Химия и биологическая роль элементов IA группы

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
МИНЗДРАВА РОССИИ

КАФЕДРА ХИМИИ И ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

 

РЕФЕРАТ 
«Химия и биологическая роль элементов IA группы»

 

 

 

 

Выполнила:

студентка

педиатрического факультета

Проверила:

Ассистент кафедры химии и фармацевтической химии

Карманова Д. С.

 

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург, 2014

Оглавление

 

 

 

Введение

Изучение влияния различных химических элементов на организм

животных и человека, а также исследование химических элементов как

постоянных составных частей тканей и биологических жидкостей живыхорганизмов началось во второй половине XIX ст.

Основные характеристики элементов (строение электронных оболочек, степень окисления, способность к комплексообразованию и т.д.) определяютсяположением этих элементов в периодической системе Д.И.Менделеева. Эти жехарактеристики лежат в основе физиологической и патологической ролиэлементов в организме человека.

Исходя из современной квантово-механической интерпретации периодической системы элементов Д.И.Менделеева, классификацию элементов проводят в соответствии с их электронной конфигурацией. Она основана настепени заполнения различных электронных орбиталей (s, p, d, f) электронами. В соответствии с этим все элементы делят на s–, p–, d–, и               f– элементы. У s–элементов происходит заполнение электронами s-подуровня. Взависимости от степени заполнения s-подуровня различают                          s1-элементы(щелочные металлы) и s2-элементы (щелочноземельные металлы). В периодической системе s-элементы расположены в IА и IIА группах.

Конкретно  элементам IА подгруппы посвящен мой реферат.

 

Цель: изучение химии и биологической роли элементов IА группы.

Задачи:

• Изучить научно – методическую литературу по исследуемой проблеме.
• Дать Общую характеристику элементам IА группы .
• Сравнить химические свойства простых веществ IА группы.
• Определить биологическую роль натрия, калия, лития.
• Изучить особенности химии натрия и калия.
• Сделать соответствующие выводы.

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

1.1 Общая  характеристика

В IА-группу входят s-элементы — щелочные металлы, исключительно важные для нормальной жизнедеятельности животных и человека. Наибольшее значение для живых организмов имеют макроэлементы натрий, калий. [4,230]

Электронная формула валентной оболочки, атомов щелочных металлов ns1, т.е. атомы этих элементов имеют по одному валентному электрону на    s-подуровне внешнего энергетического уровня. Соответственно, устойчивая степень окисления щелочных металлов равна +1.

Все элементы IА-группы очень сходны по свойствам, что объясняется однотипным строением не только валентной электронной оболочки, но и предвнешней (за исключением лития). [6,232]

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.

Большинство природных соединений натрия, калия 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— жизненно необходимы для живых и растительных организмов. [6, 224]

2. История открытия
1. Литий

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите, а затем в сподумене  и в лепидолите.

 Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος — камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом. [9, 407]

2. Натрий

Натрий впервые был получен английским химиком Хемфри Дэви, который сообщил об этом 19 ноября 1807 года в Бэкеровской лекции (в рукописи лекции Дэви указал, что он открыл калий 6 октября 1807 года, а натрий — через несколько дней после калия),  электролизом  расплава  гидроксида натрия.

Аббревиатура «Na» и слово natrium были впервые использованы академиком, основателем шведского общества врачей Йенсом Якобсом Берцелиусом (JönsJakobBerzelius, 1779—1848) для обозначения природных минеральных солей, в состав которых входила сода. Ранее элемент именовался содием (лат. sodium). Название sodium, возможно, восходит к арабскому слову suda, означающему «головная боль», так как сода применялась в то время в качестве лекарства от головной боли.[2, 195]

Название «натрий» происходит от латинского слова natrium (ср. др.-греч. νίτρον), которое было заимствовано из среднеегипетского языка , где оно означало среди прочего: «сода», «едкий натр». [2, 196]

1.2.3. Калий

19 ноября 1807 года в Бэкеровской лекции английский химик  Дэви  сообщил о выделении калия электролизом расплава едкого кали (KOH)(в рукописи лекции Дэви указал, что он открыл калий 6 октября 1807 года) и назвал его «потасий» (лат. potasium; это название (правда, в некоторых языках с двумя буквами s) до сих пор употребительно в английском, французском, испанском, португальском и польском языках).

В 1809 году Л. В. Гильберт предложил название «калий» (лат. kalium, от араб.аль-кали — поташ). Это название вошло в немецкий язык, оттуда в большинство языков Северной и Восточной Европы (в том числе русский) и «победило» при выборе символа для этого элемента — K. [12, 29-30]

1.2.4.  Рубидий

В 1861 году немецкие учёные Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгоф, изучая с помощью спектрального анализа природные алюмосиликаты, обнаружили в них новый элемент, впоследствии названный рубидием по цвету наиболее сильных линий спектра. [4, 124]

1.2.5. Цезий

Цезий был открыт в 1860 году немецкими учёными  Р. В. Бунзеном и Г. Р. Кирхгофом в водах Бад-Дюркхаймского  минерального источника в Германии методом оптической спектроскопии, тем самым, став первым элементом, открытым при помощи спектрального анализа. [4, 91]

В чистом виде цезий впервые был выделен в 1882 году шведским химиком К. Сеттербергом при электролизерасплава смеси цианида цезия (CsCN) и бария. [9,78]

 

 

 

1.2.6 Франций

Этот элемент был предсказан Д. И. Менделеевым (как Эка-цезий), и был открыт (по его радиоактивности) в 1939 г. Маргаритой Пере, сотрудницей Института радия в Париже. Она же дала ему в1964 г. название в честь своей родины — Франции. [13, 187]

3. Содержание в природе
1. Литий

Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л.

