Біогенні s- та р-елементи, біологічна роль, застосування в медицині

Живі організми містять майже всі відомі у природі хімічні елементи, одні з них виявлено, як обов׳язкові в усіх без винятку організмах, інші – властиві тільки окремим видам і тому трапляються рідко. У живих організмах у найбільшій кількості присутні 4 елементи: Оксиген, Карбон, Гідроген, Нітроген. Це так звані елементи-органогени (на їхню частину припадає майже 98% хімічного вмісту організму). Наступну групу складають макроелементи (0,01% і більше) – Фосфор, Калій, Сульфур, Хлор, Кальцій, Залізо, сумарна частка яких становить до 1,9%. Інші хімічні елементи (понад 50) належать до мікроелементів (10^-3 – 10^-5%) (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк). Ще менше в організмі ультрамікроелементів (менше 10^-5%) (Плюмбуму, Брому, Срібла, Золота тощо). Усі хімічні елементи, що містяться в організмі входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді іонів.

Вміст у організміта значення для організму макроелементів

Елемент	Вміст маси організмі, %	Значення
Фосфор (Р)	0,2-1,0	Входить до складу кісток, білків, нуклеїнових кислот, АТФ.
Калій (К) Натрій (Na)	0,15-0,4	Основні позитивно заряджені іони в організмі.
Сірка (сульфур, S)	0,15-0,2	Входить до складу білків та інших біомолекул.
Хлор (Cl)	0,05-0,1	Негативно заряджений іон в організмі.
Кальцій (Са)	0,04-2,0	Основний компонент кісток і черепашок, бере участь у реалізації метаболічних процесів.
Магній (Mg)	0,02-0,03	Активує діяльність ферментів, структурний компонент хлорофілу.
Залізо (Ферум, Fe)	0,01-0,015	Входить до складу багатьох біомолекул у тому числі гемоглобіну.

 

 

В періодичній системі елементів за будовою електронної оболонки атома хімічні елементи можна розділити на s-, p-, d- чи f-елементи.

S-ЕЛЕМЕНТИ

Біометали з родини s-елементів знаходяться у верхній лівій частині періодичної системи у головних підгрупах І і ІІ групи і належать до неперехідних елементів. Вони постійно містяться в макрокількостях в організмі людини і тварини і є життєво необхідними.

Спільні властивості – наявність на зовнішньому рівні 1 чи 2-х електронів. Загальни електронна формула зовнішнього енергетичного рівня ns¹ або ns². Де n – номер енергетичного рівня.

Головна підгрупа першої групи періодичної системи включає елементи Літій, Натрій, Калій, Рубідій і Цезій, а також дуже нестабільний елемент Францій. Останній зустрічається в ряду радіоактивного розпаду актинію. Всі ці елементи об’єднують під спільною назвою лужні метали, так як гідроксиди двох головних представників цієї групи – натрію і калію – здавна були відомі під назвою лугів.

У зовнішньому електронному шарі атоми лужних металів мають по одному електрону. Маючи у зовнішньому електронному шарі лише по одному електрону, який перебуває на порівняно великій відстані від ядра, атоми цих елементів досить легко віддають цей електрон, тобто характеризуються низькою енергією іонізації. Однозарядні позитивні іони, що при цьому утворюються, мають стійку електронну структуру відповідного інертного газу (іон Li – структуру атома Гелію, іон Натрію – атома Неону, іон Калію – атома Аргону). Легкість віддавання зовнішніх електронів характеризує розглядувані елементи як найтиповіші представники металів: металічні властивості у лужних металів виявлені особливо різко.

Збільшення заряду ядра і загального числа електронів в атомах при переході згори вниз по підгрупі створює деякі відмінності в їхніх властивостях: більш легке віддавання валентних електронів і посилення металічних властивостей із збільшенням порядкового номера.

У вигляді простих речовин лужні метали – це сріблясто-білі метали (за виключенням Cs – золотисто-жовтий) з об’ємно-центрованою кристалічною решіткою.

Лужні метали володіють найбільш вираженою електропозитивністю. Правило, що електропозитивний характер елементів, тобто намагання перейти в електропозитивний стан, всередині однієї і тої ж головної підгрупи періодичної системи збільшується із зростанням атомної маси, чітко проглядається у лужних металів.

До s – елементів ІІ групи належать типові елементи – Берилій, Магній, Кальцій, Стронцій, Барій, Радій. У відповідності з будовою валентного електронного шару s елементи ІІ групи проявляють ступінь окиснення +2. Як і в інших головних підгрупах, в ряду розглянутих елементів із збільшенням порядкового номера енергія іонізації атомів зменшується, радіуси атомів та іонів збільшуються, металічні властивості хімічних елементів посилюються.

