Применение галогенов и их соединений

Фтор - окислитель ракетных топлив; ClF₃ - окислитель жидких реактивных топлив и как фторирующий агент. НF - для получения синтетического криолита К₃[АlF₆], для травления стекла. Фтор и фторхлоруглеводороды используют для получения фреонов, хладоносителей в холодильных установках и кондиционерах. Основное потребление фтора осуществляется в ядерной промышлен­ности, в электротехнике, при изготовлении полимерных материалов, среди которых фторопласт – 4, (тефлон). Полимеры фтора обладают ценными качествами: негорючестью, химической стойкостью, отсутствием хрупкости при низких температурах и др. Фторсодержащие каучуки сохраняют эластичность и не разрушаются в кислотах.

Хлор - для получения хлороводорода (НСl) и хлористоводородной (соляной) кислоты; для отбеливания тканей и бумажной массы, для обеззараживания питьевой воды (~1,5г на 1 м³ Н₂O), в производстве хлорной извести, и отравляющих веществ. Хлор применяют также для получения хлорпроизводных органичес­ких соединений растворителей - СНС1₃; CCl₄.

НС1 -используют для получения хлороводородной (соляной) кислоты и её солей - хлоридов различных металлов. Соляную кислоту применяют в медицине, как лекарственный препарат. NaС1 - приправа к пище, для получения Сl₂; NaOH; Na₂CO₃,мыла, а также является лекарственным препаратом.

А1С1₃ - катализатор в органических синтезах.

КI и NaI используют также в химическом анализе и изготовлении фотоматериалов.

АgВr - главный компонент светочувствительного слоя фотоплёнок и бумаги.

I₂ - в фармации для приготовления спиртовых растворов иода.

АgI - при изготовлении фотоматериалов.

Из оксосолей нашли применение хлораты: KClO₃ и NaClO₃ в производстве спичек и взрывчатых веществ, в пиротехнике. Мg(ClO₃)₂ - гербицид используется в борьбе с сорняками. Перхлораты нашли применение в пиротехнике.

Гипохлориты: KClO и NaClO - сильные окислители, применяют для отбеливания хлопчатобумажных и льняных тканей и бумажной массы. Отбеливающее действие связано с атомарным кислородом:

 

KClO + H₂O + CO₂ ® KHCO₃ + HClO

HClO ® HCl +O

Хлорная известь – CaOCl₂ - для дезинфекции и как дегазатор. Её применяют в сухом виде и в виде 0,2- 5%-ных растворов.

 

CaOCl₂ + 2H₂O ® Ca(OH)₂ + 2HClO + CaCl₂

CaOCl₂ + CO₂ ®CaCO₃ + Cl₂­

 

Бром и йод находят применение в органическом синтезе, для получения броморганических соединений, которыми пропитывают древесину, предохраняя её от гниения.

Галогены обладают токсическим действием, они оказывают раздражающее действие на слизистые оболочки, и органы дыхания. Избыток фторид-ионов в питьевой воде вреден для зубов и развития костей, а также вреден и его недостаток. Отмечено опасное влияние фреонов на сердечно-сосудистую систему. Токсичным действием обладают оксиды галогенов и интергалогениды (межгалогенные соединения).

Хлораты щелочных металлов: KClO₃; NaClO₃ и др. относят к кровяным ядам (вызывают распад эритроцитов). Необходимо учитывать также способность многих соединений галогенов к воспламенению и взрывному разложению (НClO₄), поэтому хранение этих веществ и работа с ними требует необходимых мер предосторожности и соблюдения правил техники безопасности.