Основные минералы лития - слюда лепидолит - и  пироксен  сподумен. Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространенных породообразующих минералах.

Месторождения лития приурочены к редкометалльным  гранитным  интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово, вольфрам, висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.

Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносоленых озёр.[9,421]

1.3.2.Натрий

Кларк натрия в земной коре 25 кг/т. Содержание в морской воде в виде соединений — 10,5 г/л. Металлический натрий встречается как примесь, окрашивающая каменную соль в синий цвет. Данную окраску соль приобретает под действием радиации. [2, 203]

1.3.3. Калий

В свободном состоянии не встречается. Породообразующий элемент, входит в состав слюд, полевых шпатов и т. д.

Также калий входит в состав  сильвина  KCl,  сильвинита KCl·NaCl,  карналлита KCl·MgCl2·6H2O, каинита KCl·MgSO4·6H2O, а также присутствует в золе некоторых растений в виде карбоната K2CO3  (поташ) .  Кларк калия в земной коре составляет 2,4 %. Концентрация в морской воде 380 мг/л. [12, 31]

1.3.4. Рубидий

Содержание рубидия в земной коре составляет 7,8·10−3%, что примерно равно суммарному содержанию никеля, меди и цинка. Собственные минералы рубидия неизвестны. Рубидий встречается вместе с другими щелочными элементами, он всегда сопутствует калию. Только лепидолиты содержат несколько больше рубидия, иногда 0,2 %, а изредка и до 1—3 % (в пересчете на Rb2О). [4,124]

Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озёр. Концентрация их и здесь очень невелика, в среднем порядка 100 мкг/л. В отдельных случаях содержание рубидия в воде выше: в Одесских лиманах оно оказалось равным 670 мкг/л, а в Каспийском море — 5700 мкг/л. Повышенное содержание рубидия обнаружено и в некоторых минеральных источниках Бразилии.      [1, 56]

1.3.5. Цезий

Общие выявленные мировые ресурсы руд составляют около 180 тыс. тонн (в пересчёте на окись цезия), но они крайне распылены. [4,78]

1.3.5. Франций

Франций — один из редчайших элементов. Среди элементов, постоянно существующих в земной коре, только астат имеет меньшее содержание. Весь природный франций является радиогенным, его радиоактивный распад компенсируется одновременным возникновением новых атомов франция в качестве промежуточных продуктов распада урана-235 и тория-232. Общее содержание франция в земной коре оценивается в 340 граммов. [13, 187]

 

2. Изменение в группе величины радиусов атомов и ионов, энергии ионизации.

С ростом радиуса атома в группе Li—Nа—К—RЬ—Сs—Fr ослабевает связь валентного электрона с ядром. Соответственно, в этом ряду энергия ионизации атомов щелочных металлов уменьшается. Имея на валентных оболочках один электрон, расположенный на большом расстоянии от ядра, атомы щелочных металлов легко отдают электрон.

Это обусловливает низкую энергию ионизации. В результате ионизации образуются катионы Э+, имеющие устойчивую электронную конфигурацию атомов благородных газов.

Все щелочные металлы имеют отрицательные стандартные окислительно-восстановительные потенциалы, большие по абсолютной величине. Это характеризует их как очень сильные восстановители. По химической активности литий уступает многим металлам, несмотря на то, что его стандартный ОВ-потенциал наиболее отрицателен. Такое значение  лития   обусловлено большей энергией гидратации ионов Li+ по сравнению с ионами других щелочных металлов. Вследствие незначительного поляризующего действия (устойчивая электронная структура, большие размеры, малый заряд ядра) комплексообразование для ионов щелочных металлов, в особенности для ионов К+, Rb+, Сs+, Fr+, малохарактерно. Тем не менее, они способны образовать комплексные соединения с некоторыми биолигандами.

 

Несмотря на общность свойств, натрий и в особенности литий отличаются от других щелочных металлов. Последнее, прежде всего, обусловлено существенным различием радиусов их атомов и строения электронных оболочек. [4,232]

Изменение радиуса иона оказывает большое влияние на его основныесвойства. Гидроксиды катионов s-элементов обладают выраженнымиосновными свойствами, что объясняется непрочностьюионной связи Э—ОН. Поэтому s-элементы и называют щелочными металлами. Основные свойства гидроксидов усиливаются сувеличением радиуса иона, так как при этом ослабевает взаимное притяжениеионов металла и гидроксида, что облегчает процесс ионизации соединения. Поэтому в подгруппе основность гидроксидов s-элементов возрастает сверхувниз (например, от LiOH к CsOH). Сходство электронного строения ионов щелочных металлов, а, следовательно, и физико-химических свойств соединений определяет и близость их действия на биологические процессы. Различия в электронной структуре обусловливают их разную биологическую роль. На этой основе можно прогнозировать поведение щелочных металлов в живых организмах. С увеличением числа валентных электронов на энергетическом уровне энергияионизации атомов увеличивается (энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва наименее связанного электрона от атома), аследовательно, восстановительные свойства атомов уменьшаются. В группе восстановительные свойства s-элементов увеличиваются сверху вниз, так как увеличивается число электронных слоев у атомов и уменьшается в том же направлении энергия ионизации. [6,232]