Химия и биологическая роль элементов IA группы

 

 

 

 

 

 

3. Сравнение химических свойств простых веществ IА группы.

 

Щелочные металлы относятся к числу наиболее активных в химическом отношении элементов. Химическая активность щелочных металлов закономерно увеличивается с ростом радиуса атомов. [6, 233]

При взаимодействии с кислородом литий образует оксид Li2О, а остальные щелочные металлы — пероксиды Nа2О2 и надпероксиды КО2, RbО2, СsО2. Например:

4Li(т) + O2(г) = 2Li2O(т)

2Nа(т) + О2(г) = Nа2О2(т)

К(т) + O2(г) = КO2(т)

Пероксиды и надпероксиды щелочных металлов — сильные окислители. Натрий пероксид и калий надпероксид применяют в замкнутых объектах (подводных лодках, космических кораблях) для поглощения углерода диоксида и регенерации кислорода:

2Nа2О2(т) + 2СО2(г) = 2Nа2СО3(т) + О2(г)

4КО2(т) + 2СО2(г) = 2К2СО3(т) + 3О2(г)

Активно взаимодействуют щелочные металлы с галогенами, образуя галогениды ЭГ; с серой — с образованием сульфидов Э2S. Непосредственно с азотом щелочные металлы, за исключением лития, не реагируют.

 

Все щелочные металлы непосредственно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды ЭОН (щелочи):

2Э(т) + 2Н2О(ж) = 2ЭОН(р) + Н2(г)

Интенсивность взаимодействия с водой значительно увеличивается в ряду Li — Сs. Гидроксиды образуются и при взаимодействии с водой оксидов щелочных металлов:

Э2О(т) + Н2О(ж) = 2ЭОН(р)

Щелочи — относительно легкоплавки и хорошо растворимы в воде  (за исключением LiOН). Твердые щелочи и их концентрированные растворы разъедающе действуют на живые ткани вследствие обезвоживания и щелочного гидролиза белков:

Поэтому работа с ними требует защитных мер предосторожности. Большинство солей щелочных металлов хорошо растворимы в воде (исключение составляют соли лития:Li2СОз, LiF, Li3РО4). С многоосновными кислотами щелочные металлы образуют как средние (Э2SО4, Э3РО4, Э2СО3, Э2SО3 и др.), так и кислые (ЭНSО4, ЭН2РО4, Э2НРО4, ЭНСО3 и т.д.) соли. [6, 234]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Особенности комплексообразования ионов натрия и калия

 

В отсутствие нейтральных хелатирующих лигандов Р-дикетонатыNa и К представляют собой полиядерные или полимерные соединения, как в растворе, так и в кристаллическом состоянии. В соответствии с квантово-химическими расчетами энергетические выигрыши образования полиядерных молекул [M(P-dik)] (n = 2-8, M = Na, К; p-dik" = acac", hfa") из моноядерных достигают 90-140 кДж/моль. Среди структурных изомеров биядерных молекул [M(P-dik)]2, как правило, наиболее устойчивы те, в которых оба катиона M окружены хелатирующимитридентатнымицг-P-dik" анионами. Биядерные молекулы такого типа являются структурными блоками в кристаллах полиядерных и полимерных Р-дикетонатов натрия и калия. По данным РСтА Р-дикетонаты (P-dik = acac", thd", hfa") К и Na образуют одномерные координационные полимеры. [7, 342]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Биологическая роль натрия, калия: содержание в организме, суточная потребность, локализация в органах и тканях, значение для организма.

5.1 Общие сведения

Ионы Na+ и К+ распределены по всему организму, причем первые входят в состав преимущественно межклеточных жидкостей, а вторые находятся главным образом внутри клеток. Внутриклеточная концентрация ионов натрия составляет менее 10 % его содержания во внеклеточной жидкости, тогда как концентрация ионов калия внутри клеток почти в 30 раз выше, чем вне их. Если оценивать абсолютные величины, то примерно 95 % ионов натрия, участвующих в обмене веществ, находится вне клеток и примерно такая же доля ионов калия — внутри клеток. С ионами Na+ связано осмотическое давление жидкостей, удержание воды тканями (15 г NaCl задерживает ворганизме человека до двух литров жидкостей), поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме (NaHCO3 – щелочной резерв крови —  компонент гидрокарбонатной буферной системы), перенос аминокислот и cахаров через клеточную мембрану.  [2, 154]

Ионы Na+ и К+активируют (Na+ + К+)-аденозинтрифосфатазу клеточных мембран, которая «выкачивает» ионы Na+ из клетки и обеспечивает сопряженное накопление ионов К+ в клетке. Различные концентрации двух данных ионов по разные стороны мембраны обусловливают возникновение трансмембранной разности потенциалов (до 100 мВ), что обеспечивает существование легкодоступного источника энергии для многих связанных с функционированием мембран процессов. В организм человека натрий поступает в основном в виде хлорида натрия (поваренной соли). Ежедневная потребность организма в натрии составляет 1 г.