 

Интергалогениды (соединения галогенов друг с другом)

 

Галогены могут образовывать между собой различные соединения. Обычно это одно-, двух-, трёх, пяти- и более (IF₇) - валентные соединения по отношению к фтору, хлору и брому общей формулой Г(Г)_n. Значение n-нечётное и не превышает семи. Их получают непосредственно из элементов, или действием избыточного галогена на соответствующий интергалогенид:

Cl₂ + F₂ 2ClF;

Br₂ + F₂ ® 2BrF

5F₂ + I₂ ® 2IF₅

F₂ + ClF₃ ® ClF₅

4F₂ + 2BrF ® 2BrF₅

3Cl₂ + I₂ ® 2ICl₃

Br₂ + Cl₂ ® 2BrCl

Это легколетучие соединения; большинство из них - малоустойчивые и очень реакционноспособные, но ни одно из них не взрывчато.

В присутствии галогенидов растворимость некоторых галогенов в воде повышает­ся в связи с комплексообразованием:

 

I₂ + KI ® K[I×I₂] - дииодоиодат калия

I^- + I₂ ® [I₃]^-

Биологическая роль галогенов

 

Фтор

 

Фтор, также как и иод, в организме человека находится преимущественно в связанном состоянии (хлор и бром - в виде гидратированных ионов) и по своему содержанию (~7 мг, 10^-5 %)относится к микроэлементам.

Фтор необходим для нормального развития человеческого организма, при его недостатке развивается анемия. Но основная биологическая роль этого элемента связана с его участием в процессах развития зубов, костей и ногтей не только у человека, но и у животных. Он встречается во всех органах человека, но наиболее богатые из них - кости и зубы. В эмали зубов (0,01%) и костных тканях (его содержание в 100000 раз больше, чем в мягких тканях) фтор находится в минеральной форме, в виде труднорастворимой и кислотоустойчивой соли кальция - фторапатите – Ca₅(PO₄)₃F или 3Ca₃(PO₄)₂´CaF₂.

Биологическое действие фтора тесно связано с его содержанием и поступлением в организм с питьевой водой и пищей. Исследования баланса фтора в человеческом организме показали, что потребление фтора с водой составляет в среднем 1 мг/л. 90% фтора, поступающего в организм с питьевой водой, выделяется мочой. Исключая питьевую воду, с пищевым рационом человек получает ~0,2-0,3 мг фтора в день. Из пищевых продуктов организм человека усваивает фтор на 20% меньше, чем из воды. Поэтому необходим постоянный контроль питьевой воды на содержание в ней фтора.

При содержании фтора в питьевой воде менее чем 1 мг/л у людей развивается кариес зубов. При содержании фтора выше предельно допустимой концентрации - более чем 1,2 мг/л (известны местности, содержащие залежи фторапатитов, в которых фтора содержится более 8 мг/л) нарушаются процессы обновления костной ткани и развивается опасное заболевание – фтороз или флуороз, связанное с повышенной хрупкостью костей, их деформацией и общим истощением всего организма, как результат нарушения фосфорно-кальциевого обмена. Зубная эмаль при этом становится хрупкой и легко разрушается (содержание в них фтора превышает норму в 3-5 раз). Появляются и другие симптомы этой болезни - поражение щитовидной железы, почек и др. органов.

Содержание фтора в растительных и животных пищевых продуктах, так же как и в питьевой воде, несколько меняется, что зависит от условий среды их обитания.

Коровье молоко содержит фтора от 0,1-0,2 мг в 1 л. В рыбах, моллюсках и съедобных водорослях в среднем содержится 0,5-1,5 мг фтора на 100 г свежей массы. Наибольшее содержание фтора из растительных объектов отмечено в чае.

В местностях, обычно горных или сильно удаленных от моря, содержание фтора, в питьевых водах и пищевых продуктах обычно намного меньше необходимой концентрации (менее 0,5 мг/л). Этот недостаток фтора приводит к кариесу зубов.

Согласно исследованиям, в эмали здоровых зубов содержится 0,01% фтора, в кариозных - 0,0069% и меньше. Как известно, минеральную основу зубных тканей (дентина) составляют следующие соли: Ca₅(PO₄)₃(OH) - гидроксилапатит, Ca₅(PO₄)₃Cl – хлорапатит (содержатся в дентине), и Ca₅(PO₄)₃F – фторапатит (содержится в эмали).

Фторапатит отличается большей твердостью и защищает эмалевый слой зубов от разрушения. При повреждении эмали под действием кислот, вырабатываемых бактериями, начинается кариес зубов - постепенное разрушение вследствие растворения минеральной основы его внутреннего участка:

 

Ca₅(PO₄)₃OH + 7H⁺ ® 5Ca²⁺ + 3H₂PO₄^- + H₂O

 

Имеются данные, согласно которым фторид-ионы сравнительно легко могут замещать гидроксид-ионы (ОН^-) в гидроксилапатите, образуя более твердые и менее растворимые кристаллы – фторапатита:

 

Ca₅(PO₄)₃OH + F^- Û Ca₅(PO₄)₃F + OH^-

 

Поэтому в тех местностях, которые характеризуются недостаточным содержанием фтора в питьевой воде и повышенным заболеванием зубным кариесом, с профилактической целью осуществляют фторирование воды, путем добавления к ней определенных количеств NaF до нормы (1 мг/л).

Если эмаль повреждена незначительно, то возможна реминерализация зубной эмали путем употребления фторида натрия в качестве местного наружного средства (зубных паст):

 

NaF + Ca₅(PO₄)₃OH Û NaOH + Ca₅(PO₄)₃F

паста эмаль зубов

 

Одновременно с реминерализацией происходит подщелачивание среды ротовой полости и нейтрализация кислот вырабатываемых бактериями.

В плане экологического загрязнения окружающей среды можно отметить, что по сравнению с другими галогенами, прочно связанный фтор (в образуемых им соединениях), практически не участвует в химическом кругообороте и в малой мере выносится с атмосферными осадками. Однако значительную экологическую опасность представляют фторид-ионы, содержащиеся в необесфторенных фосфорных удобрениях и консервантах древесины - NaF и др. соединениях. Особенно токсичны галогенсодержащие органические вещества, которые применятются в качестве пестицидов.

Таким образом, фтор как микроэлемент в виде фторапатитов входит в состав зубной эмали и костной ткани. Он необходим для нормального развития человеческого организма. Его биологическое действие связано, прежде всего, с образованием нерастворимого фторапатита, защищающего эмалевый слой зубов. В зависимости от необходимой физиологической концентрации фтора в организме (что связано с поступлением его с питьевой водой и пищевыми продуктами) возможно развитие таких заболеваний как кариес зубов (содержание фтора в питьевой воде меньше 1мг/л) или фтороз - при более высоких концентрациях фтора.

 

Хлор

 

Хлор - необходимый и незаменимый для жизни макроэлемент. Его содержание в организме человека превышает 100 г (~0,15%), остальные галогены относятся к микроэлементам (10^-5%).

В организме он находится в степени окисления -1 в гидратированной форме, как и бромид-ион (фтор и йод преимущественно в связанном состоянии). Хлор, в виде растворимых солей натрия, кальция, калия и др. содержится в различных биологических жидкостях и выполняет важную биологическую роль - обеспечивает ионные потоки через клеточные мембраны, участвует в поддержании постоянства осмотического давления крови и других жидкостей (осмотический гомеостаз), участвует в обеспечении необходимой концентрации катионов (химический гомеостаз); активирует некоторые ферменты (пепсин) в процессе выработки желудочного сока и регулировании водного обмена.

Хлороводородная кислота является составной частью желудочного сока человека и животных с W(HCl) от 0,3 до 0,5%. Хлорид натрия необходим для выработки соляной кислоты в желудочном соке. Выделение HCl из клеток слизистой оболочки желудка описывается следующим уравнением:

 

Cl^- + H₂CO_{3 (кровь)} HCO₃^- _(кровь) + HCl _{(желудок)}

 

Переход фермента пепсина в активную форму возможен в среде хлороводородной кислоты. В результате гидролитического расщепления пептидных связей пепсин обеспечивает переваривание белков:

 

R-CO-NH-R₁ + H₂O RCOOH + R₁NH₂

 

Таким образом, соляная кислота играет важную роль в процессе пищеварения. Чистую разведенную кислоту с W (HCl) = 8,2-8,4% применяют внутрь в каплях и микстурах (часто вместе с пепсином) при пониженной кислотности желудочного сока.

