Курсовая работа «Химия биогенных элементов»

Глава 2. Химические свойства и биологическая роль элементов.
2.1. s-элементы.
В периодической таблице s-элементы расположены в IА и IIА группах. Элементы первой группы называются щелочными металлами. Элементы второй группы: кальций, стронций, барий и радий называются щелочноземельными металлами. Элементы IА и IIА группы характеризуются сходными свойствами, так как имеют однотипное строение не только валентного слоя, но и одинаковое строение предвнешней электронной оболочки (за исключением лития и бериллия). [7]
Атомы щелочных металлов имеют на внешнем энергетическом уровне один электрон, атомы элементов второй группы – два электрона, которые атомами s-элементов легко теряются. При этом образуются катионы Ме⁺ и Ме²⁺, имеющие устойчивую электронную конфигурацию, соответствующую атомам благородных газов:
Ме ⁰ – 1ē = Ме ⁺; Ме ⁰ – 2ē = Ме ²⁺
Основные свойства s-элементов представлены в таблице 3.
Таблица 3. Свойства s-элементов



Физические свойства. В свободном состоянии металлы I-А группы характеризуются низкими температурами плавления и кипения, высокой электрической проводимостью, малой твердостью и плотностью, неустойчивостью к коррозии. Имеют серебристо-белую окраску. Металлы IIА группы имеют более прочные кристаллические решетки. На воздухе блеск
сохраняют только бериллий и магний, остальные металлы покрываются
пленкой из оксидов, сульфидов, карбонатов и т. д. [8]
Получение металлов. В свободном виде металлы I-А и II-А групп не встречаются. Получают эти металлы электролизом расплавов солей (как правило, хлоридов). Такие металлы, как калий, рубидий, цезий, стронций и барий можно получить алюмотермическим методом:
4 SrO + 2 Al = 3 Sr + SrO*Al₂O₃ (или [Sr(AlO₂)₂] – алюминат стронция)
Химические свойства:
Взаимодействие с кислородом. Большинство s-элементов легко окисляются на воздухе, поэтому хранят в закрытых сосудах под слоем керосина. При взаимодействии с кислородом s-элементы образуют оксиды трех видов:
а) Нормальные оксиды образуют – Li, Be, Mg, Ca и Sr:
4 Li + O₂ = 2 Li₂O;
б) Натрий и барий, соединяясь с кислородом, образуют пероксиды:
2 Na + O₂ = Na₂O₂;
в) Калий, рубидий и цезий с кислородом образуют надпероксиды:
К + O₂ = КO₂ (К₂О₄);
Рубидий и цезий воспламеняются при комнатной температуре, натрий и калий – только при нагревании. Бериллий на воздухе покрывается оксидной пленкой (ВеО), которая защищает металл от дальнейшего разрушения.
Взаимодействие с неметаллами. Все s-элементы энергично взаимо-действуют с галогенами:
Са + С1₂ = СаС1₂
С серой и другими неметаллами эти металлы взаимодействуют при нагревании. При взаимодействии с серой получаются соли – сульфиды:
2 Na + S = Na₂S (реакция идёт при нагревании);
При нагревании с углеродом получаются карбиды металлов:
2 Na + 2 С = Na₂С₂ (реакция идёт при нагревании);
С азотом без нагревания взаимодействует только литий, остальные s-элементы взаимодействуют с азотом при нагревании.
Металлы I-А и II-А групп могут взаимодействовать и с водородом с образованием гидридов металлов. При взаимодействии с активными металлами водород выступает в роли окислителя:
2 Na + Н₂ = 2 NaH
Взаимодействие с водой. Все s-элементы I группы энергично взаимодействуют с водой. Интенсивность этого взаимодействия в ряду Li – Cs
усиливается. Рубидий и цезий реагируют с водой со взрывом:
2 Na + 2 Н₂О = 2 NaОН + Н₂↑
Менее энергично с водой взаимодействуют s-элементы II группы. Бериллий с водой не взаимодействует за счет образования на его поверхности защитной оксидной пленки ВеО (так же, как и алюминий):
Mg + Н₂О = MgО + Н₂↑; MgO + Н₂О = Mg(ОН)₂
Остальные s-элементы II-А группы вытесняют водород из воды при комнатной температуре:
Ba (Ca, Sr) + 2 Н₂О = Bа(ОН)₂ + Н₂↑
Взаимодействие с кислотами. Все металлы I-А и II-А групп легко растворяются в разбавленных кислотах:
2 Na + 2 НС1 = 2 NaС1 + Н₂↑; Мg + Н₂SO_4(разб.) = МgSO₄ + Н₂↑
При взаимодействии металлов с концентрированной серной кислотой окислителем является сера, а поскольку металлы очень активны, то восстановление серы в серной кислоте идет до низшей степени окисления, т. е. до образования Н₂S:
4 Mg + 5 Н₂SO_{4 (конц.)} = 4 MgSO₄ + Н₂S↑ + 4 Н₂О
Взаимодействие металлов с азотной кислотой зависит от степени разбавления кислоты и активности металла:
3 Mg + 8 НNO_{3 (конц.)} = 3 Mg(NO₃)₂ + 2 NО↑ + 4 Н₂О
4 Mg + 10 НNO_{3 (разб.)} = 4 Mg(NO₃)₂ + N₂О↑ + 5 Н₂О
4 Mg + 10 НNO_{3 (оч. разб.)} = 4 Mg(NO₃)₂ + NН₄NO₃ + 3 Н₂О
Бериллий концентрированными серной и азотной кислотами пассивируется. Из всех s-элементов только бериллий обладает амфотерными свойствами и поэтому растворяется в кислотах и в щелочах:
Ве + 2 НС1 = ВеС1₂ + Н₂↑
Ве + 2 NaOH + 2 H₂O = Na₂[Be(OH)₄] + Н₂↑
Биологическая роль и токсичность. В организме человека натрий находится в виде его растворимых солей (хлорида, фосфата, гидрокарбоната). В организм человека натрий поступает в основном в виде поваренной соли. За один год человек съедает около 3 кг хлорида натрия. При изменении содержания натрия в организме происходит нарушение функций нервной, сердечнососудистой и других систем. Непрерывное избыточное потребление NаСl способствует появлению гипертонии.
Комплексные соединения магния и кальция играют важную роль в жизнедеятельности растений и живых организмов. Магний входит в состав многих ферментативных систем, а кальций является главным компонентом костной ткани. Входя в состав различных ферментативных систем, ион магния является их незаменимым компонентом. Щелочные и щелочноземельные металлы относятся к взрыво- и пожароопасным веществам. [7,12]