За головними представниками цієї підгрупи – Кальцієм, Стронцієм і Барієм, - відомих під загальною назвою лужноземельних металів, вся головна підгрупа другої групи називається також підгрупою лужноземельних металів.

Назву “лужноземельні” ці метали (інколи до них приєднують і Магній) отримали тому, що їх оксиди за своїми хімічними властивостями є проміжними між лугами (тобто оксидами і гідроксидами лужних металів) і “землями” (тобто оксидами таких елементів, типовим представником яких є Алюміній – головна складова частина глин). Внаслідок цього перехідного положення оксидам Кальцію, Стронцію і Барію і дали назву “лужні землі”.

Перший елемент цієї підгрупи, Берилій (якщо не брати до уваги його валентність), за своїми властивостями набагато ближчий до Алюмінію, ніж до нищих аналогів своєї підгрупи. Другий елемент цієї підгрупи, Магній, також в окремих відношеннях значно відрізняється від лужноземельних металів у вузькому значенні цього терміну. Деякі окремі реакції зближують його з елементами побічної підгрупи другої групи, особливо з Цинком (так сульфати магнію і цинку MgSO₄ i ZnSO₄ на противагу сульфатам лужноземельних металів легкорозчинні, ізоморфні один одному і утворюють аналогічні по складу подвійні солі).

Отже, як і було вже зазначено нами при вивченні хімії елементів І групи головної підгрупи, перший елемент виявляє властивості, перехідні до наступної головної підгрупи, другий – до побічної підгрупи тої ж групи; і за звичай, характерними для групи властивостями володіє лише третій елемент. Це правило особливо наглядно виконується в групі лужноземельних металів.

За своєю твердістю метали головної підгрупи ІІ групи значно переважають лужні метали. Найбільш м’який з лужноземельних металів, Барій (властивості якого найбільш близькі до лужних металів), володіє приблизно твердістю свинцю.

Їх типова валентність ІІ (лише в виняткових випадках вони бувають одновалентними) заставляє віднести всі ці метали до головної підгрупи ІІ групи. Крім того всі вони виявляють сильно електропозитивний характер, який визначається їх положення в лівій частині електрохімічного ряду напруг, а також сильною спорідненістю до електронегативних елементів.

Всі метали розкладають воду. Однак дія Берилію і Магнію на воду протікає дуже повільно внаслідок малої розчинності гідридів, які утворюються в результаті цієї реакції. Наприклад для Магнію:

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂­

Гіроксиди магнію і берилію, утворившись на поверхні металів Be і Mg, закривають металічну поверхню від доступу води. Тому навіть маленькі шматки стружки магнію необхідно витримати при кімнатній температурі в контакті з водою протягом декількох діб, перш ніж вони перетворяться в гідроксид магнію. Інші лужноземельні метали реагують з водою значно енергійніше, що пояснюється кращою розчинністю їх гідроксидів.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АКТИВНИХ МЕТАЛІВ:

1) Взаємодія з неметалами:

4Na + O₂ →2Na₂O

2Ca + O₂ →2CaO

2) Взаємодія з H₂O:

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑

3) Взаємодія з кислотами:

2K + 2HCl → 2KCl + H₂↑

4) Взаємодіють зі спиртами і галогенопохідними вуглеводнів.

2С₂Н₅ОН + 2Na ® 2С₂Н₅ОNa + Н₂­

5) Якісна реакція на катіони лужних металів - фарбування полум'я в наступні кольори:

Li+ – кармінно-червоний,

Na+ – жовтий,

K+ – фіолетовий

Mg²⁺ - жовтий

Ca²⁺ - цегляний-темно-оранжевий,

Sr²⁺- темно-червоний,

Ba²⁺ - світло-зелений

6) Катіон Ba²⁺ звичайно визначають реакцією обміну з сульфатною кислотою або її солями:

Ba(OH)₂ + H₂SO₄ ® BaSO₄¯ + 2H₂O

 

Р-ЕЛЕМЕНТИ

До р-елементів відносяться елементи ІІІ – VІІІ А груп періодичної системи. Їх набагато більше порівняно з s-елементами, а роль і властивості дуже різноманітні.

Основні представники р-елементів – це неметали. Атоми неметалів мають на зовнішньому енергетичному рівні три електрони і більше (тільки у Гідрогену – один). Загальни електронна формула зовнішнього енергетичного рівня ns²np^1÷6. Тому атоми неметалів приєднують електрони для завершення зовнішнього енергетичного рівня. Тобто, атоми неметалів є ОКИСНИКАМИ. Здатність приєднувати електрони підвищується зі збільшенням порядкового номера неметалу в періоді та зменшується з його зростанням в групі.

Флуор – найбільш електронегативний елемент і є найсильнішим окисником. Здатність атомів елементів приєднувати до себе електрони знижується в ряді:

F > O > N ≈ Cl > Br > I ≈ S ≈ C > P > H > Si > Al