Вместе с другими ионами (K⁺, Na⁺, Ca²⁺ и др.) ионы хлора участвуют в передаче нервных импульсов через мембраны нервных клеток, поддерживая возбудимость мышечных клеток. Хлорид-ионы - главные отрицательно заряженные ионы внутриклеточного раствора и межклеточных жидкостей, они образуют тонкие ионные слои по обеим сторонам клеточных мембран и участвуют, таким образом, в создании электрического мембранного потенциала, который регулирует процессы переноса неорганических и органических веществ сквозь мембраны. Этим объясняется его участие (вместе с ионами K⁺ и Na⁺) в создании определенного осмотического давления и регуляции водносолевого обмена. Гидратированные хлорид ионы участвуют в поддержании физиологически требуемой наполненности клетки водой.

Почти все ткани живых организмов обладают свойствами полупроницаемости, в том числе и клеточная мембрана, через которую могут проходить лишь частицы определенного размера.

В отличие от бромид-ионов, хлорид-ионы обладают оптимальным радиусом для проникновения через мембраны клетки. Этим объясняется участие хлорид-ионов (вместе с ионами K⁺ и Na⁺) в создании определенного осмотического давления крови и других биологических жидкостей (тканевых, лимфе и др.). Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточные структуры. В процессах усвоения пищи, обмена веществ, осмотические явления также играют большую роль. Растворы лекарственных препаратов, которые вводятся внутривенно или подкожно, должны быть изотоничны (содержать одинаковое количество осмотически активных частиц). Хлорид-ионы не токсичны в отличие от молекулярного хлора. Газообразный хлор раздражающе действует на слизистую оболочку органов дыхания, разрушает легкие. Вдыхание воздуха, содержащего хлор 0,05% в течение 1-2 ч, может привести к удушью и смерти. Хлор - первое боевое отравляющее вещество, примененное в 1915 г. германией в боях под Ипр (Бельгия). Предельно допустимая концентрация газообразного хлора в воздухе 0,001 мг/л.

Осмотическое давление крови человека при 310 К (37°С) составляет 780 кПа (7,7 атм). Такое же давление создает 0,9%-ный водный раствор NaCl (0,15 моль/л) который изотоничен с кровью и называется физиологическим раствором.

Однако, в крови кроме Cl^--ионов и ионов Na⁺ имеются другие необходимые человеку вещества. В медицине используют обычно те растворы, которые содержат те же компоненты и в том же количестве, что и в крови. Иначе, в результате осмоса клетки будут или разбухать, пока не порвутся их стенки, или же сжиматься из-за потери воды. Разбухание (гемолиз) происходит в гипотонических растворах, т.е. в растворах с меньшей концентрацией, чем у изотонических растворов. Съеживание (плазмолиз) происходит в гипертонических растворах, концентрация которых больше концентрации изотонических. В лечебных целях, в качестве наружного средства используют гипертонические (W(NaCl) = 10%) растворы. Марлевые повязки, смоченные гипертоническим раствором NaCl, очищают раны по закону осмоса благодаря направлению тока жидкости наружу.

Суточная потребность хлорида натрия - 5-10 г. При заболеваниях желудка (гиперацидном гастрите) или язвенной болезни потребление NaCl должно быть сокращено из-за повышенной кислотности.

Избыточное потребление NaCl способствует появлению гипертонии.

Хлорид-ионы не обладают токсическим действием, но простое вещество – Cl₂, как уже отмечалось, и его органические и кислородные соединения - высоко токсичны. Содержание хлора в воде (2´10^-6 г/мл) обуславливает антимикробные свойства воды и вызывает гибель самых разно­образных бактерий. При растворении хлора в воде образуется хлорноватистая кислота, которая легко проникает в микробную клетку и инактивирует ферменты:

 

Cl₂ + H₂O «HCl + HClO

HClO «HCl + O­

 

Интенсивность круговорота хлора в природе много больше других галогенов.

