Химия биогенных элементов. Лекция 14

План

14.1 Основы биогеохимии
14.2 Химия s-элементов
14.3 Химия d-элементов
14.4 Химия p-элементов

14.1 Биогеохимия – это наука, изучающая распределение химических элементов и их

Основным вопросом биогеохимии является вопрос о взаимосвязи живого и неживого вещества.

Становление биогеохимии как науки произошло в 30-е годы XX века. Ее

В.И. ВЕРНАДСКИЙ (1863-1945)

Академик Вернадский– основоположник современных наук о Земле - геохимии,

Биосфера – это единственная область Земли, занятая жизнью. Все живые существа

Анализируя содержание элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский

Однако по количественному составу объекты живой и неживой природы существенно отличаются

98 % земной коры составляют 8 химических элементов: О, Si, Al,

В живом организме преобладают 6 элементов: С, H, О, N, P,

В земной коре преобладают металлы, а в живых организмах - неметаллы.

Из основных элементов биомассы только кислород и кальций широко представлены в

Такие элементы как кремний, алюминий и железо, находящиеся в земной коре

Согласно теории А.П. Виноградова, живые организмы легко накапливают те химические элементы,

Например: С – макро-элемент, т.к. образуемые им оксиды СО и СО2

БИОГЕННЫМИ называются химические элементы в той или иной форме входящие в

К важнейшим биогенным элементам относятся:
6 неметаллов-органогенов: C, O, H, N, P,

По содержанию в биомассе химические элементы делятся на:
МАКРОЭЛЕМЕНТЫ (более 10‾2 %):

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (10‾5-10‾3 %): биометаллы, относящиеся к d-блоку, а так же Ni,

Установлена взаимосвязь между содержанием элемента в организме и его положением в

В подгруппах сверху вниз происходит увеличение токсичности химических элементов и их

На токсичность химического элемента влияет степень его окисления в соединении. Чем

Так, ионы хрома Сr3+ являются малотоксичными, а анионы СrO42- и Cr2O72-,

А.П. Виноградов сформулировал понятие о БИОГЕОХИ-МИЧЕСКОЙ ПРОВИНЦИИ.

1895-1975

Это часть биосферы, характеризующаяся экстремальными геохимическими условиями и определенными постоянными реакциями

Например, Белорусское Полесье характеризуется крайне низким содержанием йода, что приводит к

Спектр йоддефицитных заболеваний весьма широк. Дефицит тиреоидных гормонов у плода приводит

Биогеохимия явилась фундаментом для современной экологической химии, изучающей вопросы, связанные с

К важнейшим токсикантам относятся:
1) СО2 – энергетика, промышленность, отопление

Избыток CO2 в атмосфере создает парни-ковый эффект

2) СО – металлургия, транспорт, переработка нефти;
СО образует комплекс с

3) SO2 – энергетика, химическая промышленность, переработка нефти; является причиной появления

4) NO и NO2 – двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели,

домны,

5) Hg – производство лаков и красок, обогащение руд, целлюлозно-бумажная промышлен-ность

6) Pb – химическая и горнодобыва-ющая промышлен-ность, двигатели внутреннего сгорания

7) фосфаты химические моющие средства, удобрения

8) нефть – нефтеперерабатывающая промышленность, транспортировка нефти

9) пестициды – сельское хозяйство, хлорирование воды (диоксины);
10) радиация – производство

14.2 Исходя из современной квантово-механической интерпретации периодической системы, классификация химических элементов

Она основана на характере заполнения орбиталей электронами. В соответствии с этим

К s-блоку относятся химические элементы с электронной формулой nsx,
где х

Различают s1-элементы (щелочные металлы и водород ) и s2-элементы (Be, Mg,

Элементы s-блока – это металлы (исключение составляют H и He). Самыми

Их высокая металличность обусловлена большими атомными радиусами и лишь одним валентным

В подгруппах s-элементов сверху вниз металличность атомов усиливается, что обусловлено увеличением

В своих соединениях s-металлы проявляют степени окисления +1 (щелочные) и +2

Оксиды и гидроксиды s-металлов имеют основной характер, усиливающий с ростом металличности

Исключением являются BeO и Be(OH)2, обладающие амфотерными свойствами:

2 H+ + BeO22-

Гидриды s-металлов – твердые солеподобные вещества ионного типа, легко разлагающиеся водой

Особое положение среди s-элементов занимает водород. Согласно современным представлениям, водород с

К важнейшим биогенным элементам s-блока, кроме H, относятся Na, K, Ca

К высокотоксичным элементам относится барий. Например, высшей летальной дозой BaCl2 является

14.3 Элементами d-блока (или переходными элементами) называются элементы, атомы которых имеют

Исключение составляют
Ag, Cu, Au, Cr, Pt, Nb, Ru, Rh и

Появление электронного проскока объясняется повышенной стабильностью d-подуровня:
а) полностью заполненного электронами (d10),
б)

Элементы d-блока расположены в побочных подгруппах I Б –VIII Б; они

Особенностью d-элементов является отсутствие монотонности в изменении их свойств как в

Причиной этого явления является эффект d-сжатия, вызванный проникновением внешних d-электронов к

Сильнее всего эффект d-сжатия проявляется у d1, d2 и d3 –элементов,

R,нм

Порядковый номер элемента

Зависимость атомных радиусов d-элементов от их порядкового номера в

Наличие эффекта d - сжатия является причиной появления триад d-элементов ,

Элементы триад имеют сходные физико-химические и биологические свойства из-за близкого значения

Триада железа

Fe Co Ni

R, нм 0,123 0,118 0,114

ОЭО 1,64

К важнейшим соединениям d-элементов относятся:
оксиды

основные

кислотные

амфотерные

FeO
MnO

ZnO, Fe2O3
Cr2O3

FeO3
Mn2O7

Гидроксиды

Основания

Амфотерные
основания

Кислоты

Fe(OH)2

Zn(OH)2, Fe(OH)3
Cr(OH)3

H2FeO4

Гидриды

Большинство d- элементов образуют гидриды переменного состава (TiН1,7; TiH0,9), а платиновые

Для большинства d-элементов характерно многообразие степеней окисления атомов в соединениях.

Степени окисления d-элементов

С ростом степени окисления:
а) увеличивается кислотность оксидов и гидроксидов,
б) возрастают окислительные

d-Элементы являются лучшими комплексообразователя-ми, так как для них характерны маленькие ионные

Самыми сильными комплексообразовате-лями являются элементы триад. Это обусловлено эффектом d– cжатия.

В биосистемах d-элементы присутствуют только в форме комплексных соединений с биолигандами.

К биогенным элементам d-блока относятся Fe, Co, Mo, Cu, Zn, Mn.

14.4 К p-блоку относятся элементы с общей формулой
ns2npx,
где x

Они расположены в III A – VIII A группах.
Халькогены (VI

Диагональ B – At
делит p-элементы на металлы (под диагональю) и

В подгруппах сверху вниз металлические свойства p-элементов усиливаются, а неметаллические ослабевают.

Об этом свидетельствует уменьшение энергии ионизации, сродства к электрону и электроотрицательнос-ти.

В периодах слева направо усиливают-ся неметаллические свойства и ослабевают металлические.

Наиболее активными неметаллами являются галогены и халькогены.

К важнейшим соединениям p-элементов относятся:
оксиды

основные

кислотные

амфотерные

Bi2O3

SnO, PbO
Al2O3

SO3
Cl2O7

Кроме того, неметаллы p-блока образуют несолеобразующие оксиды, имеющие высокую физиологическую активность

Гидроксиды

Основания

Амфотерные
основания

Кислоты

Bi(OH)3

Al(OH)3
Pb(OH)2
Sn(OH)2

H2SO4
HNO3

C увеличением металличности атомов усиливается основность оксидов и гидроксидов, а с

H3BO3 H2CO3 HNO3

Увеличение кислотности

HNO3 H3PO4 H3AsO4

Уменьшение кислотности

Подобно d-элементам, p-элементы характеризуются многообразием степеней окисления атомов в их соединениях.

С увеличением степени окисления атомов возрастает кислотность оксидов и гидроксидов элементов

Гидриды p-металлов (AlH3)x, SnH2 – это твердые кристаллические вещества, разлагаемые водой

Водородные соединения p-неметаллов – газы, растворяющиеся в воде с образованием:
a)бескислородных

Кроме того, элементы IV A- группы углерод и кремний образуют водородные

В подгруппах сила бескислородных кислот уменьшается с ростом активности соответствующих неметаллов:

HF
HCl
HBr

Важнейшими биогенными элементами p-блока являются неметаллы-органогены С, O, N, P, S.