 |
Биологическая роль элементов VIIА группы
|
|
|
|
Галогены являются для человека эссенциальными элементами (но у F и Br эссенциальность часто ставится под сомнение).
Хлор принадлежит к макроэлементам, все остальные галогены (F, Br, I) – к микроэлементам.
Фтор в организм поступает в виде ионов F–. Большая их часть накапливается в зубной эмали и костной ткани, образуя Ca5(PO4)3F. Считается, что при недостатке ионов фтора (гипофторозе) увеличивается риск развития кариеса, однако эта точка зрения не является общепринятой. Во многих странах во фтордефицитных регионах используется фторирование питьевой воды путем добавления к ней NaF.
Полагают, что при недостатке фтора может развиться остеопороз, особенно у женщин пожилого возраста. Однако и эта физиологическая функция фтора многими учеными подвергается сомнению.
Хлор содержится во всех биологических жидкостях человеческого организма исключительно в виде ионов Cl–. В желудочном соке он входит в состав соляной кислоты, которая создает необходимые условия для процесса пищеварения, кроме того, уничтожает различные болезнетворные бактерии. В крови, лимфе, межклеточной, внутриклеточной и других жидкостях ионы Cl– вместе с другими ионами участвуют в поддержании определенного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Хлорид-ион в условиях организма, с химической точки зрения, является малоактивным: он не принимает участия в кислотно-основных и окислительно-восстановительных процессах, реакциях комплексообразования, осаждения.
Хлорид натрия в качестве обязательного компонента имеется во всех изотонических растворах.
Бром в организме человека тоже присутствует в виде ионов Br–, которые локализуются главным образом в межклеточной жидкости. Бромид-ионы усиливают тормозные процессы в нейронах коры головного мозга, в связи с чем применяются в фармакотерапии для снятия процессов возбуждения. Бром может угнетать функцию щитовидной железы и усиливать активность коры надпочечников. Ежедневно человек принимает с пищей от 1 до 20 мг брома в ионном виде. Большинством исследователей необходимость обязательного присутствия ионов брома в организме оспаривается.
|
|
|
Иод, как и хлор, является, безусловно, эссенциальным элементом, и в организме человека присутствует во всех органах и тканях, однако основная масса его сосредоточена в щитовидной железе и участвует в синтезе и метаболизме вырабатываемых здесь гормонов (трииодтиронина (Т3) и тетраиодтиронина (Т4), которые затем поступают в кровь. Эти гормоны регулируют обмен белков, жиров и углеводов, процессы теплообразования, оказывают влияние на рост, умственное развитие, функцию воспроизводства. При недостаточном поступлении иода с пищей развивается эндемический зоб. Для его массовой профилактики применяют иодирование: искусственное обогащение поваренной соли, некоторых продуктов питания, а также питьевой воды солями NaI или KI.
Простое вещество I2 применяют в качестве наружного антисептического препарата в виде водно-спиртовых растворов, в которых массовая доля I2 равна приблизительно 5%. Его используют также в составе комплексов с поливиниловым спиртом (иодинол).
Общая характеристика элементов VIА группы
Нахождение в природе
В VIА группу входят следующие элементы: кислород O, сера S, селен Se, теллур Te и полоний Po, (последний является радиоактивным, период полураспада наиболее стабильного изотопа равен ≈ 140 суток). Все эти элементы (за исключением полония) носят общее название «халькогены», что означает «образующие руды». Халькогены относятся к семейству р-элементов.
|
|
|
Кислород и сера широко распространены в природе и встречаются как в свободном состоянии, так и в связанном виде. Селен и теллур представлены гораздо реже (их массовая доля в земной коре составляет, соответственно, 6 ∙ 10-5% и 1 ∙ 10-6%) и существуют, главным образом, в связанном виде.
Каждый халькоген состоит из нескольких нерадиоактивных нуклидов, причем их число у элементов в группе возрастает сверху вниз. Так, для кислорода известны 3 стабильных нуклида, а для теллура – 8.
Строение атомов, химические и физические свойства
халькогенов
Электронно-графическая формула внешнего энергетического уровня для атомов элементов VI A группы выглядит следующим образом.
Атомы кислорода отличаются от атомов всех остальных элементов VIА группы тем, что у них на внешнем слое отсутствует d-подуровень.
В невозбужденном состоянии атомы халькогенов имеют на внешнем слое по два неспаренных электрона, поэтому они могут образовать две ковалентные связи по обменному механизму. Их валентность в этом случае равна 2.
При возбуждении число неспаренных электронов увеличивается до 4 или 6 за счет распаривания электронных пар.
 |
Соответственно, и возможные значения валентности также будут равны при этом 4 или 6.