Подвижный, не образующий (в большинстве случаев) нерастворимых солей, хлор быстро выносится с атмосферными осадками, которые в виде пыли и аэрозолей поступают в почвы.

Экологически вредной формой хлора является хлороводород, выделяющийся многими производствами. В виде осадков он закисляет почвы. Но наибольшую экологическую опасность представляют хлорсодержащие пестициды, поэтому при их применении необходимо соблюдать нормы и технологию распределения.

 

 

Бром

 

Содержание брома в организме человека ~7 мг, 10^-5%, что позволяет отнести его к микроэлементам. Он локализуется преимущественно в железах внутренней секреции, в основном в гипофизе - небольшой железе (1х1,5 см) массой всего 0,6 г.

Наибольшей биологической активностью обладает неорганическая форма брома - бромид-ионы (Br^-). В организме они, также как и хлорид-ионы, находятся в гидратированной форме за счет ориентации и координации полярных молекул воды:

 

 

Гидратация - взаимодействие веществ с молекулами воды, при котором молекулы воды не разрушаются. Различают слабую и сильную гидратацию. Слабая гидратация свойственна малозарядным ионам с большим радиусом. В случае бромид-ионов (r(Br^-) = 0,114 нм) ориентация диполей воды не приводит к образованию химической связи, поэтому число молекул воды в гидратной оболочке постоянно меняется.

Бромид-ионы усиливают процессы торможения в центральной нервной системе (ЦНС), что нашло широкое применение соединений брома в медицинской практике.

Долгое время механизм действия бромидов на ЦНС оставался неизвестным. И в настоящее время роль соединений брома в жизнедеятельности организма еще недостаточно выяснена.

В успокаивающем действии соединений брома находили сходство с действием снотворного, считая, что бромид-ионы понижают возбудимость двигательной сферы головного мозга и уменьшают возбудимость ЦНС.

Лишь в 1910 г. русскому физиологу И.П. Павлову и его ученикам удалось найти правильное объяснение действия брома на ЦНС.

Бром не уменьшает возбудимость, а усиливает процесс торможения. Препараты брома оказались полезными при нарушении нормального соотношения между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга. В этом и заключается целительное действие бромидов на нервную систему. Однако механизм действия бромид-ионов окончательно не выяснен.

В успокаивающем эффекте, помимо усиления процесса торможения ЦНС, может иметь значение влияние этих ионов на гипофиз, надпочечники и половые железы.

Имеются данные, что соединения брома угнетают функцию щитовидной железы и усиливают активность коры надпочечников.

В организм человека бром попадает, главным образом, с пищей растительного происхождения. В растениях бром связан в сложные и большей частью нерастворимые органические соединения. Он всегда есть в растениях, но различные части растений снабжены бромом неодинаково. Больше брома в зеленой части растений, чем в корнях. Содержание брома в минеральной части почв и сухой биомассе растений незначительно и составляет от 10^-10 до 10^-7%. Некоторые растения, например, бобовые (горох, фасоль, чечевица и др.) активно накапливают бром. Присутствие брома обнаружено также в пшенице и картофеле. Установлено, что сравнительно много брома в съедобных грибах (боровиках и подберезовиках; в подосиновиках его содержание составляет ~1,4´10^-3%).

Но большая часть брома нашей планеты сосредоточена в морях и в воде соляных озер (в поваренной соли брома содержится 0,1%), особенно высоко его содержание в морских водорослях - морской капусте. Она содержит не только бром, но и йод, а также микроэлементы, витамины и много других, ценных для организма веществ.

Порошок ламинарии принимают для лечения и предупреждения атеросклероза и зоба и других заболеваний.

