Рассмотрите блоки s и p элементов на рисунке 5 по каким свойствам

1) s-блок в периодической таблице элементов — электронная оболочка, включающая в себя первые два слоя s-электронов. Данный блок включает в себя щелочные металлы, щелочноземельные металлы, водород и гелий. Эти элементы отличаются тем, что в атомном состоянии высокоэнергичный электрон находится на s-орбитали. Исключая водород и гелий, эти электроны очень легко переходят и формируются в позитивные ионы при химической реакции. Конфигурация гелия химически весьма стабильна, следовательно, именно по этому гелий не имеет стабильных изотопов; иногда, благодаря этому свойству, его объединяют с инертными газами. Остальные элементы, имеющие этот блок, все без исключения являются сильными восстановителями и поэтому в свободном виде в природе не встречаются. Элемент в металлическом виде может быть получен только с помощью электролиза растворенной в воде соли. Дэви Гемфри, в 1807 и 1808 году, стал первым кто отсоединил соли кислот от s-блок-металлов, за исключением лития, бериллия, рубидия и цезия. Бериллий был впервые отделен от солей независимо двумя учёными: Ф. Вулером и А. А. Бази в 1828 году, в то время как литий был сепарирован Р. Бунзеном только в 1854 году, который, после изучения рубидия, отделил его спустя 9 лет. Цезий не был выделен в чистом виде вплоть до 1881 года, после того как Карл Сеттерберг подверг электролизу цианид цезия. Твердость элементов, имеющих s-блок, в компактном виде (при обычных условиях) может варьироваться от очень малой (все щелочные металлы — их можно разрезать ножом) до довольно высокой (бериллий). Исключая бериллий и магний, металлы очень реакционноспособны и могут быть использованы в сплавах со свинцом в малых количествах (<2 %). Бериллий и магний, ввиду их высокой стоимости, могут быть ценными компонентами для деталей, где требуется твёрдость и лёгкость. Эти металлы являются чрезвычайно важными, поскольку позволяют сэкономить средства при добыче титана, циркония, тория и тантала из их минеральных форм; могут находить своё применение как восстановители в органической химии.

Опасность и хранение

Все элементы, имеющие s-оболочку, являются опасными веществами. Они пожароопасны, требуют особого пожаротушения, исключая бериллий и магний. Храниться должны в инертной атмосфере аргона или углеводородов. Бурно реагируют с водой, продуктом реакции является водород, например:

Исключая магний, который реагирует медленно, и бериллия, который реагирует только когда его оксидная плёнка снята с помощью ртути. Литий имеет схожие свойства с магнием, так как находится, относительно периодической таблицы, рядом с магнием.

P-блок в периодической таблице элементов — электронная оболочка атомов, валентные электроны которых с наивысшей энергией занимают p-орбиталь.

В p-блок входят последние шесть групп, исключая гелий (который находится в s-блоке). Данный блок содержит все неметаллы (исключая водород и гелий) и полуметаллы, а также некоторые металлы.

P-блок содержит в себе элементы, которые имеют различные свойства, как физические, так и механические. P-блок-неметаллы — это, как правило, высокореакционные вещества, имеющие сильную электроотрицательность, p-металлы — умеренно активные металлы, причём их активность повышается к низу таблицы химических элементов

Свойства d- и f-элементов. Привести примеры.

D-блок в периодической таблице элементов — электронная оболочка атомов, валентные электроны которых с наивысшей энергией занимают d-орбиталь.

Данный блок представляет собой часть периодической таблицы; в него входят элементы от 3 до 12 группы. Элементы данного блока заполняют d-оболочку d-электронами, которая у элементов начинается s2d1 (третья группа) и заканчивается s2d10 (двенадцатая группа). Однако, существуют некоторые нарушения в этой последовательности, например, у хрома s1d5 (но не s2d4) вся одиннадцатая группа имеет конфигурацию s1d10 (но не s2d9). Одиннадцатая группа имеет заполненные s- и d-электроны.

D-блок-элементы так же известны как переходные металлы или переходные элементы. Однако, точные границы, отделяющие переходные металлы от остальных групп химических элементов, еще не проведены. Хотя некоторые авторы считают, что элементы, входящие в d-блок, являются переходными элементами, в которых d-электроны являются частично заполненными либо в нейтральных атомах или ионах, где степень окисления равна нулю. ИЮПАК в данное время принимает такие исследования как достоверные, и сообщает, что это относится только к 3—12 группам химических элементов. У металлов 12ой группы отсутствуют явно выраженные химические и физические свойства, это объясняется неполным заполнением d подоболочки, поэтому их можно считать и постпереходными металлами. Так же было пересмотрено историческое применение термина «переходные элементы» и d-блока.

В s-блоке и p-блоке периодической таблицы аналогичные свойства, через периоды, как правило, не наблюдаются: самые важные свойства усиливаются по вертикали у нижних элементов данных групп. Примечательно, что различия элементов входящих в d-блок по горизонтали, через периоды, становятся более выраженными.

