Материал: 1_metodichka_po_khimii

1.3.1. Ковалентная связь

Ковалентная связь образуется путем обобществления пары электронов двумя атомами. Особенностями ковалентной химической связи являются ее направленность и насыщаемость. Направленность обусловлена тем, что атомные орбитали имеют определенную конфигурацию и расположение в пространстве. Перекрывание орбиталей при образовании связи осуществляется по соответствующим направлениям. Насыщаемость обусловлена ограниченными валентными возможностями атомов.

Различают ковалентную полярную и неполярную связь. Ковалентная неполярная связь образуется между атомами с одинаковой электроотрицательностью; обобществленные электроны равномерно распределены между ядрами взаимодействующих атомов. Ковалентная полярная связь образуется между атомами с различной электроотрицательностью; общие электронные пары смещены в сторону более электроотрицательного элемента.

Возможны два механизма образования ковалентной связи: 1) спаривание электронов двух атомов при условии противоположной ориентации их спинов (обменный механизм); 2) донорно-акцепторное взаимодействие, при котором общей становится электронная пара одного из атомов (донора) при наличии энергетически выгодной свободной орбитали другого атома (акцептора).

Часто в образовании связи участвуют электроны разных подуровней, а, следовательно, орбитали разных конфигураций. В этом случае может происходить гибридизация (смешение) электронных облаков (орбиталей). Образуются новые, гибридные облака с одинаковой формой и энергией. Число гибридных орбиталей равно числу исходных. В гибридной атомной орбитали (АО) электронная плотность смещается в одну сторону от ядра, поэтому при взаимодействии ее с АО другого атома происходит максимальное перекрывание, приводящее к повышению энергии связи. Гибридизация АО определяет пространственную конфигурацию молекул.

Так, при смешении одной s-орбитали и одной p-орбитали, образуются две гибридные орбитали, угол между которыми = 180^о, такой тип гибридизации называется sp-гибридизацией. Молекулы, в которых осуществляется sp-гибридизация, имеют линейную геометрию (C₂H₂, BeF₂).

При смешении одной s и двух p-орбиталей образуются 3 гибридные орбитали, угол между которыми = 120^о. Такой тип гибридизации называется sp²-гибридизацией, ему соответствует образование плоской треугольной молекулы (BF₃, C₂H₄).

При смешении одной s и трех p-орбиталей образуются четыре sp³-гибридные орбитали, угол между которыми = 109^о28'. Форма такой молекулы является тетраэдрической. Примеры таких молекул: CCl₄, CH₄, GeCl₄.

При определении типа гибридизации необходимо также учитывать неподеленные электронные пары элемента. Например, кислород в молекуле воды (Н₂О) имеет sp³-гибридизацию (4 гибридных орбитали), а химическая связь с атомами водорода образована двумя электронными парами.

Возможны также более сложные виды гибридизации с участием d и f-орбиталей атомов.

1.3.2. Ионная связь

Ионная связь представляет собой электростатическое взаимодействие отрицательно и положительно заряженных ионов в химическом соединении. Ее можно рассматривать как предельный случай ковалентной полярной связи. Такая связь возникает лишь в случае большой разности электроотрицательностей взаимодействующих атомов, например между катионами s-металлов I и II групп периодической системы и анионами неметаллов VI и VII групп (LiF, CsCl, KBr и др.).

Так как электростатическое поле иона имеет сферическую симметрию, то ионная связь не обладает направленностью. Ей также не свойственна насыщаемость. Все ионные соединения в твердом состоянии образуют ионные кристаллические решетки, в узлах которых каждый ион окружен несколькими ионами противоположного знака. Чисто ионной связи не существует. Можно говорить лишь о доле ионности связи.

1.3.3. Металлическая связь

В отличие от ковалентных и ионных соединений, в металлах небольшое число электронов одновременно связывает большое число ядерных центров, а сами электроны могут перемещаться в металле. Таким образом, в металлах имеет место сильно нелокализованная химическая связь.

1.4. Биогенные элементы

Элементы, необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами.

1.4.1. Классификация по количественному содержанию в организме

1. Макроэлементы – их концентрация в организме превышает 0,01% (О, С, H, N, Ca, Р, К, Na, S, Cl, Mg). В абсолютных значениях (из расчета на среднюю массу тела человека в 70 кг), величины содержания этих элементов колеблются в пределах от сорока с лишним кг (кислород) до нескольких г (магний). Некоторые элементы этой группы называют «органогенами» (О, Н, С, N, Р, S) в связи с их ведущей ролью в формировании структуры тканей и органов.

