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

S-элементы в природе очень важны. Также важны и соединения Sэлементов. Sэлементы очень часто являются источником экологических проблем, в том числе по вине человека. Тем не менее, в совокупности, эти факторы находят очень слабое отражение в учебно-воспитательной работе в рамках естественной дисциплины. Поэтому цель работы — исследование возможности усовершенствования учебно-воспитательного процесса на уроках химии путем акцентирования внимания учащихся именно на этот круг проблемы. Гипотеза состояла в предположении о том, что экологизация содержания темы: «Sэлементы» в рамках отведенного программой времени позволит как расширить кругозор школьников, так и усилить воспитательный эффект изучения данной темы. В работе решались следующие задачи:

1. Обзор литературы с целью установления места и роли данной темы в комплексе учебно-методических источников.

2. Анализ школьных учебников, пособий, задачников и т. д. на предмет содержания в них сведений прикладного и экологического характера;

3. Обзор собственно экологических проблем, связанных с наличием в природе и использованием своей жизнедеятельности человеком Sэлементов и их соединений;

4. Разработка и реализация собственных план — конспектов уроков с учетом информации, полученной в результате литературного поиска;

5. Составление «банка» контрольных заданий к теме (текущий, промежуточный контроль знаний);

Объект исследования: учебно-воспитательный процесс с учениками 9−11 классов гимназии № 1 г. Нальчик;

Предмет исследования - возможность улучшения качества учебно0воспитательной работы на уроках химии путем экологизации содержания темы «S-элементы».

ГЛАВА 1. S-элементы в учебно-методической работе учителя химии

Материал настоящей главы посвящен двум аспектам: первый из них относится к роли и месту по объему и содержанию темы «S-элементы» в современном школьном курсе химии. Этот вопрос важен по той причине, что обычно содержание школьной программы по химии не успевает в достаточной мере отразить все важные в практическом отношении (экологическом, прикладном) факты, относящиеся к этой теме. То, что фактов и факторов множество, показано во второй части обзора.

1.1 S-элементы в школьных программах, учебниках и другой методической литературы в школьном курсе химии. Степень отражения прикладных и экологичеких аспектов.

S-элементы в школьном курсе химии отражены следующим образом

8 класс

1. При изучении темы: «Периодический закон и периодическая таблица Д.И. Менделеева» учащиеся изучают группы сходных элементов. S-элементами являются элементы I, II-А групп.

2. При изучении темы «Строение атома» изучается строение атомов некоторых S-элементов. Дается определение, что элементы, у которых на последнем энергетическом подуровне располагаются S-электроны, являются S-элементами.

9 класс

1. При изучении темы: «Щелочные и щелочноземельные металлы», ученикам напоминают, что эти металлы они относятся к S-элементам. Составляют электронные схемы строения щелочных и щелочноземельных металлов и указывают то, что у этих элементов на последнем энергетическом уровне располагаются S-электроны.

11 класс

1. При изучении темы: «Пространственное строение молекул неорганических и органических веществ» изучаются модели молекул в том числе и S-элементов.

2. При изучении темы: «Химические свойства металлов главных подгрупп» подчеркивается то, что металлы I, II-A групп являются S-элементами, и химические свойства этих элементов изучают отдельно.

3. При изучении темы: «Общая характеристика s-, p-, d-, f-элементов», они изучают семейство S-элементов, то что они проявляют сильные восстановительные свойства, т. е. легко отдают S-электроны последнего энергетического уровня.

1.2 Экологическая проблематика темы: «S-элементы ПСХЭ» с точки зрения экологии

К блоку S-элементов относятся 13 элементов, общим для которых является застраивание в их атомах s-подуровня внешнего энергетического уровня.

^*? необходимые элементы; ^**? биогенные элементы Элементы IА-группы (Li, Nа, К, Rb, Сs, Fr) имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s-электрону, а элементы IIА-группы (Ве, Мg, Са, Ra, Ва, Sr) — по два электрона.

Химические свойства s-элементов IАи IIА-групп сходны. 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, бериллия и магния.

Большинство природных соединений натрия, калия, кальция, стронция растворимы в воде и слабых кислотах, и поэтому ноны этих металлов могут мигрировать из водных растворов в организм растений, животных и человека.

Водород, натрий, калий, магний, кальций — жизненно необходимы для живых и растительных организмов.

1.2.1Общая характеристика s-элементов IА-группы

Щелочные металлы

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

Как и многие другие биохимические процессы, перенос ионов Na⁺ и К⁺ через клеточные мембраны сопряжен с экзоэргонической реакцией гидролиза АТФ.

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 (рис.1). 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.

Изотонический раствор NaCl (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 NaCl (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 NaCl назначают внутрь для промывания желудка при отравлении AgNО₃, который при этом превращается в малорастворимый и нетоксичный серебра хлорид:

Ag⁺(р) + С1^?(р) = AgCl (т) Натрий водородкарбонат (натрий гидрокарбонат, сода двууглекислая, сода питьевая) NaHCО₃ используют при различных заболеваниях, сопровождающихся повышенной кислотностью? ацидозом (диабет и др.). Механизм снижения кислотности заключается во взаимодействии NaHCО₃ 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:

NaHCO₃ (p) + RCOOH (p) >RCOONa) (p) + H₂О (ж) + CО₂ (г) Используют NаНСО₃ и при повышенной кислотности желудочного сока, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. При приеме NaHCO₃ протекает реакция нейтрализации избыточной соляной кислоты:

NaHCO₃ (р) + НС1 (р) = NaCl (р) + Н₂0 (ж) + С0₂ (г) Рис. 1. Схема действия Na⁺-, К⁺ -АТФазы и возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах Следует иметь в виду, что применение NaHC0₃ вызывает ряд побочных эффектов. Выделяющийся при реакции углерод диоксид раздражает рецепторы слизистой оболочки желудка и вызывает вторичное усиление секреции, кроме того, он может способствовать перфорации стенки желудка при язвенной болезни.

Слишком большая доза NaHC03 в результате гидролиза приводит к алкалозу, что не менее вредно, чем ацидоз.

Растворы натрия водородкарбоната применяют в виде полосканий, промываний при воспалительных заболеваниях глаз, слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Действие NaHC0₃ в качестве антисептического средства основано на том, что в результате гидролиза, протекающего в очень незначительной степени, водный раствор NaHC03 проявляет слабощелочные свойства:

NaHCO₃ + Н₂0 > NaOH + Н₂С0₃

При воздействии щелочей на микробные клетки происходит осаждение клеточных белков и вследствие этого гибель микроорганизмов.

Натрий сульфат (глауберова соль) Na₂SO₄ 10H₂O применяют в качестве слабительного средства. Эта соль медленно всасывается из кишечника, что приводит к поддержанию повышенного осмотического давления в полости кишечника в течение длительного времени. В результате осмоса происходит накопление воды в кишечнике, содержимое его разжижается, сокращения кишечника усиливаются, и каловые массы быстрее выводятся.

Натрий тетраборат Na₂B₄0₇ 10Н₂О применяют наружно как антисептическое средство для полосканий, спринцеваний, смазываний. Антисептическое действие Na₂B₄0₇ 10Н₂О аналогично NaHC0₃ и связано с щелочной реакцией среды водного раствора этой соли вследствие ее гидролиза, а также с образованием борной кислоты:

Na₂B₄0₇ + 7Н₂0 — 4Н₃В0₃ + 2NaOH

Натрий гидроксид в виде 10%-ного раствора входит в состав силамина, применяемого в ортопедической практике для отливки огнеупорных моделей при изготовлении цельнолитых протезов из кобальтохромового сплава.

Радиоактивный изотоп ²⁴Na в качестве метки применяют для определения скорости кровотока, кроме того, он используется для лечения некоторых форм лейкемии.

Калий. Содержание калия в организме человека массой 70 кг составляет примерно 160 г (4090 ммоль) 0,23%. 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 нонами 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.

При калиевом истощении применяют калий хлорид КСl 4−5 раз в день по 1 г.

Рубидий и цезий. По содержанию в организме человека рубидий (10%) и цезий (I0%) относятся к микроэлементам. Они постоянно содержатся в организме, но биологическая роль их еще не выяснена. Являясь полным аналогом калия, рубидий также накапливается во внутриклеточной жидкости и может в различных процессах замещать эквивалентное количество калия. Синергист калия — рубидий активирует многие те же самые ферменты, что и калий, пируватфосфокиназу, альдегиддегидрогеназу и др.

Радиоактивные изотопы ¹³⁷Cs и ⁸⁷Rb используют в радиотерапии злокачественных опухолей, а также при изучении метаболизма калия. Благодаря быстрому распаду их можно даже вводить в организм, не опасаясь длительного вредного воздействия.

Франций. Это радиоактивный химический элемент, полученный искусственным путем. Имеются данные, что франций способен избирательно накапливаться в опухолях на самых ранних стадиях их развития. Эти наблюдения могут оказаться полезными при диагностике онкологических заболеваний.

Таким образом, из элементов IA-группы физиологически активны Li, Rb, Cs, a Na и К — жизненно необходимы. Близость физико-химических свойств Li и Na, обусловленная сходством электронного строения их атомов, проявляется и в биологическом действии катионов (накопление во внеклеточной жидкости, взаимозамещаемость). Аналогичный характер биологического действия катионов элементов больших периодов — К+, Rb+, Cs+ (накопление во внутриклеточной жидкости, взаимозамещаемость) также обусловлен сходством их электронного строения и физико-химических свойств. На этом основано применение препаратов натрия и калия при отравлении солями лития и рубидия.

1.2.2 Общая характеристика s-элементов ПА-группы

Щелочно-земельные металлы

Клетка Во вторую группу периодической системы входят бериллий, магний и щелочно-земельные металлы — кальций, стронций, барий, радий, имеющие большое значение в жизнедеятельности. Наиболее важными среди этих элементов для живых организмов являются макроэлементы магний и кальций и микроэлементы стронций и барий. Магний входит в состав многих ферментативных систем, а кальций является главным компонентом костной ткани. Стронций оказывает влияние на процессы в костной ткани, а барий, очевидно, играет определенную роль в функционировании органов зрения. Если о биологической роли магния и кальция многое известно, то влияние микроэлементов стронция, бария и радия на живые организмы изучено очень мало. В живых организмах эти элементы находятся в степени окисления + 2.

В табл. 1 и 2 приведены некоторые свойства s-элементов IIА-группы. Атомы этих элементов имеют по два валентных электрона на s-подуровне внешнего энергетического уровня, т. е. электронная формула валентной оболочки s-элементов Таблица 1

Свойства атомов щелочно-земельных элементов

Таблица 2

Свойства элементных веществ группы IIА

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.

Несмотря 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 MgАТФ^2- и MgАДФ^- :

Реакции образования комплексов запишутся в виде:

Mg²⁺ + АТФ^4- -MgATФ^2-

Mg^2- + АДФ^3- -MgАДФ^-

Во многих ферментативных реакциях, в которых АТФ выполняет функцию донора фосфатной группы, активной формой АТФ является комплекс МgАТФ^2-. 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.

При избытке ионов Sr²⁺ возникает эндемическая уровская болезнь. Это заболевание было обнаружено у населения, проживающего у реки Уровы в Восточной Сибири. Характерными особенностями болезни являются размягчение и искривление костей. Анализ почвы этой местности показал повышенное содержание в ней стронция. Вследствие этого в костной ткани происходило вытеснение ионов кальция ионами стронция, который не способен выполнять функции ионов Са²⁺. Результатом этого процесса является возникновение стронциевого рахита.

Токсичны и соли бария. Механизм действия этих солей заключается в том, что ионы Ва²⁺, имея одинаковый радиус с ионом К+, конкурируют с ним в биохимических процессах. В результате такой взаимозамещаемости возникает гипокалиемия. Ионы бария могут проникать и в костные ткани, вызывая эндемические заболевания (например, болезнь па-пинг).

Элементы ПА-группы, за исключением бериллия, обладают выраженными металлическими свойствами. В виде простых веществ они представляют собой серебристо-белые металлы с высокими температурами плавления. По плотности, за исключением радия, они относятся к легким элементам. Вследствие существенного различия в строении пространственных кристаллических решеток многие физические свойства в ряду Be—Ra изменяются незакономерно (плотность, температуры плавления и кипения).

Элементы IIА-группы — сильные восстановители, причем восстановительная активность с увеличением радиуса атома в ряду Be—Ra закономерно возрастает. Подобно щелочным металлам, они легко окисляются на воздухе, но при этом образуются оксиды ЭО, а не пероксиды:

Как и щелочные металлы, кальций, стронций, барий, радий вытесняют водород из воды даже при комнатной температуре. При этом образуются гидроксиды Э (ОН)г. Активность взаимодействия с водой в ряду Са—Sr—Ва—Ra существенно возрастает. В отличие от них бериллий не взаимодействует с водой, так как его поверхность покрыта плотной оксидной пленкой. Магний медленно взаимодействует с водой вследствие образования малорастворимого гидроксида Mg (OH)2, покрывающего поверхность металла и затрудняющего дальнейшее протекание реакции.

Среди оксидов элементов IIА-группы в качестве лекарственного препарата применяют магний оксид MgO. Основные свойства магния оксида и его нерастворимость в воде обуславливают его применение в качестве антацидного средства при повышенной кислотности желудочного сока:

MgO (т) + 2НС1 (жел. сок) = MgCl2 (р) + Н20 (ж) Магний оксид имеет преимущество перед натрий водородкарбонатом NaНСОз, так как при взаимодействии MgO с кислотой желудочного сока не происходит выделение углерода диоксида. Поэтому при действии магния оксида не наблюдается гиперсекреции. Образующийся при реакции магний хлорид, переходя в кишечник, оказывает легкий послабляющий эффект (осмотическое действие).

Смесь магний оксида MgO (85%) и магний пероксида Mg02 (15%) является препаратом, известным под названием «магний перекись». Этот препарат применяют при желудочно-кишечных расстройствах. Эффект частично связан с антацидньгм действием MgO, а частично — с бактерицидным действием образующегося водородпероксида Н2О2 при растворении препарата в кислом содержимом желудка:

MgO2 (т) + 2НС1 (жел. сок) = Н202 (р) + MgCl2 (р) Магний оксид входит и в состав цинкофосфатных цементов (порошок «фосфат») и поликарбосиликатных цементов, которые применяют в стоматологии в качестве постоянных пломбировочных материалов. Кроме того, MgO входит в состав пломбировочного материала «цемент фосфат для фиксации несъемных протезов». Этот материал быстро затвердевает, отличается прочностью, поэтому его используют для фиксации одиночных коронок, мостов и несъемных протезов.