Лютеций и лоуренсий находятся в d-блоке, и они не считаются переходными металлами, но лантаноиды и актиноиды, что примечательно, таковыми считаются с точки зрения ИЮПАК. Двенадцатая группа химических элементов хоть и находится в d-блоке, однако считается, что входящие в неё элементы являются постпереходными элементами

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Д. К. БЕЛЯЕВА»

Кафедра химии

 Наумова И. К, Шаповалова Т. А.

Биогенные элементы. Качественное определение.

Учебное пособие

                                                    Иваново – 2016

УДК 54

У25

Рецензенты:

Крылов Е. Н. Профессор кафедры органической и физической химии ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет»

Тарасов А.Л К.с/х.н., доц. кафедры агрохимии и земледелия ИГСХА им. Д.К. Беляева

Наумова И.К., Шаповалова Т. А.

Биогенные элементы. Качественное определение. Учебное пособие / Наумова И. К., Шаповалова Т. А. Ивановская ГСХА имени Д.К.Беляева. – Иваново:ИГСХА, 2016- с.

Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, изучающих дисциплину «Неорганическая химия», «Аналитическая химия» и «Химия биогенных элементов» на агротехнологическом факультете, факультете ветеринарной медицины и биотехнологии в животноводстве, специальностях: Агрономия – 110201, Агроэкология – 110102, Зоотехния – 110400, Ветеринария – 111201.

       Это пособие служит дополнительным источником информации, содержащим краткую и в то же время детальную информацию по рассматриваемым в лекционном курсе темам. Нахождение в одном пособии теоретического материала и заданий для проведения лабораторного практикума позволяет быстрее и легче осваивать учебный материал по аналитической химии.

    Рекомендовано студентам очной формы обучения.

Печатается на основании решения методической комиссии факультета ветеринарной медицины и биотехнологии в животноводстве. Протокол

©Федеральное государственное образовательное    учреждение высшего  профессионального  образования «Ивановская  государственная  сельскохозяйственная академия  имени Д. К. Беляева»,2016

©Наумова И.  К., Шаповалова Т. А.

ВВЕДЕНИЕ

Химический анализ необходим для нормального функционирования агропромышленного комплекса (анализ состава почв, удобрений, кормов, сельскохозяйственной продукции), в биотехнологии, медицинской диагностике. Объектами химического анализа является практически все, что нас окружает. Без анализа почв, удобрений и т. д. невозможна интенсификация сельского хозяйства. Особое значение приобретает анализ почв на содержание микроэлементов и обоснованное внесение недостающих компонентов для повышения урожайности.

Элементы, которые в живых организмах содержатся постоянно и необходимы для их жизнедеятельности, участвуют в обмене веществ, входят в состав химических соединений, в том числе биологически активных. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы: Fе, Со, Mn, Zn, Мо, V, В, W; в синтезе белков участвуют: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, в кроветворении – Со, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании – Mg, Fe, Cu, Zn, Mn и Со. Поэтому микроэлементы нашли широкое применение в медицине, в качестве микроудобрений для полевых культур, подкормки в животноводстве, птицеводстве и рыбоводстве. Микроэлементы входят в состав большого числа биорегуляторов живых систем, в основе которых лежат биокомплексы.

Исследуя новое соединение, прежде всего устанавливается из каких компонентов (или ионов) оно состоит, т.е проводят качественный анализ, который базируется на качественных реакциях отдельных компонентов.

I. Теоретическая часть

I . I . Биогенные элементы их классификация.

     Понятие биогенных элементов следует начинать рассматривать с понятия биосферы. По Вернадскому, биосферой является часть земной оболочки, приспособленная к жизни, занятая живыми организмами и переработанная ими и космическими излучениями.
    Л. П. Виноградов считал, что химический состав живых организмов зависит от химического состава окружающей его среды, и содержание в них химических элементов пропорционально содержанию этих элементов в среде обитания. В организмах содержатся почти все элементы, которые есть в земной коре. 99,8 % массы земной коры составляют следующие элементов: , Si, Al, Fe, Ca. Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва, из них кислород составляет около половины массы земной коры, кремний – примерно четверть этой массы. .
     Все же некоторые элементы содержатся в живых организмах в большем количестве, чем в окружающей их среде, и это явление называется биологическим аккумулированием. Так, содержание углерода в живых организмах – 21%, а в земной коре – лишь 0,35%. Содержание некоторых других элементов, наоборот, в живых организмах понижено по сравнению с окружающей средой. Всего в составе живого вещества обнаружено более 70 элементов. В  организме животных обнаружено более 60 элементов,  причем 45 из них определены количественно и являются постоянными составными частями организма.         

 Биогенными элементами в составе живых организмов называют элементы, необходимые ему для построения и жизнедеятельности клеток и органов т.е.элементы, жизненно необходимые организму .

    Существует несколько классификаций биогенных элементов. По В.И. Вернадскому, в зависимости от среднего содержания выделено 3 группы:

• макроэлементы, содержание которых в организме выше 10-2%; к ним относятся кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, сера, калий, натрий, хлор, магний; они составляют 99,99% живого субстрата; еще более поразительно, что 99% живых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, P, Са; они- входят в состав белков, нуклеиновых кислот. В зависимости от функциональной роли макроэлементы делят на органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S), и элементы электролитного фона (Na, К, Са, Мg, Cl).

• микроэлементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-2 до 10-5%; к ним относятся кремний, йод, фтор, стронций, железо, марганец, медь, цинк, рубидий, бром и др.; Микроэлементы непосредственно участвуют в построении витаминов, применяемых в качестве общеукрепляющего и общетонизирующего средства. Примером может служить витамин B12 (цианкобаламин), в структуру которого входит кобальт – 4,5%. Содержание витаминов в растениях соответствует содержанию в них того или иного микроэлемента.

• ультрамикроэлементы, содержание которых в организме ниже 10-5%; к ним относятся молибден, селен, титан, кобальт, цезий и др.

Благодаря таким структурам, как биогенные элементы, человек, растения, животные, грибы и бактерии могут двигаться, дышать, питаться, размножаться и вообще жить. Все они имеют свои ячейки в общей химической системе Менделеева. Биогенные элементы, составляющие основу органических соединений – белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, различных ферментов, являющиеся лидерами биогенеза – это углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера.
Наряду с ними в процессах жизнедеятельности участвуют многие другие элементы периодической системы (тяжелые металлы, редкие, радиоактивные и др.), часто в микро- и ультрамикроколичествах. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии, при недостатке или избытке вызывают эндемические заболевания организмов и  т. п.

Питание растений – сложный процесс поступления отдельных биогенных элементов из воздуха и поглощения основной массы доступных минеральных солей через корневую систему из раствора и твердой фазы почвы.
 Из   почвы растения получают макро- и микроэлемент основные элементы питания.

Макроэлементы:

· N – отвечает за рост растений, обеспечивает зеленую окраску, повышает урожайность.

· Р –  это скорость проращивания, рост здоровых корней.

· К – качество семян и клубней, устойчивость к заморозкам.

Микроэлементы:

· Fe – участвует в образовании хлорофилла.

· В – отвечает за прорастание семян.

· Мп – прорастание семян и мощность растений.

 Биогенные элементы являются необходимым условием для жизни растений, корректирование их содержания в почве является мощным способом воздействия на продуктивность сельскохозяйственных культур. Многие из этих химических элементов избирательно накапливаются в растениях и животных, входят в состав биогенных соединений, усиливают или ослабляют физиологические процессы, участвуют в обмене веществ и энергии.

I . II . Общая характеристика s- p – и d – элементов и их соединений и биологическое значение.

Биогенные элементы подразделяют на элементы: s-, p- и d-блоки.

I.II.I. Общая характеристика s-элементов

s-элементами называют химические элементы, в атомах которых заполняются электронами s-подуровень внешнего уровня,. Строение их валентного уровня ns1-2. К s-элементам относятся первые два элемента каждого периода, относятся элементы главной подгруппы I группы (IА группы) – водород, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а также элементы  главной подгруппы II группы (IIA группы).

Небольшой заряд ядра, большой размер атома способствуют тому, что атомы s-элементов – типичные активные металлы; показателем этого является невысокий потенциал их ионизации. S-элементы имеющие 1 или 2 валентных электрона легко отдают их превращаясь в простые катионы. Катионы IIА группы имеют меньший радиус и больший заряд и обладают, следовательно, более высоким поляризующим действием. Большинство s-катионов бесцветны, хорошо растворимы в воде и для них не характерны окислительные свойства, практически не обладают комплексообразующей способностью, а их гидроксиды обладают основными свойствами. Соли s-элементов подвергаются гидролизу в том случае, если соль образована сильным основанием и слабой кислотой .                                               

Биологические функции s-элементов очень разнообразны: активация ферментов, участие в процессах свертывания крови, в различных реакциях организма, связанных с изменением проницаемости мембран по отношению к ионам калия, натрия и кальция, участие в образовании мембранного потенциала, в запуске внутриклеточных процессов, таких, как обмен веществ, рост, развитие, сокращение, деление и секреция, перенос информации. Чувствительность клеток к данным ионам обеспечивается разностью их содержания вне и внутри клетки, градиентом концентрации (ионной асимметрией). Старение – понижение градиента концентрации, смерть – выравнивание концентрации вне и внутри клетки. Градиент концентрации регулируется связыванием свободных ионов клетки специфическими белками.

I.II.II. Общая характеристика р-элементов

р-элементами  называют элементы, у которых происходит достройка  р-подуровня внешнего валентного уровня, они образуют главные подгруппы. Электронное строение валентного уровня ns2р1-6. Валентными являются электроны s– и р-подуровней. Валентными электронами у них могут быть не только электроны внешнего слоя (ns-электроны), но и предвнешнего слоя ((n–1)d-электроны). Отдавая эти электроны они могут образовывать простые катионы (AI+3, Sn+2, Pb+2 и т.д.) и сложные анионы, где элементы имеют разные степени окисления (SO3-2, NO2-). Принимая электроны р-элементы образуют простые анионы (CI-, S-2, Br- и т.д.). Ионы р-элементов образуют малорастворимые, часто окрашенные соединения, являются хорошими комплексообразователями.