Кальций (Са) является основной составляющей костной ткани, входит в состав крови, играет важную роль в регуляции процессов роста и деятельности клеток всех видов тканей. При недостатке кальция в пище организм начинает расходовать кальций, входящий в состав костей, в результате чего возникают костные заболевания. Соли кальция применяют при различных аллергических состояниях, для повышения свертываемости крови, для понижения проницаемости сосудов при воспалительных и экссудативных процессах, при туберкулезе, рахите, заболеваниях костной системы и т.д. Наиболее полноценными источниками кальция являются молоко и молочные продукты - творог, сыр. Хорошими источниками кальция являются яичный желток, капуста, соя, шпроты, плоды шиповника, яблони, винограда, клубники, крыжовника, инжира, женьшеня, ежевики сизой, зелени петрушки.

Калий (К) поддерживает осмотическое давление в крови, оказывает диуретическое действие. При недостатке калия в организме может возникнуть сердечная аритмия. Калий содержат яблоки, вишни, виноград винный, женьшень, крыжовник, ананасы, бананы, курага, картофель, фасоль, горох, щавель, крупа, рыба.

Магний (Мg) входит в состав костной ткани, плазмы крови, эритроцитов и в мягких тканей. Соли магния участвуют в ферментативных процессах. Диеты с повышенным содержанием солей магния оказывают благоприятное влияние на людей пожилого возраста и лиц с заболеванием сердечно-сосудистой системы, особенно с гипертонической болезнью и атеросклерозом. Магний также нормализует возбудимость нервной системы, обладает спазмолитическим и сосудорасширяющими свойствами и, кроме того, способностью стимулировать перистальтику кишечника и повышать выделение желчи, и в ионизированном состоянии находится в составе костной ткани. Магний содержится в плодах шиповника коричного, вишни обыкновенной, винограде, инжире, крыжовнике, фасоли, овсяной и гречневой крупах, горохе. Мясные и молочные продукты характеризуются низким содержанием магния.

Натрий (Na) участвует в регуляции осмотического давления, обмена веществ, в поддержке щелочно-кислотного равновесия. Основной источник натрия – поваренная соль. Много натрия, по сравнению с другими растительными продуктами, содержится в ежевике сизой, крыжовнике.

Фосфор (Р) входит в состав всех тканей организма, особенно белков нервной и мозговой тканей, участвует во всех видах обмена веществ. Фосфор поступает в организм главным образом с продуктами животного происхождения - молоком и молочными продуктами, мясом, рыбой, яйцами и др. Наибольшее количество, по сравнению с другими микроэлементами, содержится фосфора в мясе. Очень много фосфора в крыжовнике, есть в яблоках, клубнике, инжире, шиповнике коричном, ежевике сизой.

Хлориды - анионы хлора (Cl) поступают в организм человека в основном в виде хлористого натрия - поваренной соли, входят в состав крови, поддерживают осмотическое давление в крови, входят в состав соляной кислоты в желудке. Нарушения в обмене хлора ведут к развитию отеков, недостаточной секреции желудочного сока и др.

Сера (S) участвует в образовании кератина - белка, находящегося в суставах, волосах и ногтях; входит в состав почти всех белков и ферментов в организме, участвует в окислительно-восстановительных реакциях и других метаболических процессах, способствует секреции желчи в печени. Атомы серы входит в состав тиамина и биотина - витаминов группы В, а также в состав жизненно важных аминокислот - цистеина и метионина. Дефицит серы в организме человека встречается очень редко - при недостаточном употреблении продуктов, содержащих белок.

2. Микроэлементы - концентрация от 0,00001% до 0,01% (Fe, Zn, F, Sr, Mo, Cu, Br, Si, Cs, I, Mn, Al, Pb, Cd, В, Kb). Эти элементы содержатся в организме в концентрациях от сотен мг до нескольких г.

Микроэлементы входят в состав нуклеиновых кислот, обеспечивают стабильность хромосомных нитей, образуют хелатные комплексы с макромолекулами, активируют или ингибируют ферментные системы. Механизмы участия металлов в обменных процессах заключается в том, что они являются основной частью каталитически активного центра ферментов, создают или стабилизируют определенную конформацию белковой молекулы, необходимую для обеспечения каталитического действия фермента, а также могут воздействовать на субстрат, изменяя его электронную структуру таким образом, что последний легче вступает в ферментативную реакцию. Металл выполняет также функцию «мостика», связывающего фермент и субстрат при образовании ими промежуточного соединения и стабилизирует это соединение.

Микроэлементы влияют на каждый из трех фундаментальных процессов передачи генетической информации - репликацию, транскрипцию и трансляцию.

Микроэлементы принимают участие в формировании реактивности организма. Железо, медь, марганец, йод, цинк, кобальт способствуют образованию антител, оказывают влияние на фагоцитарную активность лейкоцитов, разрушают и обезвреживают бактериальные токсины. Соли лития, цезия, селена, оказывают влияние на показатели неспецифической иммуннологической реактивности организма - содержание лизоцима, комплемента, фагоцитарную активность лейкоцитов.

Железо (Fe) входит в состав гемоглобина крови. При недостатке его в пище резко нарушается синтез гемоглобина в крови и формирование железосодержащих ферментов, развивается железодефицитная анемия. В медицине используется для лечения болезней, связанных с нарушением нормального состояния и функций крови и общего питания организма. Железо содержат такие продукты питания, как фасоль, гречневая крупа, овощи, печень, мясо, яичные желтки, зелень петрушки, белые грибы, хлебопродукты, а также шиповник, яблоки, абрикосы, вишни, крыжовник, шелковица белая, клубника.

Марганец (Мn) находится во всех органах и тканях человека, особенно много его в коре мозга, сосудистой системе. Марганец участвует в белковом и фосфорном обмене, в половой функции и в функции опорно-двигательного аппарата, участвует в окислительно-восстановительных процессах, при его участии происходят многие ферментативные процессы, а также процессы синтеза витаминов группы В и гормонов. Дефицит марганца сказывается на работе центральной нервной системы и стабилизации мембран нервных клеток, на развитии скелета, на кроветворении и реакциях иммунитета, на тканевом дыхании. Мn содержится в рябине обыкновенной, шиповнике коричневом, яблоне домашней, абрикосе, винограде винном, женьшене, клубнике, инжире, облепихе, а также хлебопродуктах, овощах, печени, почках.

Медь (Cu) влияет на рост и развитие организма, участвует в деятельности ферментов и витаминов, в тканевом дыхании и кроветворении. Медь и цинк усиливают действие друг друга. Дефицит меди вызывает нарушение образования гемоглобина, развивается анемия, нарушается психическое развитие. Содержится в айве, рябине, яблоне домашней, абрикосе обыкновенном, инжире, крыжовнике, ананасе, хурме.

Цинк (Zn) участвует в деятельности более 20 ферментов, является структурным компонентом гормона поджелудочной железы (инсулина), влияет на развитие, рост, половое развитие мальчиков, центральную нервную систему. Недостаток цинка ведет к инфантильности у мальчиков и к заболеваниям центральной нервной системы. Содержится в субпродуктах, в мясных продуктах, не шлифованном рисе, грибах, устрицах, других морских продуктах, дрожжах, яйцах, горчице, в семенах подсолнуха, хлебопродуктах, мясе, овощах, в плодах яблони домашней.

Молибден (Мо) входит в состав ферментов, оказывает влияние на вес и рост, препятствует кариесу зубов, задерживает фтор. При недостатке молибдена происходит замедление роста. Молибден присутствует в рябине черноплодной, яблоне домашней, бобовых, печени, почках, хлебопродуктах.

Йод (I) принимает участие в образовании гормонов щитовидной железы – тироксина и трийодтиронина. При недостаточном поступлении йода развивается заболевание щитовидной железы – гипотиреоз, при избыточном поступления йода в организм развивается гипертиреоза. Йод находится в рябине черноплодной, груше обыкновенной, фейхоа, молоке, овощах, мясе, яйцах, морской рыбе.

Кремний (Si) находится в плазме крови, необходим для образования эритроцитов. Соединения кремния необходимы для нормального развития и функционирования соединительной и эпителиальной тканей. Он способствует биосинтезу коллагенов и образованию костной ткани (после перелома количество кремния в костной мозоли увеличивается почти в 50 раз). Полагают, что присутствие кремния в стенках сосудов препятствует проникновению в плазму крови липидов и их отложению в сосудистой стенке, что соединения кремния необходимы для нормального протекания процессов липидного обмена. Источником его является вода и растительные пищевые продукты. Наибольшее количество кремния содержится в корневых овощах,абрикосах, бананах, вишнях, клубнике, землянике, овсе, огурцах, пророщенных зернах злаков, в цельном зерне пшеницы, просе, питьевой воде. Недостаток кремния приводит к ослаблению кожи и волос. Пыль кремнийсодержащих неорганических соединений может вызвать развитие заболевания легких - силикоз. Повышенное поступление кремния в организм может вызвать нарушение фосфорно-кальциевого обмена, образование мочевых камней.

Фториды (F^-) находятся в костях и зубах, стимулируют кроветворение и иммунитет, участвуют в развитии скелета. Избыток фторидов дает крапчатость зубной эмали, вызывает заболевание флюороз, подавляет защитные силы организма. В организм фтор поступает с пищевыми продуктами, из которых наиболее богаты им овощи и молоко.

3. Ультрамикроэлементы - концентрация ниже 0,000001% (Se, Со, V, Cr, As, Ni, Li, Ba, Ті, Ag, Sn, Be, Ga, Ge, Hg, Sc, Zr, Bi, Sb, U, Th, Rh). Содержание этих элементов в теле человека измеряется в мг и мкг. На данный момент установлено важнейшее значение для организма многих элементов из этой группы, таких как, селен, кобальт, хром и др.

Никель (Ni) обнаружен в поджелудочной железе, гипофизе, волосах, коже и органах эктодермального происхождения. Благотворно влияет на процессы кроветворения, активирует ряд ферментов. При избыточном поступлении никеля в организм в течение длительного времени отмечаются дистрофические изменения в паренхиматозных органах, нарушения со стороны сердечнососудистой системы, нервной и пищеварительной систем, изменения в кроветворении, углеводном и азотистом обмене, нарушении функции щитовидной железы и репродуктивной функции. Много никеля в растительных продуктах, морской рыбе и продуктах моря, печени.

Кобальт (Со) оказывает влияние на обмен веществ и рост организма, и принимает непосредственное участие в процессах кроветворения; способствует синтезу мышечных белков, улучшает ассимиляцию азота, активирует ряд ферментов, участвующих в обмене веществ; является незаменимым структурным компонентом витаминов группы В, способствует усвоению кальция и фосфора, понижает возбудимость и тонус симпатической нервной системы. Кобальт содержится в плодах яблони домашней, абрикоса, винограда винного, клубнике, орехе грецком, молоке, хлебопродуктах, овощах, говяжьей печени, бобовых.

Хром (Сr) участвует в углеводном и жировом обмене, необходим для образования инсулина, снижает уровень холестерина в крови, препятствует развитию сердечно-сосудистых заболеваний за счет снижения образования атеросклеротических бляшек. Недостаток хрома в организме может привести к ожирению, задержке жидкости в тканях и повышению артериального давления. Содержится в натуральных нерафинированных продуктах, субпродуктах (печень, почки и сердце животных и птиц), рыбе и морепродуктах, в желтках куриных яиц, меде, орехах, грибах, коричневом сахаре.

1.4.2. Классификация по функциональной роли в организме

1. Органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S),

2. Элементы электролитного фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов состав­ляют 99% общего содержания металлов в организме;

3. Микроэлементы – это биологически активные атомы центров ферментов, гормонов (переходные металлы).

Микроэлементология выделяет две группы микроэлементов (МЭ):

а) биогенные элементы, являющиеся незаменимыми нутриентами, значение которых сравнимо со значением витаминов, т.к. они не синтезируются в организме. К эссенциальным¹ (жизненно-необходимым) микроэлементам относят Fe, I, Си, Zn, Co, Cr, Mo, Se, Mn, к «условно-эссенциальным» - As, В, Br, F, Li, Ni, Si, V.

При гипомикроэлементозах -  заболеваниях вызванных дефицитом МЭ, возникают болезни недостаточности.

б) токсичные элементы - Al, Cd, Pb, Hg, Be, Ba, Bi, Тl, потенциально-токсичные - Ag, Au, In, Ge, Rb, Ті, Te, U, W, Sn, Zr и др. Результатом воздействия этих элементов на организм является развитие синдромов интоксикаций (токсикопатий).

1.5. Нарушения обмена микроэлементов (микроэлементозы)

Основные причины, вызывающие недостаток минеральных веществ:

1. Неправильное или однообразное питание, некачественная питьевая вода;

2. Геологические особенности различных регионов земли — эндемические (неблагоприятные) районы;

3. Большая потеря минеральных веществ по причине кровотечений, болезнь Крона, язвенный колит;

4. Употребление алкоголя и некоторых лекарственных средств, связывающих или вызывающих потерю микроэлементов.

Заболевания, вызываемые избытком пли недостатком элементов в опреде­ленной зоне, называют эндемическими заболеваниями. Симптомы заболеваний, вызванных недостатком химических элементов в организме  -  гипомикроэлементозов, представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4.

Характерные симптомы дефицита химических элементов

в организме человека