В качестве лечебных средств применяют препараты NaBr и KBr, хотя наиболее эффективны и менее раздражающие слизистые оболочки бром-органические препараты, которые в ряде случаев стали вытеснять неорганические бромиды. Состав и действие этих препаратов изучают в специальных курсах.

Препараты брома применяют также и при других заболеваниях, например, при сердечно-сосудистых, язвенной болезни и при эпилепсии.

В медицинской практике нашел применение радиоактивный изотоп брома – ⁸²Br (Т1/2 = 35,8 час) при лечении злокачественных опухолей.

С его помощью изучают механизм действия некоторых бромсодержащих лечебных препаратов.

Бромиды хорошо всасываются из желудочно-кишечного тракта. Клеточные мембраны очень мало проницаемы для крупных бромид-ионов, поэтому они находятся, главным, образом, во внеклеточной жидкости и лишь частично проникают внутрь клеток.

Бром в течение длительного времени выделяется из крови, в тканях же головного мозга его содержится в 3-4 раза меньше. Бром легко задерживается в организме постепенно накапливаясь (кумулируясь). Это может привести к развитию отравления - "бромизму".

При длительном применении бромидов возможно следующее отрицательное влияние: возникает сонливость, ослабление памяти, тремор рук, языка, расстройство речи и общая слабость. В этом случае необходимо прекратить прием бромидов и ускорить их выведение из организма с помощью введения хлорида натрия в количестве 5-10-25 г. В организме человека, существует определенная динамическая связь между содержанием в нем бромид и хлорид-ионов: Br^- «Cl^-.

Повышение содержания бромид-ионов в крови нарушает это равновесие и, согласно принципу Ле-Шателье, наступает быстрое выделение почками хлорид-ионов, а при избытке хлорид-ионов, наоборот, выделяются из организма бромид-ионы. Поэтому, большой избыток принятого хлорида натрия увеличивает скорость выделения из организма бромид-ионов, что используется при отравлении солями брома.

Бромиды в дозе 1-2 г вызывают психическое и двигательное успокоение; в дозе 3-4 г - сонливость и сон, вялость; в дозе 10-15 г - коматозное состояние, угнетение ЦНС и отравление всего организма.

Лечебные дозы бромидов зависят от типа нервной системы больного и могут колебаться от нескольких миллиграммов до нескольких граммов. Учитывая эти показатели, дозы бромидов подбираются индивидуально.

Токсичность бромид-ионов невысокая, однако, вследствие их медленного выведения из организма (в течение 30-60 суток), они способны накапливаться, вызывая хроническое отравление. При этом необходимо учитывать другое нежелательное явление - взаимозамещаемость галогенид ионов.

Сравнивая некоторые физико-химические показатели галогенов (значения ОЭО, радиусы атомов и ионов и др.), можно отметить, что бром занимает промежуточное положение между хлором и иодом:

 

Показатели: Cl^- Br^- I^-

ОЭО 3,2 3,0 2,7

r (нм) ионов 0,181 0,196 0,220

 

Близкие значения этих и других показателей, позволяют бромид-ионам при их избытке замещать иодид-ионы в гормонах щитовидной железы. Такое замещение приводит к недостатку йода в организме, что способствует гиперфункции железы (избыточное образование гормонов). В этом случае наблюдается явление синергизма - усиление активности щитовидной железы (гипертиреоз).

Таким образом, биологическое действие брома зависит от его количества в организме человека и его количественного нарастания при длительном применении соединений брома.

Молекулярный бром (Br₂) в отличие от бромид-ионов очень ядовит. В работе с ним необходимо соблюдать осторожность и соблюдать технику безопасности. Концентрация паров брома ~0,001% в воздухе приводит к головокружению, раздражению слизистых оболочек, кашлю и удушью. При легком отравлении необходимо осторожно вдыхать аммиак. При попадании жидкого брома на руки необходимо его смыть, большим количеством воды и раствором питьевой соды, затем пораженное место смазать мазью, содержащей NaHCO₃.

 

Йод

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: