Ион анион. · Устраняют неприятные запахи, имеют антибактериальные свойства
Катионы и анионы выполняют в организме важные функции, например:
Ответственны за осмоляльность жидкости тела,
Образуют биоэлектрический мембранный потенциал,
Катализируют процесс обмена веществ,
Определяют действительную реакцию (рН) жидкости тела,
Стабилизируют определенные ткани (костную ткань),
Служат в качестве энергетического депо (фосфаты),
Участвуют в свертывающей системе крови.
В организме человека массой 70 кг содержится приблизительно 100 г натрия (60 мэкв/кг), 67% его активно обменивается (Geigy). Половина натрия организма находится во внеклеточном пространстве. Треть располагается в костях и хрящах. Содержание натрия в клетках мало (см. также рис. 6).
Концентрация в плазме: 142(137-147) мэкв/л
Основная роль
Основная ответственность за осмоляльность внеклеточного пространства. 92% всех катионов и 46% всех внеклеточных осмотически активных частиц составляют ионы натрия.
Концентрация натрия может определять осмоляльность плазмы, за исключением таких патологических процессов, как сахарный диабет, уремия (см. 1.1.2).
Величина внеклеточного пространства зависит от содержания натрия.
При бессолевых диетах или применении салуретиков внеклеточное пространство уменьшается; оно увеличивается при усиленном введении натрия.
Влияние на внутриклеточное пространство через содержание натрия в плазме. При повышении внеклеточной осмоляльности, например при введении гипертонического раствора поваренной соли, вода выводится из клеток, при снижении осмоляльности плазмы, например при потере соли, клетки обводняются.
Участие в создании биоэлектрического мембранного потенциала. Калий
В организме человека массой 70 кг содержится приблизительно 150 г калия (54 мэкв/кг), 90% его активно участвует в обмене (Geigy); 98% калия организма находится в клетках и 2% - внеклеточно (Fleischer, Frohlich). В мускулатуре определяется 70% общего содержания калия (Black).
Концентрация калия не во всех клетках одинакова. Мышечные клетки содержат 160 мэкв калия/кг воды (Geigy), эритроциты располагают только 87 мэкв/кг эритроцитной массы (Burck, 1970).
Концентрация калия в плазме: 4,5 (3,8-4,7) мэкв 1 л.
Основная роль
Участвует в утилизации углеводов;
Необходим для синтеза белков; при расщеплении белков калий
освобождается; при синтезе связывается (соотношение: 1 г азота приблизительно на 3 мэкв калия);
Оказывает важное влияние на нервно-мышечное возбуждение.
Каждая клетка мышц и нервное волокно в состоянии покоя представляют собой калиевую батарею, заряд которой в значительной степени определяется соотношением концентраций калия внутри и вне клеток. Процесс возбуждения связан с активным включением внеклеточных ионов натрия во внутренние волокна и медленным выходам внутриклеточного калия из волокон.
Препараты обусловливают вывод внутриклеточного калия. Состояния, связанные с низким содержанием калия, сопровождаются выраженным действием препаратов дигиталиса. При хроническом недостатке калия нарушается тубулярная реабсорбция (Nizet).
Калий участвует в деятельности мышц, сердца, нервной системы, почек, каждой клетки.
Особенности
Большой практический интерес представляет собой взаимосвязь между концентрацией калия в плазме и содержанием калия внутри клетки. Существует принцип, что при уравновешенном обмене веществ содержание калия в плазме определяет его общее содержание во всем организме. На это соотношение влияют:
Значение рН внеклеточной жидкости,
Энергия обмена веществ в клетке,
Функция почек.
Влияние значения рН на концентрацию калия в плазме
При нормальном содержании калия в организме снижение рН увеличивает количество калия в плазме, (повышение рН - уменьшает. Пример: рН 7,3, ацидемия - концентрация калия в плазме 4,8 мэкв/л рН 7,4, норма - концентрация калия в плазме 4,5 мэкв/л рН 7,5, алкалиемия-концентрация калия в плазме 4,2 мэкв/л (Значения рассчитаны по данным Siggaard- Andersen, 1965.) Ацидемии соответствует небольшое по сравнению с нормой повышение концентрации калия в плазме. Иначе говоря, значение 4,5 мэкв/л плазмы указывает при ацидемии на внутриклеточный дефицит калия. Наоборот, при алкалиемии в случае нормального содержания калия нужно ожидать пониженного содержания его в плазме. Зная кислотно-щелочное состояние, можно лучше оценить количество калия в плазме:
Ацидемия →[К]плазма - повышение Алкалиемия→ [К]плазма - снижение
Эти зависимости, выявленные в эксперименте, не всегда клинически доказуемы, так как одновременно развиваются: дальнейшие процессы, влияющие на количество калия в плазме, вследствие чего нивелируется воздействие одного процесса (Heine, Quoss, Guttler).
Влияние энергии обмена веществ клетки на концентрацию калия в плазме
Усиленный отток клеточного калия во внеклеточное пространство происходит, например, при:
Недостаточном снабжении тканей кислородом (шок),
Усиленном разрушении белков (катаболическое состояние).
