Занятие

ЗАНЯТИЕ №

Тема: Химия d-элементов

Мотивация изучения темы: Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d–элементы. В организме они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов. В биохимических реакциях d–элементы наиболее часто проявляют себя как комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы органических кислот.

Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различные функции. Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород карбоксильных групп и азот аминогрупп. При этом образуется устойчивое хелатное соединение. В качестве координирующего металла выступают d–элементы (кобальт, никель, железо). Пример железосодержащего транспортного белкового комплекса – трансферрин. Другие биокластеры могут выполнять накопительную роль – это железосодержащие белки миоглобин, ферритин.

Элементы Zn, Fe, Co, Mo, Сu – жизненно необходимы, входят в состав металлоферментов, катализируют реакции. В кислотно-основных взаимодействиях участвует ион цинка, входящий в состав фермента карбоангидразы, катализирующего обратимую реакцию гидратации углекислого газа в биосистемах; в окислительно-восстановительных взаимодействиях участвуют  Fe, Сo, Cr, Mo. Железо входит в состав цитохрома, в ходе процесса происходит перенос электрона Fe2+→Fe3++e-. Железо входит в состав гемоглобина, медь – гемоцианина. Эти элементы связываются с кислородом, но не окисляются им.

d-элементы в организме обеспечивают запуск большинства биохимических процесса, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.

Цель: Классифицировать химические элементы по жизненной необходимости, по топографии и биологической роли в организме. Научиться применять знания по общей химии для характеристики d-элементов разных групп периодической системы и их соединений.

Задачи изучения:

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

2. применять знания по общей химии для характеристики элементов и их соединений, раскрытия химизма действия важных лекарственных препаратов, биологической роли d-элементов.

3. прогнозировать токсичность действия соединений d-элементов

Продолжительность занятия - 130 минут.

Место проведения занятия - учебный практикум (кафедра общей химии)

Задания для самостоятельной работы студента во внеучебное время (самоподготовка).

А. Контрольные вопросы

1. Общая характеристика d-элементов. Положение d-элементов в периодической системе. Изменение в группах окислительных свойств, металлических свойств, атомных и ионных радиусов, энергии ионизации, комплексообразующей способности.

2. Общая характеристика d-элементов VIБ-группы. Свойства соединений. Биологическая роль. Применение их соединений в медицине.

3. Общая характеристика d-элементов VIIБ-группы. Химические свойства марганца и его соединений. Биологическая роль. Применение их соединений в медицине.

4. Общая характеристика d-элементов VIIIБ-группы (семейство железа и семейство платины). Химические свойства соединений. Биологическая роль элементов семейства железа. Применение их соединений в медицине.

5. Общая характеристика d-элементов IА-группы. Свойства соединений. Биологическая роль. Применение их соединений в медицине.

6. Общая характеристика d-элементов IIА-группы. Химические свойства соединений цинка, кадмия, ртути. Биологическая роль. Применение их соединений в медицине.

Б. Список рекомендуемой литературы:

1. Общая химия Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: Учебник для ВУЗов/ , , и др. - 2 изд. - М.: ВШ, 2000.

2. Практикум по общей химии. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов./под ред. , - М.: ВШ, 2006 .

В. Обучающий материал.

К блоку d-элементов относятся 32 элемента периодической системы. d-элементы входят в 4-7-й большие периоды. У элементов IIIБ-группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б - группах происходит последовательное заполнение d-подуровня до 10 электронов. Отсюда название d-элементы.

Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов. Это объясняется лантаноидным сжатием вследствие проникновения ns-электронов под d-электронный слой. В результате наблюдается незначительное изменение атомных и химических свойств d-элементов с увеличением атомного номера. Сходство химических свойств проявляется в характерной особенности d-элементов образовывать комплексные соединения с разнообразными лигандами.

Важным свойством d-элементов является переменная валентность и, соответственно, разнообразие степеней окисления. Эта особенность связана с незавершенностью предвнешнего d-электронного слоя (кроме элементов IБ и IIБ - групп). В низших степенях окисления d-элементы проявляют свойства металлов. С увеличением атомного радиуса в группах Б металлические свойства закономерно уменьшаются.

В растворах кислородсодержашие анионы dэлементов с высшей степенью окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. Катионные формы низших степеней окисления характеризуются основными и восстановительными свойствами. d-элементы в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства.

В периоде с увеличением заряда ядра наблюдается уменьшение устойчивости соединений элементов в высших степенях окисления. Параллельно возрастают окислительно-восстановительные потенциалы этих соединений. У d-элементов при нарастании ОЭО усиливаются кислотные и неметаллические свойства.

В биологических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи.

Г. Обучающие задачи

Задача 1. Определите молярную концентрацию эквивалента перманганата калия в приготовленном титранте, если на титрование в кислой среде 0,063г химически чистого дигидрата щавелевой кислоты пошло 10,25мл раствора перманганата калия.

Дано	Решение
V(KMnO4)р-р=17мл m(C2H2O4·2H2O)= 1г Cfэкв(KMnO4) -?	В реакции (среда кислая) перманганат-ион принимает 5е- MnO4-+8H++5e-→Mn2++4H2O M(C2H2O4·2H2O)= 63г/моль. Количество эквивалентов в навеске равно: В точке эквивалентности количество эквивалентов перманганата калия и щавелевой равны. Значит количество эквивалентов перманганата калия 0,001моль.

Ответ: 0,098н

Задача 2. В цепочке превращений AgNO3---NaOH→  X→ [Ag(NH3)2]OH веществом Х является….

AgCl                [Ag(NH3)2]Cl                Ag2O                Ag

Решение.  2AgNO3+2NaOH = Ag2O+H2O+2NaNO3

Ag2O+2NH4OH = [Ag(NH3)2]OH+2H2O

Ответ: Веществом Х является Ag2O

Задача 3. Для цепочки превращения CuCl2 -----NaOH→  X1---t0→X2-----HCl→ X3 конечным веществом Х3 является… 

CuCl2  CuCl  Cu(OH)2  Cu

Решение.        CuCl2+2NaOH=Cu(OH)2↓+2NaCl

Cu(OH)2= CuO+H2O

CuO+2HCl=CuCl2+ H2O

Ответ: Веществом Х3 является CuCl2.

Д. Задачи для самостоятельного решения.

Задача 1. Для цепочки превращений  Cu  →  X1  →  X2 → X3  конечным веществом Х3 является 

Cu(NO3)2  Cu2O  CuO  [Cu(H2O)4]NO3

Задача 2. Для цепочки превращения FeCl3 -----NaOH→  X1---t0→X2-----HNO3→ X3 конечным веществом Х3 является… 

Fe  FeO  Fe(NO3)3  Fe2O3

Задача 3. На чем основано замещение иона Mn2+ на Mg2+ в биохимических процессах? Приведите пример.

Задача 4. Перманганатом калия можно лечить змеиные укусы при отсутствии специальной сыворотки. Для этого в место укуса вводят шприцем 0,5-1,0мл 1%-ного раствора KMnO4. Рассчитайте массу перманганата калия и объем воды, необходимые для приготовления 75мл такого раствора, имеющего плотность 1,006г/мл (Ответ: 0,754г перманганата и 75мл воды).

Тесты № 35-73