння реакцій розчинення осаду в мінеральній кислоті та надлишку лугу в молекулярному і короткому іонному вигляді.

 

8.2. Проведення якісної реакції на карбонат-іон. Реакція з мінеральними кислотами.

У пробірку налити 1 мл розчину карбонату натрію, додати 2 мл розчину соляної кислоти та швидко закрити пробірку пробкою з газовідвідною трубкою. Кінець трубки опустити в пробірку з вапняною або баритовою водою. Відзначити, що спостерігається.

CO₂↑

а) Na₂CO₃ + 2 HCl = 2 NaCl + H₂CO₃

H₂O

CO₃^2– + 2 H⁺ = CO₂↑ + H₂O

б) Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O

Ca²⁺ + 2 OH^─ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O

в) CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O = Ca²⁺ + 2 HCO₃^─

8.3. Проведення якісної реакції на катіон амонію. Реакція з розчином лугу.

У пробірку налити 0,5 мл розчину солі амонію і стільки ж концентрованого розчину лугу. Вміст пробірки нагріти. До отвору пробірки піднести змочений водою фенолфталеїновий індикаторний папірець. Поява забарвлення свідчить про наявність в розчині іонів амонію.

У пробірці: NH₄⁺ + OH^─ D NH₃ · H₂O D NH₃↑ + H₂O,

на папірці: NH₃ + H₂O D NH₃ · H₂O D NH₄⁺ + OH^─

 

8.4. Проведення якісної реакції на нітрит-іон. Реакція з розчином перманганату калію.

У пробірку налити 1 мл розчину нітриту натрію, додати таку ж кількість розчину сірчаної кислоти з молярною концентрацією 2 моль/л та краплями розчин КмnO₄.

Спостерігається знебарвлення розчину перманганату калію

NO₂^─ - 2е^─ + H₂O → NO₃^─ + 2 H⁺ 5

MnO₄^─ + 5е^─ + 6 H⁺ → Mn²⁺ + 4 H₂O 2

5 NO₂^─ + 2 MnO₄^─ + 6 H⁺ = 5 NO₃^─ + 2 Mn²⁺ + 3 H₂O

5 KNO₂ + 2 KMnO₄^─ + 3 H₂SO₄ = 5 KNO₃ + 2 MnSO₄ + K₂SO₄ + 3 H₂O

8.5. Проведення якісної реакції на сульфат-іон. Реакція з розчином хлориду барію.

У пробірку налити 1 мл розчину сульфату натрію або калію, додати розчин хлориду барію до утворення білого дрібнокристалічного осаду сульфату барію.

Na₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2 NaCl

Ba²⁺ + SO₄^2– = BaSO₄↓

Випробувати дію на осад соляної або азотної кислоти.

Зробити висновок про умови відкриття сульфат-іона.

 

8.6. Проведення якісної реакції на тіосульфат-іон. Реакція з мінеральними кислотами.

У пробірку налити 1 мл розчину тіосульфату натрію, додати стільки ж розчину соляної кислоти з молярною концентрацією 2 моль/л. Суміш злегка нагріти та спостерігати утворення жовтуватого осаду вільної сірки.

Na₂S₂O₃ + 2 HCl = S↓ + H₂SO₃ + 2 NaCl

S₂O₃^2– + 2 H⁺ = S↓ + H₂SO₃

8.7. Оформлення протоколу лабораторної роботи.

Записати у зошит необхідні рівняння реакцій та висновки до кожного з дослідів.

 

ЛІТЕРАТУРА.

1. Мороз А.С., Луцевич Д.Д., Яворська Л.П. Медична хімія. –В: НОВА КНИГА, 2006, с. 257-283.

2. Медицинская химия: учеб. / В.А. Калибабчук, Л.И. Грищенко, В.И. Галинская и др.; под ред. В.А. Калибабчук. – К.: Медицина, 2008.

3. Хухрянский В.Г., Цыганенко А.Я., Павленко Н.В. Химия биогенных элементов.-К: Вища школа, 1990, с. 120-173.

4. Глинка Н.Л. Общая химия. -Л: Химия, 1984.

 

 

ЗАНЯТТЯ № 3