В основе стоматологического применения MgO, как и других оксидов — ZnO, СаО, А120з, лежит реакция образования малорастворимых фосфатов при перемешивании порошка фосфатных и поликарбосиликатных цементов с жидкой фазой — НзР04•xН20:

3MgO (т) + 2Н3Р04 (р) = Mg3(P04)2 (т) + ЗН20 (ж) Оксиды бериллия и магния не соединяются с водой, в то время как оксиды щелочно-земельных металлов активно взаимодействуют с водой, образуя гидроксиды:

Основные свойства гидроксидов в ряду Ва—Ra закономерно усиливаются с ростом радиуса атомов. Оксиды и гидроксиды всех s-элементов ПА-группы, за исключением бериллия, проявляют только основные свойства. Бериллий оксид и гидроксид — амфотерны, они могут взаимодействовать как с кислотами ВеО (т) + 2НС1 (р) = ВеС12 (р) + Н20 (ж) Ве (ОН)2 (т) + 2НС1 (р) = ВеС12 (р) + 2Н20 (ж) так и с щелочами:

ВеО (т) + 2NaOH (р) + Н2 0 (ж) = Na2[Be (OH)4 ] (р) Ве (ОН)2 (т) +2NaOH (р) = Na2[Be (OH)4] (р) Амфотерность бериллия проявляется и в том, что в отличие от остальных элементов этой группы он растворяется в щелочах:

Be (т) + 2NaOH (р) + 2Н20 (ж) = Na2[Be (OH)4] (р) + Н2 (г) Из гидроксидов s-элементов ПА-группы в стоматологической практике используют кальций гидроксид, входящий в состав цемента и пасты, применяемые в качестве пломбировочного материала для лечебных прокладок.

Подобно щелочным металлам щелочно-земельные при высокой температуре окисляются водородом до гидридов ЭН2. При нагревании s-элементы ПА-группы взаимодействуют с азотом, фосфором, углеродом, галогенами и другими неметаллами. В медицинской практике эти соединения, за исключением галогенидов ЭГ2, не находят применения.

Многие соли элементов ПА-группы малорастворимы в воде. Так, среди галогенидов малорастворимы CaF2, MgF2; практически нерастворимы фосфаты магния и щелочно-земельных металлов Э3 (Р04)2, а из. сульфатов хорошо растворимы только BeS04 и MgS04. С ростом порядкового номера элемента растворимость этих солей обычно понижается. Такой характер изменения растворимости солей играет важную роль в биологическом действии катионов этой группы. Так, уменьшение растворимости кальция фосфата и карбоната по сравнению с аналогичными соединениями магния является, по-видимому, одной из причин формирования скелета всех живых организмов именно из этих соединений кальция.

В живых организмах из ионов кальция и фосфат-ионов образовался кристаллический минерал гидроксилапатит Са10(Р04) 6 (ОН)2 — основное вещество костной и зубной тканей.

Хотя магний является макроэлементом, его соединения не сыграли значительной роли в построении скелета. Очевидно, это связано с лучшей растворимостью магния фосфата Mg3(P04)2 и основного карбоната Mg (OH)2 • 4MgC03 • H20 по сравнению с кальцием фосфатом и карбонатом.

Так как микроэлементы стронций и барий по физико-химическим характеристикам (радиусы ионов, энергия ионизации, координационные числа и т. д.) сходны с кальцием, то, попадая в больших количествах в организм, они могут замещать ионы кальция в костной ткани. Такое замещение имеет место вследствие того, что растворимость фосфатов щелочно-земельных металлов уменьшается в ряду Са — Sr — Ва и равновесие:

3SrX2 (р) + Са3(Р04)2 (т) — Sr3(P04)2 (т) + ЗСаХ2 (р) где X = С1^?, НСО3^? и др., смещается вправо Как уже упоминалось, именно в результате замещения ионов кальция в костной ткани на стронций возникает «стронциевый» рахит — повышенная ломкость костей. Образование очень прочного и малорастворимого бария фосфата Ваз (Р04)2 в костной ткани, нервных клетках и мозговом веществе обусловливает токсичность иона Ва²⁺.

Однако следует отметить, что в активации некоторых ферментов ионы бария и стронция являются синергистами кальция.

Многие соли кальция и магния находят применение в медицине. Антацидным и легким слабительным действием обладает магний карбонат основной Mg (OH)2•4MgC03•H20 (белая магнезия), механизм действия которого аналогичен магния оксиду MgO.