 

 

 

5.2 Натрий

Содержание натрия в организме человека массой 70 кг составляет около 60 г (2610 ммоль) —0,08%. Из этого количества 44% натрия находится во внеклеточной жидкости и 9% — во внутриклеточной. Остальное количество натрия находится в костной ткани, являющейся местом депонирования иона Nа+ в организме. Около 40% натрия, содержащегося в костной ткани, участвует в обменных процессах и благодаря этому скелет является либо донором, либо акцептором ионов натрия, что способствует поддержанию постоянства концентрации ионов натрия во внеклеточной жидкости. [6, 235]

Натрий является основным внеклеточным ионом. В организме человека находится натрий в виде его растворимых солей, главным образом хлорида, фосфата и водородкарбоната. Натрий распределен по всему организму: в сыворотке крови, спинномозговой жидкости, глазной жидкости, пищеварительных соках, желчи, почках, коже, костной ткани, легких, мозге.[2, 176]

Ионы натрия играют важную роль в обеспечении постоянства внутренней среды человеческого организма, участвуют в поддержании постоянного осмотического давления биожидкости (осмотического гомеостаза). В виде противоионов в соединениях с фосфорной кислотой (фосфатная буферная система Nа2НРО4 + NаН2РО4) и органическими кислотами натрий обеспечивает кислотно-основное равновесие организма. Ионы натрия участвуют в регуляции водного обмена и влияют на работу ферментов. Вместе с ионами калия, магния, кальция, хлора ион натрия участвует в передаче нервных импульсов и поддерживает нормальную возбудимость мышечных клеток. При изменении содержания натрия в организме происходят нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и других систем, гладких и скелетных мышц. Натрий хлорид NаСl служит основным источником соляной кислоты для желудочного сока.

В организм человека натрий поступает в основном в виде поваренной соли. Истинная ежедневная потребность организма в натрии составляет 1 г, хотя среднее потребление этого элемента достигает 4—7 г.

Непрерывное избыточное потребление NаСl способствует появлению гипертонии. В организме здорового человека поддерживается равновесие между количеством потребляемого и выделяемого натрия. Около 90 % потребляемого натрия выводится с мочой, а остальные — с потом и калом.

Многие важные биологические процессы осуществляются только при условии различного ионного и молекулярного состава внутри клеток и во внеклеточной жидкости. Так, концентрация ионов Na+ внутри клетки примерно в 15 раз меньше, чем во внеклеточной жидкости. Наоборот, концентрация ионов калия приблизительно в 35 раз выше внутри клетки, чем вне ее.

Чтобы поддержать такое распределение, ионы К+ должны постоянно перемещаться из внешней среды, где их концентрация ниже, внутрь клетки т.е. в среду с более высокой концентрацией ионов К+. Напротив, ионы натрия из клетки, внутри которой их концентрация меньше, перемещаются во внеклеточную жидкость с более высокой концентрацией ионов Na+.

Этот процесс приводит к повышению энергии Гиббса, а следовательно, самопроизвольно протекать не может. Нормальное распределение ионов обеспечивается работой натрий-калиевых насосов.

Эти насосы, обеспечивающие перенос ионов через плазматическую мембрану против градиента концентрации и поддерживающие этот градиент, требуют большой затраты энергии. Поэтому, как и многие другие биохимические процессы, перенос ионов Nа+ и К+ через клеточные мембраны сопряжен с экзоэргонической реакцией гидролиза АТФ. [6, 237]

Натрий-калиевый градиент обусловливает возникновение разности потенциалов на клеточной мембране. За счет энергии гидролиза одной молекулы АТФ три иона Na+ выводятся из клетки, а два иона К+ поступают внутрь клетки. Такой дисбаланс электрических зарядов и служит причиной возникновения разности потенциалов на плазматической мембране, в частности нервных волокон. При этом внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно по отношению к внешней поверхности мембраны.   [6, 237]

5.3Калий

Содержание калия в организме человека массой 70 кг составляет примерно 160 г (4090 ммоль)—0,23% (см. табл. 5.3). Калий является основным внутриклеточным катионом, составляя 2/3 от общего количества активных клеточных катионов.

Из общего количества калия, содержащегося в организме, 98% находится внутри клеток и лишь около 2% — во внеклеточной жидкости. Калий распространен по всему организму. Его топография: печень, почки, сердце, костная ткань, мышцы, кровь, мозг и т.д. Ионы калия К+ играют важную роль в физиологических процессах — сокращении мышц, нормальном функционировании сердца, проведении нервных импульсов, обменных реакциях. Ионы К+ являются важными активаторами ферментов, находящихся внутри клетки.

