[Введите текст]
Оглавление
1. Положение металлов в периодической системе
2. Щелочные металлы
3. Щелочно-земельные металлы
4. Функции металлов в организме человека
5. Металлы побочных подгрупп
Список использованной литературы
1. Положение металлов в периодической системе
В настоящее время известно 118 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере.
В периодической системе Д.И.Менделеева каждый период, кроме первого (он включает в себя два элемента-неметалла - водород и гелий), начинается с активного химического элемента-металла. Эти начальные элементы образуют главную подгруппу I группы и называются щелочными металлами. Своё название они получили от названия соответствующих им гидроксидов, хорошо растворимых в воде, - щелочей.
Атомы щелочных металлов содержат на внешнем энергетическом уровне только один электрон, который они легко отдают при химических взаимодействиях, потому что являются сильнейшими восстановителями. Понятно, что в соответствии с ростом радиуса атома восстановительные свойства щелочных металлов усиливаются от лития к францию.
Следующие за щелочными металлами элементы, составляющие главную подгруппу II группы, также являются типичными металлами, обладающими сильной восстановительной способностью (их атомы содержат на внешнем уровне два электрона). Из этих металлов кальций, стронций, барий и радий называют щелочноземельными металлами. Такое название эти металлы получили потому, что их оксиды, которые алхимики называли «землями», при растворении в воде образуют щелочи.
К металлам относятся элементы главной подгруппы III группы, исключая бор.
Из элементов главных подгрупп следующих групп к металлам относятся: в IV группе германий, олово, свинец (первые два элемента - углерод и кремний - неметаллы), в V группе сурьма и висмут (первые три элемента - неметаллы), в VI группе только последний элемент - полоний - явно выраженный металл. В главных подгруппах VII и VIII групп все элементы - типичные неметаллы.
Что касается элементов побочных подгрупп, то все они металлы.
Таким образом, условная граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами проходят по диагонали B (бор) - Si (кремний) - As (мышьяк) - Te (теллур) - At (астат).
Атомы металлов имеют сравнительно большие размеры (радиусы), поэтому и их внешние электроны значительно удалены от ядра и слабо с ним связаны. И вторая особенность, которая присуща атомам наиболее активных металлов, - это наличие на внешнем энергетическом уровне 1 - 3 электронов.
Отсюда вытекает самое характерное свойство всех металлов - их восстановительная способность, т. е. способность атомов легко отдавать внешние электроны, превращаясь в положительные ионы. Металлы не могут быть окислителями, т. е. атомы металлов не могут присоединять к себе электроны.
2. Щелочные металлы
Щелочные металлы активно взаимодействуют почти со всеми неметаллами. Используя общее обозначение для металлов Ме, запишем в общей форме уравнение реакций щелочных металлов с неметаллами - водородом, хлором и серой:
2Me0 + H20 = 2Me+1H-1(2е-)
2Me0 + Cl20 = 2Me+1Cl-1(2е-)
2Me0 + S0 = Me2+1S-2(2е-)
Щелочноземельные металлы при высоких температурах окисляются водородом до гидридов:
Me0 + H20 = Me+2H2-1(2е-)
Бериллий, магний и все щелочноземельные металлы взаимодействуют при нагревании с неметаллами - хлором, серой, азотом и т. д., образуя соответственно хлориды, сульфиды, нитриды:
Me0 + Cl20 = Me+2Cl2-1(2е-)
Me0 + S0 = Me+2S-2(2е-)
3Me0 + N20 = Me3+2N2-3(6е)
Все щелочные металлы активно взаимодействуют с водой, образуя щелочи и восстанавливая воду до водорода (рисунок справа[2]). Скорость взаимодействия щелочного металла с водой будет увеличиваться от лития к цезию:
2Me0 + 2H+1OH = 2Me+1OH + + H20(2е-)
Из всех металлов главной подгруппы II группы только бериллий практически не взаимодействует с водой[3], магний реагирует с ней медленно, остальные металлы бурно взаимодействует с водой в обычных условиях:
Me0 + 2H+1OH = Me+2(OH)2 + H20(2е-)
Другие металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода, тоже могут при определённых условиях вытеснять водород из воды. Но алюминий бурно взаимодействует с водой, только если удалить с его поверхности оксидную плёнку:
2Al0 + 6H2+10 = 2Al+3(OH)3 + 3H20
Железо взаимодействует с водой только в раскаленном виде:
3Fe0 + 4H2+1O = (Fe+2Fe2+3)O4 + 4H20
С кислотами в растворе (HCl, H2SO4(разб.), CH3COOH и др., кроме HNO3) взаимодействуют металлы, стоящие в ряду напряжений до водорода. При этом образуется соль и водород.