Магний сульфат (горькая соль) MgS04•7H2O оказывает при парентеральном введении успокаивающее действие на центральную нервную систему. В зависимости от дозы может наблюдаться седативный, снотворный или наркотический эффект. Действие препарата основано на том, что ионы Mg²⁺ в зависимости от концентрации блокируют или обеспечивают нервно-мышечную передачу, они понижают возбудимость дыхательного центра, а также угнетают сосудо-двигательный центр, вследствие чего снижают артериальное давление.

MgS04•7H20 применяют и как слабительное. При пероральном приеме магния сульфата из-за плохой его всасываемости, как и в случае Na2S04•10H2O, в просвете кишечника создается высокое осмотическое давление, что приводит к диффузии воды в просвет кишечника. В результате этого происходит разжижение и увеличение объема кишечного содержимого, что обусловливает акт дефекации.

В качестве адсорбирующего и обволакивающего средства в медицине широко применяют силикатное производное Mg — тальк 2MgSi03•Mg (HSi03)2.Это соединение используют также в качестве компонента для приготовления лекарственных форм — паст и таблеток.

Используют кальций хлорид при отравлении солями магния, а также оксалати фторид-ионами. Применение препарата в первом случае основано на взаимозамещаемости ионов кальция и магния в организме, а во втором случае — на, образовании нетоксичных малорастворимых соединений кальция оксалата и фторида:

Са²⁺ (р) + С₂0^2- (р) = СаС₂0₄ (т) Са²⁺ (р) + 2F^- (р) = CaF₂ (т) Антацидным и адсорбирующим действием обладает кальций карбонат СаСОз. Его назначают внутрь при повышенной кислотности желудка, так как он нейтрализует соляную кислоту:

СаСОз (т) + 2НС1 (жел. сок) = СаС1₂ (р) + Н₂0 (ж) + С0₂ (г) Кальций сульфат (жженый гипс) СаSО4•ЅН2О применяют для приготовления гипсовых повязок при переломах, а также в качестве слепочного материала при протезировании зубов. Получают жженый гипс обжигом гипса CaS0₄•2H₂0 при температуре не выше 453 К:

CaS0₄*2Н₂0 = CaS0₄*¹/₂Н₂0 + ³/₂ Н₂0

При замешивании жженого гипса в небольшом количестве воды происходит образование гипса. Этот процесс называется схватыванием гипса:

CaS0₄· ЅH₂0 (т) + ³/2H2O (ж) = CaS0₄-2H₂0 (т) Затвердевание гипсового теста сопровождается некоторым увеличением объема, что способствует получению хороших слепков.

Находит применение в медицине и радиоактивный изотоп ⁴⁵Са. С помощью этого изотопа были изучены процессы всасывания и распределения кальция в организме, отложения его в костях и выведение при нормальной жизнедеятельности организма и различных патологиях.

Поскольку ионы бария и стронция обладают токсическим действием, их соединения практически не применяются в медицине. Исключение составляет барии сульфат, который не подвергается гидролизу и не растворяется в соляной кислоте желудочного сока, вследствие чего и отсутствует токсическое действие при приеме этого вещества внутрь. Применяют эту соль для рентгеновской диагностики заболеваний пищеварительного тракта в качестве контрастного вещества, так как BaS0₄ сильно поглощает рентгеновские лучи. Но следует учитывать, что отдельные люди обладают повышенной чувствительностью к этому соединению.

Биологическая роль s-элементов IIА-группы

Их применение в медицине бериллий постоянно находится в растениях, а также в организмах животных. В последние годы появились сообщения, что содержание бериллия в живых организмах составляет ~ 10^-7%, т. е. он является примесным ультрамикроэлементбм. Биологическая роль бериллия изучена недостаточно. Известно, что соединения бериллия токсичны и вызывают ряд заболеваний (бериллиевый рахит, бериллиоз и т. д.). Особенно токсичны летучие соединения бериллия. Как уже было рассмотрено выше, отрицательное влияние иона Ве²⁺ на физиологические процессы можно объяснить его химическими свойствами (способностью образовывать прочные связи с биолигандами и хорошей растворимостью фосфатов бериллия).

Магний формально относится к макроэлементам. Общее содержание его в организме 0,027% (около 20 г). Топография магния в организме человека такова: в наибольшей степени магний концентрируется в дентине и эмали зубов, костной ткани. Накапливается он также в поджелудочной железе, скелетных мышцах, почках, мозге, печени и сердце (рис.). У взрослого человека суточная потребность в магнии составляет около 0,7 г. Ион магния, так же как и ион калия, является внутриклеточным катионом.

В биологических жидкостях и тканях организма магний находится как в виде акваиона, так и в связанном с белками состоянии в количестве < 10, т. е. по сущности это микроэлемент.

Рис. Топография s-элементов ПА-группы в организме человека Концентрация ионов магния внутри клеток примерно в 2,5—3 раза выше, чем во внеклеточных жидкостях. Ионы магния играют важную биологическую роль в организме человека. Вследствие меньшего радиуса иона и большей энергии ионизации ион Mg²⁺ образует более прочные связи, чем ион кальция, и поэтому является более активным катализатором ферментативных процессов. Входя в состав различных ферментативных систем, ион магния является их незаменимым компонентом и активатором (такие ферменты, как карбоксипептидаза, холинэстераза и некоторые другие, являются специфическими для иона магния).

Гидролиз АТФ, сопряженный с рядом ферментативных реакций, в результате которых образуется гидрофосфат-ион НРО2- и выделяется большое количество энергии, проходит при обязательном избытке ионов Mg²⁺.

Кальций относится к макроэлементам. Общее содержание его в организме 1,4% .Кальций содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях (см. рис.). В среднем взрослый человек в сутки должен потреблять 1 г кальция, хотя потребность в кальции составляет только 0,5 г. Это связано с тем, что кальций, вводимый с пищей, только на 50% всасывается в кишечнике. Сравнительно плохое всасывание является следствием образования в желудочно-кишечном тракте труднорастворимых кальция фосфата Са3(Р04)2 и кальциевых солей жирных кислот:

ЗСа²⁺ (р)+2Р04^3- (р) — Са3(Р04)2 (т) Са²⁺ (р) +2R—СООН (р) — (RCOO)2Ca (т) + 2Н⁺ (р) В организме концентрация ионов кальция регулируется гормонами.

В костях и зубах взрослого человека около 1 кг кальция находится в виде нерастворимого кристаллического минерала — гидроксилапатита Са10(Р04) 6 (ОН)2, образование которого происходит при взаимодействии ионов кальция с фосфат-ионами.

В крови и лимфе кальций находится как в ионизированном, так и в неионизированном состоянии — в соединениях с белками, углеводами и др. Механизм свертывания крови состоит из ряда этапов, многие из которых зависят от наличия ионизированного Са²⁺. Ионы кальция принимают активное участие в передаче нервных импульсов, сокращении мышц, регулировании работы сердечной мышцы.

Концентрации ионов кальция Са²⁺ внутри и вне клетки соответственно составляют 10^-6 и (2,25—2,8) 10^-3 моль/л. Поскольку кальций практически не используется внутри клетки, он выступает в качестве строительного материала в организме, в костях, зубах. Скелет — основное хранилище кальция в организме.

Стронций относится к примесным микроэлементам. Его содержание в организме 10^-3%. Концентрируется стронций главным образом в костях, частично замещая кальций. Важную роль играет стронций в процессах костеобразования (остеогенеза). При введении в организм радиоактивного изотопа ⁹⁰Sr установлено, что он в наибольшей степени накапливается в тех местах, где происходит интенсивный остеогенез. Определение содержания стронция в плазме и эритроцитах используют для диагностики и прогнозирования заболеваний лейкозом. Этот тест связан с тем, что при лейкозах содержание стронция в плазме крови уменьшается, а в эритроцитах увеличивается.

Образующийся при ядерных взрывах радиоактивный изотоп ⁹⁰Sr вызывает лучевую болезнь. Он поражает костную ткань, в особенности костный мозг. Накопление ⁹⁰Sr в атмосфере и организме человека способствует развитию лейкемии и рака костей. Применение кислоты — этилендиаминтетраацетата (ЭДТА) для удаления ионов ⁹⁰Sr из организма приводит к дополнительному вымыванию кальция из костей. Поэтому в настоящее время в этих целях используют не кислоту, а ее комплекс Nа2СаЭДТА.

Вместе с тем радиоактивные изотопы ⁸⁹Sr и ⁹⁰Sr применяют в лучевой терапии при лечении костных опухолей.

Барий также является примесным микроэлементом. Общее содержание его в организме составляет 1•10^-5%. Концентрируется барий преимущественно в сетчатке глаза (см. рис.). Биологическая роль его пока не выяснена. Так как при лейкозах содержание бария в эритроцитах и плазме крови увеличивается, количественное определение бария может служить диагностическим тестом на заболевание лейкозом. Как уже отмечалось, ионы бария являются токсичными для организма.

Радий относится к примесным микроэлементам. Общее содержание его в организме 10^-11 —10^-12%. Максимально допустимое содержание радия в организме человека 1•10^-7 г. Концентрируется радий преимущественно в костной ткани. Препараты радия ²²⁶Ra раньше применялись для лечения злокачественных опухолей, однако в настоящее время они практически не используются. Их заменили более дешевыми изотопами ⁶⁰Со, ^l37Cs и др.

экологический химия план урок

ГЛАВА 2. Экспериментальная часть

2.1 Констатирующий срез знаний учеников по теме: «Периодический закон Д. И. Менделеева и строение атомов»

Задача 1. В какой группе и в каком периоде периодической системы элементов Д. И. Менделеева находится элемент с порядковым номером 42?

Решение. Расположение элементов в периодической системе в соответствии со строением их атомов следующее: в первом периоде 2, во втором 8, в третьем 8. Третий период заканчивается элементом с порядковым номером 18 (2 + 8 + 8 = 18). В четвертом периоде 18 элементов, т. е. он заканчивается элементом с порядковым номером 36. В пятом периоде также 18 элементов, поэтому элемент с порядковым номером 42 попадает в пятый период. Он занимает шестое место, следовательно, находится в шестой группе. Этот элемент — молибден (Мо).

Задача 2. Какой из элементов — литий или калий — обладает более выраженными металлическими свойствами?

Решение. Строение электронных оболочек атомов натрия и цезия можно представить следующим образом:

Li -1sІ2s№ и K -1sІ2sІ2p⁶3sІ3p⁶4s№ или сокращенно [He]s№ и [Ar]s№.

Как видим, у обоих атомов на внешнем энергетическом уровне находится по одному электрону. Однако у атома калия внешний электрон расположен дальше от ядра (на четвертом энергетическом уровне, а у натрия — на втором) и, следовательно, легче отрывается. Поскольку металлические свойства обусловлены способностью отдавать электроны, они сильнее выражены у калия.

Задача 3. Какие соединения с водородом образуют элементы главной подгруппы VI группы? Назовите наиболее и наименее прочное из них.

Решение. Элементы главной подгруппы УI группы — р-элементы. У них на внешнем электронном уровне по 6 электронов: nsІnp⁴. Следовательно, в соединениях с водородом они проявляют степень окисления -2. Формулы соединений: Н2O, H2S, H2Se, H2Те, Н2Ро. С ростом порядкового номера элемента (от кислорода к полонию) увеличивается радиус атома, что обусловливает уменьшение прочности соединения с водородом (от H2O к H2Ро). Таким образом, из названных соединений наиболее прочным является вода Н2O, наименее прочным — Н2Ро.

Задача 4. Опишите химические свойства элемента с порядковым номером 23 по его положению в периодической системе.Решение. По периодической системе определяем, что элемент с порядковым номером 23 находится в четвертом периоде и в побочной подгруппе V группы. Этот элемент — ванадий V. Электронная формула ванадия V: 1sІ2s²2p⁶3sІ3p⁶3d³4sІ или сокращенно [Аг] 3d³4sІ. По электронной формуле заключаем, что ванадий — d-элемент. Элемент может легко отдавать 2 электрона с 4-уровня, проявляя степень окисления +2. При этом он образует оксид VO и гидроксид V (OH)2, проявляющие основные свойства. Газообразных водородных соединений ванадий не образует, так как расположен в побочной подгруппе. Атом ванадия может также отдавать электроны с d-подуровня предпоследнего энергетического уровня (3 электрона) и, таким образом, проявляет высшую степень окисления +5 (численно равную номеру группы, в которой расположен элемент). Оксид, соответствующий высшей степени окисления, V2O5. Этот оксид обладает кислотными свойствами. В качестве гидроксида ему соответствует неустойчивая метаванадиевая кислота HVO3 (соли ее — ванадаты - устойчивые соединения).

Задача 5. Элемент астат (изотоп ²¹¹₈₅At) был получен облучением изотопа висмута ²⁰⁹₈₃Bi б-частицами (ядрами атома гелия). Напишите уравнение ядерной реакции полной и сокращенной формах.

Решение. При составлении уравнений ядерных реакций необходимо учитывать закон сохранения массы веществ (массы электронов при этом не учитываются). Кроме того, заряды всех частиц в левой и правой частях должны быть равны. В левой части записываем взаимодействующие ядра, в правой — продукты реакции. Учитывая порядковые номера и относительные массы атомов, записываем схему реакции: ²⁰⁹₈₃Вi + ⁴₂б > ²¹¹₈₅At + xОчевидно, частица х должна иметь заряд 0 (так как 83 + 2 = 85) и атомную массу 209 + 4 — 211 = 2. Частица с зарядом 0 — это нейтрон ¹₀n, следовательно, должно образоваться 2 нейтрона. Окончательный вид уравнения

^2О9₈₃Вi + ⁴₂б > ²¹¹₈₅ At + 2¹₀n

или в сокращенной форме

²⁰⁹Bi (б, 2n)²¹¹At

Задача 6. Напишите электронную формулу элемента, атом которого содержит на Зd-подуровне один электрон. В каком периоде, группе и подгруппе он находится и как этот элемент называется? Решение. В соответствии со шкалой энергии, 3d-подуровень заполняется после заполнения подуровня 4sІ:

1sІ2sІ2p⁶3sІ3p⁶4sІ3d№

или

1sІ2sІ2p⁶3sІ3p⁶3d№ 4sІ

Общее число электронов в атоме, которое определяет порядковый номер элемента в периодической системе, — 21. Это скандий. Из электронной формулы видно, что этот элемент находится в четвертом периоде, третьей группе (три валентных электрона 3d№ 4sІ), побочной подгруппе (элемент d-семейства).

Мои уроки

Настоящая глава посвящена тому, как я провела уроки. Первый урок я провела по традиционной методике, а второй с элементами экологизации.

2.2 Конспект урока по теме: «S-элементы и их соединения»

Цель: характеризовать общие свойства S-элементов ПСХЭ

Задачи:

Образовательные:

1. характеризовать общие свойства s-элементов и зависимость химических свойств соединений s-элементов от свойств атомов;

2. применять знания по общей химии для характеристики элементов и их соединений.

Развивающие:

1. закрепить знания учащихся о распределении электронов в атоме;

2. формировать умения написания электронных формул веществ;

3. формировать умения определять вид ковалентной связи.

Воспитательные: воспитывать умение работать в сотрудничестве, оказывать взаимовыручку и взаимопомощь.

Ход урока:

1. Организационный момент

Добрый день! Сегодня мы начинаем изучение новой темы «S-элементы и их соединения». Для лучшего понимания нового материала необходимо освежить изученный ранее материал.

2. Актуализация знаний

Задание учащимся у доски по карточкам (индивидуальное задание)

№ 1. Изобразить схему строения атомов и электронную формулу атомов углерода и кремния.

№ 2. Изобразить схему строения атомов и электронную формулу атомов азота и аргона.

№ 3. Изобразить схему строения атомов и электронную формулу атомов неона и хлора.

Остальные учащиеся выполняют самостоятельную работу

ВАРИАНТ 1

1. Сколько орбиталей в атоме водорода, на которых находятся электроны?

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

2. Атом какого химического элемента содержит три протона?

а) B; б) P; в) Al; г) Li.

3. Атом какого химического элемента имеет заряд ядра +22?

а) Na; б) P; в) О; г) Ti.

4. Число нейтронов в атоме марганца равно:

а) 25; б) 29; в) 30; г) 55.

5. Количество неспаренных электронов в атоме серы равно:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

ВАРИАНТ 2

1. Сколько орбиталей в атоме гелия, на которых находятся электроны?

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

2. Атом какого химического элемента содержит десять электронов?

а) S; б) H; в) Ne; г) Li.

3. Атом какого химического элемента имеет заряд ядра +35?

а) Ni; б) Pt; в) Br; г) Te.

4. Число нейтронов в атоме цинка равно:

а) 65; б) 22; в) 30; г) 35.

5. Количество неспаренных электронов в атоме хлора равно:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

ОТВЕТЫ

Вариант 1

1 — а, 2 — г, 3 — г, 4 — в, 5 — б.

Вариант 2

1 — а, 2 — в, 3 — в, 4 — г, 5 — а.

Ответы к заданию учащиеся сдают учителю.

Проверка индивидуального задания у учащихся, работавших у доски.

Дополнительные вопросы:

Ш У каких элементов внешний электронный слой завершен? Незавершен?

Ш Сколько электронов не хватает до завершения внешнего электронного слоя?

3. Изучение нового материала

К s-элементам относятся две группы Периодической системы: IА и IIА.

В группу IА входят 8 элементов: литий, калий, натрий, рубидий, цезий, франций, водород, гелий. В группу IIА входят 6 элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий.

Общим является застраивание в их атомах электронами s-подуровня внешнего энергетического уровня. (Т.Е. говорим о «семействе элементов». ВСПОМИНАЕМ: «семейство элементов» определяется тем, какой подуровень заполняется электронами в последнюю очередь.)

S-Элементы расположены в IIА подгруппе периодической системы Д. И. Менделеева (Это Берилий, Магний, Кальций, Стронций, Барий, Радий). На внешнем электронном уровне у них имеется два электрона, которые легко отдают атомы s-элементов, превращаясь в двузарядные ионы. С увеличением числа валентных электронов на энергеическом уровне энергия ионизации атомов увеличивается (Энергия ионизации — это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабо связанного электрона от атома), а следовательно, восстановительные свойства атомов уменьшаются.

Входящие в состав этой группы кальций, стронций и барий издавна получили название щелочно-земельных металлов. Такое название связано с тем, что гидроксиды этих элементов обладают щелочными свойствами, а их оксиды по тугоплавкости сходны с оксидами алюминия и тяжёлых металлов, носивших прежде общее название земель.

Электронная формула внешней оболочки:

Элементы IIА группы — металлы серебристо-белого цвета, легкие и довольно твёрдые. Они непосредственно соединяются с кислородом, водородом, галогенами, серой, азотом, фосфором и углеродом. На воздухе покрываются защитной плёнкой, которая состоит из оксидов и частично нитридов и карбонатов.