Калий, как уже отмечалось выше, в большинстве случаев является антагонистом натрия.

Ионы Nа+ и К+ принимают участие в биокатализе, образуя смешанные комплексы типа фермент—катион—субстрат.

Подтверждением того, что комплексообразование калия с ферментами и субстратами играет важную роль в транспорте ионов, является образование комплексов этих катионов с антибиотиком валиномицином. Уже давно известно, что антибиотики, подобные валиномицину, вызывают транспорт ионов калия в митохондрии. Валиномицин образует прочный комплекс с ионами калия, в то время как ион натрия связывается этим антибиотиком в очень незначительной степени. Вследствие этого валиномицин можно рассматривать как биологическую модель переносчика ионов калия через плазматические мембраны в клетку.

Взрослый человек обычно потребляет с пищей 2—3 г калия в сутки. Концентрация ионов калия К+ во внеклеточных жидкостях, включая плазму, составляет в норме 3,5—5,5 ммоль/л, а концентрация внутриклеточного калия—115—125 ммоль/л. [6, 239]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Антагонизм натрия и калия

Натрий и калий являются антагонистами. В ряде случаев близость многих физико-химических свойств обусловливает их взаимозамещение в живых организмах. Например, при увеличении количества натрия в организме усиливается выведение калия почками, наступает гипокалиемия. [8, 476]

Для катионов натрия и калия не характерно образование 
координационных соединений, но установлена возможность 
Сходство электронного строения ионов щелочных (натрий и калий) и щелочноземельных (магний и кальций) металлов и различия физико-химических характеристик определяет их действия на биологические процессы.[8, 478]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Соединения лития, натрия, калия как лекарственные средства.

 

7.1 Соединения лития

В качестве лекарственного средства используется прежде всего  карбонат лития, иногда - в виде препаратов  пролонгированного  действия. Он проявляет общие для всех препаратов лития нормотимические и седативные свойства. Быстро всасывается после приёма внутрь. Назначают его после еды, для уменьшения раздражающего действия на слизистую оболочку желудка. Часто назначаемый литиевый препарат, цитрат лития, не применяется в России. Он имеет те же основные фармакологические свойства, что и карбонат лития.

Преимущество пролонгированных лекарственных форм состоит в том, что они создают более длительную стабильную концентрацию ионов лития в крови, поэтому более удобны для применения и оказывают более выраженное профилактическое и лечебное действие при равных дозировках. К ним относятся Микалит,  Контемнол и другие.  Микалит  содержит  микрокапсулы с карбонатом лития, выпускается в капсулах по 500 мг.

Лития оксибутират, кроме общих свойств литиевых препаратов, проявляет все эффекты, свойственные оксибутирату натрия. Побочные эффекты в сравнении с карбонатом лития выражены значительно слабее, поскольку для развития терапевтического эффекта требуется меньшая концентрация лития в крови. Помимо лечения аффективных расстройств, он применялся также при психопатиях, неврозах, при органических заболеваниях нервной системы с рецидивирующими аффективными нарушениями и, кроме того, может использоваться в качестве антигипоксического средства. Имеются данные об антиаритмическом действии оксибутирата лития [11, 76]

Соль лития и никотиновой кислоты, никотинат лития, под названием «Литонит» был предложен в качестве вспомогательного средства для комплексной терапии алкоголизма. [3,174]

Никотиновая кислота улучшает обменные процессы и показатели гемодинамики, а литий ослабляет аффективные нарушения. Его применяли для снижения тяги к алкоголю, для ослабления явлений алкогольной абстиненции, а также при остром опьянении в сочетании с другими средствами и способами лечения.[3, 175]

2. Соединения натрия

 Изотонический  Раствор NаСl (0,9%) для инъекций вводят подкожно, внутривенно и в клизмах при обезвоживании организма и при интоксикациях, а также применяют для промывания ран, глаз, слизистой оболочки носа, а также для растворения различных лекарственных препаратов.

Гипертонические растворы NаСl (3—5—10%) применяют наружно в виде компрессов и примочек при лечении гнойных ран. Применение таких компрессов способствует по законам осмоса отделению гноя из ран и плазмолизу бактерий (антимикробное действие). 2—5%-ный раствор NаСl назначают внутрь для промывания желудка при отравлении АgNО3, который при этом превращается в малорастворимый и нетоксичный хлорид серебра:

Аg+ + Сl- = АgСl  [6, 237]

Гидрокарбонат натрия (сода двууглекислая, сода питьевая) NаНСО3 используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью — ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NаНСО3 с кислыми продуктами. При этом образуются натриевые соли органических кислот, которые в значительной мере выводятся с мочой, и углерод диоксид, покидающий организм с выдыхаемым воздухом:

NаНСО3 + RСООН → RСООNа + Н2О + СO2

Используют NаНСО3 и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки.

При приеме     NaHCO3 протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты: