Возможность улучшения качества учебно-воспитательной работы на уроках химии путем экологизации содержания темы "S-элементы"

В нормальном состоянии у атомов этих элементов нет неспаренных электронов, но при переходе атомов в возбужденное состояние один из s-валентных электронов переходит на р-подуровень.

Это и обусловливает проявление степени окисления +2. Например, атом магния в возбужденном состоянии имеет следующую электронную формулу.

Степень окисления больше +2 элементы IIА-группы не проявляют.

Нес

мотря на то, что число валентных электронов у атомов s-элементов IIА-группы одинаково, свойства магния и в особенности бериллия существенно отличаются от свойств щелочноземельных металлов. Последнее прежде всего обусловлено значительным различием радиусов их атомов и ионов.

Отличие свойств бериллия связано и с тем, что его валентным электронам предшествует двухэлектронная оболочка. Кроме того, химические свойства бериллия и магния отличаются от свойств щелочно-земельных металлов вследствие того, что кальций, стронций, барий и радий имеют свободные d-орбитали, близкие по энергии к ns-орбиталям.

Бериллий во многом сходен с алюминием (диагональное сходство в периодической системе). Радиус атома и иона бериллия значительно меньше в сравнении с другими s-элементами группы. Соответственно энергия ионизации атома бериллия существенно выше, чем у остальных s-элементов IIА-группы. В отличие от магния и щелочноземельных металлов бериллий является амфотерным элементом, для него характерна в значительной степени ковалентная связь с атомами других элементов. В обычных условиях бериллий образует не простые, а комплексные ионы. В ряду Be+ — Mg2+ — Са2+— Sr2+ — Ва2+ прочность комплексов с кислородсодержащими и другими лигандами уменьшается:

Способность иона Ве2+ образовывать более прочные комплексы по сравнению с ионом Mg2+ с кислородсодержащими лигандами, фторидами и другими, присутствующими в живых организмах, обусловливает токсическое действие этого катиона.

Например, ион бериллия подавляет активность многих ферментов, активируемых ионом Mg в результате замещения ионов магния в его комплексах с ферментами, нуклеиновыми кислотами и другими биолигандами, содержащими фосфатные группы:

Высокопрочные тетраэдрические комплексы бериллия (sр3 -гибридизация орбиталей) с фосфатами хорошо растворимы по сравнению с менее прочными октаэдрическими комплексами магния (sр3d2 -гибридизация орбиталей). В результате реакции замещения введенный в организм бериллий выводит из организмов в виде прочного комплекса фосфор (фосфатные группы). В свою очередь, это приводит к уменьшению содержания кальция в организме. Таким образом, в результате попадания бериллия в организм возникает заболевание «бериллиевый рахит». Так как приведенная выше реакция является обратимой, введение большого избытка солей магния приводит к смещению равновесия влево (принцип Ле Шателье) и восстановлению активности фермента.

Магний и бериллий являются антагонистами, т. е. добавление одного элемента приводит к вытеснению другого. Именно поэтому при отравлении солями бериллия вводят избыток солей магния. Вследствие токсичности соединения бериллия в медицинской практике в качестве лекарственных средств не применяются.

Магний и бериллий существенно различаются размерами атомов и ионов. Больший размер иона магния обусловливает и более высокое координационное число этого иона, как правило, равное 6 в комплексных соединениях с биолигандами. Химические связи иона магния с донорными атомами кислорода и азота биолигандов имеют более ионный характер по сравнению со связями иона бериллия. В отличие от всех остальных катионов IIА-группы, для которых предпочтительнее координация с атомами кислорода, ионы Mg+ преимущественно координируются с атомами азота.

Комплексные соединения магния играют огромную роль в жизнедеятельности растительных и животных организмов.

Так, например, ион Mg2+ является комплексообразователем в пигменте зеленых растений − хлорофилле− бионеорганическом соединении, играющем важную роль в процессе фотосинтеза:

Во внутриклеточной жидкости, для которой характерно содержание ионов Mg2+, аденозинтрифосфат (АТФ) и аденозиндифосфат (АДФ) присутствуют в основном в виде комплексов MgАТФ2- и MgАДФ- :

Реакции образования комплексов запишутся в виде:

Mg2+ + АТФ4- ↔MgATФ2-

Mg2- + АДФ3- ↔MgАДФ-

Во многих ферментативных реакциях, в которых АТФ выполняет функцию донора фосфатной группы, активной формой АТФ является комплекс МgАТФ2-. Необходимо отметить, что от концентрации ионов Mg2+ зависит устойчивость рибосом. Ион Mg2+ образует шестикоординационные соединения регулярной структуры в отличие от большого по размеру иона Са2+.

Кальций проявляет координационные числа 6, 7 или 8 и образует несимметричные комплексы. Возможным следствием является различная биологическая роль этих элементов в живых организмах. Способность ионов Са2+ образовывать комплексные соединения различного строения позволяет им легко «приспосабливаться» к окружающим их донорным атомам биолигандов и служить мостиками между лигандами. Очевидно, именно поэтому ион Са2+ гораздо эффективнее по сравнению с ионом магния вступает в качестве мостика между двумя лигандами во внеклеточном пространстве.

Интересно отметить, что ион Са2+ обычно бывает антагонистом иона Mg2+ в биохимических процессах. Впрочем, в этом нет ничего удивительного, поскольку физико-химические характеристики этих элементов существенно различаются (= 148 кДж/моль, различные координационные числа и т.д.). Так, ионы Са2+ подавляют активность многих ферментов, активируемых ионами Mg2+, например аденозинтрифосфатазу.

Антагонизм ионов кальция и магния проявляется и в том, что в отличие от магния ион кальция является внеклеточным катионом. При длительном поступлении в организм избыточных количеств солей магния наблюдается усиленное выделение кальция из костной ткани и некоторых белков.

Синергизм ионов магния и кальция наблюдают в активации некоторых ферментов, однако в большинстве случаев ион Mg2+ является активатором внутриклеточных ферментов, а ион кальция — внеклеточных.

Гораздо ближе физико-химические свойства иона магния и иона марганца Мn2+. Вследствие этого последний часто выступает синергистом иона Mg2+. Например, оба эти иона активируют такие ферменты, как различные фосфатазы и др. Предполагается, что активация фермента лейцинаминопептидазы ионами Mg2+ и Мn2+ происходит. вследствие образования комплекса:

Н Н СОО-

R.—С—С—N—С—R,

1 I I I 2

H2N О Н

где М2+—Mg2+ или Mn2+.

Так как кальций по физико-химическим характеристикам (радиус ионов, энергия ионизации, координационные числа) близок к стронцию и барию, то, как правило, ионы этих элементов являются синергистами иона кальция. Сходство в размерах ионов кальция и стронция приводит к наличию постоянной примеси стронция в организме.