Кислород, в отличие от всех остальных халькогенов, в соединениях обычно проявляет только валентность 2, так как у его атомов на внешнем слое нет вакантных d-орбиталей и электронные пары не могут распариться. Однако в некоторых соединениях (Н3О+) валентность кислорода может быть равна 3. Дополнительная третья связь образуется не по обменному, а по донорно-акцепторному механизму, причем атомы О выступают в роли донора электронной пары.
Все элементы VIА группы (кроме полония) – типичные неметаллы, хотя и менее активные, чем галогены. Поэтому в своих соединениях они могут проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления.
Положительную степень окисления халькогены проявляют при взаимодействии с более электроотрицательными элементами, чем сами. В этом случае они выступают в роли восстановителей и отдают другим атомам с внешнего слоя свои неспаренные электроны. Величина степени окисления при этом может быть равна +2 (в невозбужденном состоянии), +4 или +6 (в возбужденном состоянии).
|
|
|
Степень окисления +2 для халькогенов мало характерна. Такие их соединения обычно неустойчивы, и в момент образования легко превращаются в соединения, где степень окисления данных элементов равна +4. Однако с увеличением атомного номера элемента в группе устойчивость этих соединений несколько возрастает.
Кислород, как второй по электроотрицательности элемент, только в соединениях со фтором (F2O+2, F2О2+1) проявляет положительную степень окисления +2 или +1.
Отрицательную степень окисления атомы элементов VIА группы проявляют при взаимодействии с атомами менее электроотрицательных элементов, чем сами. В этом случае они выступают в роли окислителей и забирают от других атомов 2 недостающих до завершения своего внешнего слоя электрона. Величина их степени окисления при этом равна -2.
С водородом халькогены образуют соединения вида H2R. При обычных условиях это газообразные вещества. Исключение составляет Н2О, которая за счет межмолекулярных водородных связей находится в жидком агрегатном состоянии.
Термическая устойчивость водородных соединений в группе уменьшается сверху вниз.
При растворении в Н2О халькогеноводороды проявляют слабые кислотные свойства, отщепляя ионы Н+. Причем диссоциация протекает преимущественно по первой стадии:
H2R 
H+ + HR−
В группе сверху вниз сила этих кислот возрастает, что объясняется уменьшением прочности связи R-H из-за увеличения радиусов атомов халькогенов (табл. 14).
Так, Н2S является одной из самых слабых минеральных кислот (K1 дисс. = 6 ∙ 10-8), а для Н2Те величина K1 дисс. =
2 ∙ 10-3.
С кислородом халькогены могут образовать 3 вида оксидов: RO, RO2, RO3.
Оксид RO является для большинства халькогенов неустойчивым оксидом и в момент образования превращается в RO2. Так, выделенный SO уже при обычных условиях быстро распадается:
2SO → SO2 + S.
Оксиды RO2 и RO3 являются кислотными оксидами, которым соответствуют кислоты общего вида H2RO3 и H2RO4. Сила этих кислот в подгруппе сверху вниз закономерно уменьшается, что объясняется увеличением в аналогичном направлении металлических свойств у элементов и, как следствие этого, возрастанием основности их кислородсодержащих соединений. Причем для каждого элемента кислота H2RO4 является более сильной, чем кислота H2RO3, так как в первом случае халькогены имеют большую степень окисления (+ 6), чем во втором (+ 4).
|
|
|
Таблица 14. Некоторые физические свойства атомов элементов VI А группы и образуемых ими наиболее устойчивых аллотропных модификаций
| Символ элемента | O | S | Se | Te |
| Радиус атома, нм | 0,066 | 0,104 | 0,117 | 0,137 |
| Энергия ионизации атома, кДж/моль | ||||
| Энергия сродства к электрону, кДж/моль | ||||
| Относительная электроотрицательность | 3,5 | 2,6 | 2,5 | 2,1 |
| Плотность простого вещества, г/см3 | 0,0014 | 2,06 | 4,82 | 6,25 |
| Агрегатное состояние простого вещества при н.у. | газ | тв. тело | тв. тело | тв. тело |
| Температура плавления простого вещества, оС | -218,9 | 119,3 |
Как следует из таблиц 13 и 14, величины энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности у элементов VI А группы меньше, чем у галогенов, но, как и для галогенов, значения этих величин в группе сверху вниз уменьшаются, что свидетельствует об ослаблении неметаллических свойств элементов и их простых веществ (а, значит, и их окислительной и реакционной способности) при переходе от кислорода к теллуру.
|
|
|