2Al0 + 6H+1Cl = 2Al+3Cl3 + 3H20
2CH3COOH+1 + Mg0 = Mg+2(CH3COO)2 + H20
С солями менее активных металлов в растворе. В результате такой реакции образуется растворимая соль более активного металла и выделяется менее активный металл в свободном виде:
Fe0 + Cu+2SO4 = Fe+2SO4 + Cu0
3. Щелочно-земельные металлы
Щелочноземельными металлами называют 4 химических элемента IIA группы Периодической системы Д. И. Менделеева, начиная с кальция:
кальций Ca, стронций Sr, барий Ba, радий Ra.
На внешнем энергетическом уровне атомы металлов IIA группы имеют два электрона.
Поэтому для всех щелочноземельных металлов характерна степень окисления +2.
Этим объясняется сходство их свойств.
Для металлов IIA группы (сверху вниз) характерно:
увеличение радиуса атомов;
уменьшение электроотрицательности;
усиление восстановительных, металлических свойств.
Из щелочноземельных металлов кальций наиболее широко распространён в природе, а радиоактивный радий -- менее всего.
Все щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, поэтому встречаются в природе только в виде соединений.
Основными источниками кальция являются его карбонаты CaCO3 (мел, мрамор, известняк).
В свободном виде простые вещества представляют собой типичные металлы от серого до серебристого цвета.
Физические свойства простых веществ
В твёрдом агрегатном состоянии атомы связаны металлической связью. Это обусловливает общие физические свойства простых веществ металлов: металлический блеск, ковкость, пластичность, высокую тепло- и электропроводность.
Тем не менее, металлы IIA группы имеют разные значения температуры плавления, плотности и других физических свойств.
Химические свойства
Щелочноземельные металлы обладают высокой химической активностью, реагируют с кислородом, водородом, другими неметаллами, оксидами, кислотами, солями.
Они являются сильными восстановителями.
Щелочноземельные металлы активно реагируют с:
водой, образуя соответствующие гидроксиды и выделяя водород:
Ba+2H2O=Ba(OH)2+H2^?;
кислотами, легко растворяясь в их растворах с образованием соответствующих солей:
Ba+2HCl=BaCl2+H2^;
с неметаллами, образуя оксиды или соответствующие соли (гидриды, галогениды, сульфиды и др.):
2Ca+O2=2CaO,
Ca+H2=CaH2,
Bа+Cl2=BаCl2,
Bа+S=BаS.
Щелочноземельные металлы получают в основном электролизом расплавов галогенидов. Чаще используются хлориды металлов.
При этом на катоде восстанавливаются катионы, а на аноде окисляются анионы.
Суммарное уравнение реакции электролиза расплава хлорида кальция:
CaCl2=Ca+Cl2^.
4. Функции металлов в организме человека
Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются углерод, водород, кислород, в их состав входят также азот, фосфор и сера. В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Са, Р, О, Na, Мg, S, В, С1, К, V, Мn, Fе, Со, Ni, Сu, Zn, Мо, Сг, Si, I, F, Se.
Железо (Fe).
В тканях человеческого тела содержится 4-5 г железа, в том числе 65-70 % в виде гемоглобина, 15 % хранится в печени, селезенке, костном мозге и почках, а остольное количество участвует в синтезе белка и окислительно-восстановительных реакциях в плазме.
Железо входит в состав гемогрупп кислород-переносящих белков гемоглобина и миоглобина. Существующее в гемоглобине сочетание координационного состояния двухвалентного железа и его пространственного экранирования благоприятствует обратимому связыванию кислорода и одновременно препятствует необратимому окислению железа до трехвалентного состояния.
Гемовые простетические группы содержатся также в целом ряде важных ферментов. Примером может служить каталаза, осуществляющая расщепление перекиси водорода, или пероксидаза, катализирующая окисление различных органических веществ перекисями. Ион железа в молекуле каталазы активно участвует в каталитическом цикле.
Плазма крови содержит менее 0.1% железа, имеющегося в человеческом теле, причем все это количество переходит в сыворотку. Концентрация железа в плазме не постоянна и изменяется в зависимости от пола, времени суток и потребляемых продуктов питания. Нормальная концентрация железа в плазме крови мужчины составляет около 23 мкМ, у женщин - на 10-15% меньше.
При потере крови, беременности, родах и менструациях потребность в железе превышает количество, обычно получаемое с пищей. Недостаток железа может привести к железодефицитным анемиям. Высокий показатель железодифицитных состояний зарегистрирован у населения Филиппин, Пакистана и Турции. Особую актуальность проблема железодефицитных состояний представляет для регионов с экстремальными условиями проживания, такими как высокогорье и Крайний Север.
Рис. 1
металл вещество марганец
Марганец (Mn)
Может входить в фосфатазы (перенос PO4-группы). В организм человека попадает с растительной пищей; он необходим для активации ряда ферментов, например дегидрогеназ изолимонной и яблочной кислот и декарбоксилазы пировиноградной кислоты. Его много в трубчатых костях и в печени. Как показали опыты, марганец усиливает рост и размножение некоторых животных.
Положительно влияет марганец и на процессы кроветворения у людей и животных, причем увеличивается количество красных кровяных шариков и процент гемоглобина в крови.
Марганец входит в состав ферментов окислительной группы, от которых зависят характер и сила тканевого дыхания. Необходим марганец и для образования витамина C, роль которого в организме огромна. Но самым важным в действии марганца является его участие в разнообразных окислительно-восстановительных процессах, протекающих в организмах животных. В присутствии соединений марганца все эти процессы протекают гораздо энергичнее. Увеличивается потребление кислорода. Благоприятно действует марганец и на обмен углеводов.
Отравление марганцем наиболее частое происходит из-за вдыхания его оксида в промышленном производстве. Хроническое воздействие может привести к необратимым нарушениям центральной нервной системы и мозга, т.к избыток марганца в организме оказывает действие на ферментные системы мозга.
Кобальт (Co)
Необходим для организма человека в виде витамина B12. Этот витамин (цианкобаламин) представляет собой комплекс трехвалентного кобальта (4%): (рисунок 2).
Он участвует в синтезе гемоглобина, фибрин5 крови является кобальтсодержащим белком. Витамин B12необходим костному мозгу для образования эритроцитов. Он участвует в синтезе РНК. Усиливает основной обмен и образование мышечных белков. Кобальт (II) активирует некоторые ферменты, например карбоангидразу и карбоксилазу. Его нехватка вызывает злокачественную (пернициозную) анемию и остановку роста.
Рис. 2
Избыток Co2+ стимулирует костный мозг к продуцированию эритроцитов; от также уменьшает способность щитовидной железы аккумулировать иод, т.е. гипотиреоз может быть следствием приема солей кобальта при анемии.
Медь (Cu)
Входит в состав некоторых ферментов, например фенолазы и гемоцианина, способных переносить кислород, подобно гемоглобину. Кроме того, медь необходима в биосинтезе гемоглобина.
Но избыток меди, если он не выводится из организма человека, может отлагаться в глазах. Значительное количество меди, попавшей в желудочно-кишечный тракт, раздражает нервные окончания в желудке и кишечнике и вызывает рвоту. А хронический избыток меди ведет к остановке роста, гемолизу6 и низкому содержанию гемоглобина, а также к нарушению тканей в печени, почках, мозге.
Цинк (Zn)
Входит в состав простетических групп более 80 ферментов, таких, как алкогольдегидрогеназа, карбоангидраза, ДНК- и РНК-полимеразы и карбоксипептидаза; в больших концентрациях цинк содержится в предстательной железе, сперматозоидах и тканях глаза. В организм человека цинк попадает как с растительной так и с животной пищей. Цинк является важной составной частью нескольких ферментов, например карбоксипептидазы А (один атом цинка на молекулу белка) и др.
Рис. 3
Цинк делает более активными некоторые ферменты, оказывая этим влияние на обмен веществ, помогает усвоению витаминов. Фермент, названный угольной ангидразой, содержит в себе цинк. По химическому составу это прочное соединение белка с цинком. Удаление цинка из молекулы этого фермента ведет к его разрушению. Роль этого фермента в жизни организма очень велика: без него невозможен процесс дыхания. Этот фермент обеспечивает расщепление угольной кислоты на углекислый газ и воду. Таким образом облегчается удаление углекислого газа из крови в легкие и выведение его наружу. Фермент связывает углекислый газ, образующийся в тканях, в угольную кислоту, которая превращается в соли, переходит в кровь и тоже приносится в легкие. В крови фермент почти целиком сосредоточен в красных кровяных шариках - эритроцитах. Таким образом, цинк играет огромную роль в переносе углекислоты.