Сниженной утилизации углеводов (диабет),
Клеточной дегидратации.
Интенсивный приток калия в клетки наблюдается, например, при:
Улучшенной утилизации глюкозы под действием инсулина,
Усиленном синтезе белков (рост, введение анаболических стероидов, репарационная фаза после операции, травма),
Клеточной регидратации.
Разрушающие процессы →[К]плазмы - повышение Восстанавливающие процессы →[К]плазмы - снижение
Ионы натрия, введенные в большом количестве, повышают обмен клеточного калия и способствуют повышенному выведению калия через почки (особенно если ионы натрия связаны не с ионами хлора, а с легко метаболизируемыми анионами, например цитратом). Концентрация калия в плазме вследствие излишка натрия снижается в результате увеличения внеклеточного пространства. Снижение натрия ведет к уменьшению внеклеточного пространства и повышению концентрации калия в плазме:
Излишек натрия→ [К] плазма - снижение Недостаток натрия→[К] плазма - повышение
Влияние почек на концентрацию калия в плазме
Почки меньше влияют на сохранение содержания калия, чем натрия. При недостатке калия почки удерживают его вначале с трудом, поэтому потери могут превышать введение. Наоборот, при передозировке калий довольно легко удаляется током мочи. При олигурии и анурии повышается количество калия в плазме.
Олигурия, анурия→ [К] плазма - повышение
Таким образом, внеклеточная (плазменная) концентрацш калия является результатом динамического равновесия между:
Введением;
Способностью клеток к удержанию в зависимости от значения рН и состоянием обмена веществ (анаболизм - катаболизм);
Ренальным выведением калия в зависимости от:
· кислотно-щелочного состояния,
· тока мочи,
· альдостерона;
Внепочечной потерей калия, например, в желудочно-кишечном тракте. Кальций
У взрослого человека массой 70 кг содержится приблизительно 1000- 1500 г кальция -от 50000 до 75000 мэкв (1,4-2% массы тела), 99% кальция находится в костях и зубах (Rapoport).
Концентрация в плазме: 5(4,5-5,5) мэкв/л с небольшими индивидуальными отклонениями (Rapoport).
Кальций в плазме распределен в трех фракциях, а именно 50-60% ионизировано и способно к диффузии, 35-50% связано с белками (не ионизировано и не способно к диффузии), 5-10% связано комплексной связью с органическими кислотами (лимонная кислота) - не ионизировано, но способно к диффузии (Geigy). Между отдельными фракциями кальция существует подвижное равновесие, которое зависит от рН. При ацидозах, например, степень диссоциации, а, следовательно, и количество диссоциированного кальция возрастают (замедляет явления тетании при ацидозе).
Биологически активны только ионы кальция. Точные данные, позволяющие определить состояние обмена кальция, получают только путем измерения количества ионизированного кальция (Pfoedte, Ponsold).
Основная роль
Составная часть костей. Кальций в костях находится в виде нерастворимого структурного минерала, главным образом фосфата кальция (гидроксилапатит).
Влияние на возбудимость нервов и мышц. Ионы кальция посредничают в биоэлектрическом феномене между поверхностью волокон и контрактильными реакциями внутри волокон.
Влияние на проницаемость мембран.
Вклад в свертывающую систему крови.
Особенности
На абсорбцию кальция в кишечнике влияет состав пищи. Так, абсорбции кальция способствуют лимонная кислота и витамин D, а препятствуют органические кислоты, например оксалиновая кислота (шпинат, ревень), фитиновая кислота (хлеб, хлебные злаки), жирные кислоты (болезни желчного пузыря). Оптимальное соотношение кальция и фосфата (1.2.1) способствует абсорбции. В регуляции содержания кальция играют ведущую роль паратгормон, витамин D и кальцитонин.
В организме человека массой 70 кг находится 20-28 г магния (Hanze)-от 1600 до 2300 мэкв. Он определяется преимущественно в скелете (половина общего количества), меньше в почках, печени, щитовидной железе, мышцах и нервной системе (Simon). Магний наряду с калием является важнейшим катионом клеток животных и растений.
Концентрация в плазме: 1,6-2,3 мэкв/л (Hanze).
Приблизительно 55-60% магния плазмы ионизировано, 30% связано с белками и 15% - с комплексными соединениями (Geigy).
Основная роль
Значение для многочисленных процессов, управляемых ферментами
(регенерация клеток, утилизация кислорода и выделение энергии; Simon). Магний важен для гликолиза, различных ступеней цитратного цикла, окислительного фосфорилирования, активации фосфатов, нуклеаз, различных пептидаз (Hanze).
Тормозит перенос нервного возбуждения в конечную точку (подобно кураре; антагонист - ионы кальция), следствием чего является понижение нервно-мышечного возбуждения.
Депрессивное влияние на центральную нервную систему.
Уменьшение сократительной способности гладкой мускулатуры и миокарда.
Подавление возбуждения в синусовом узле и нарушение атриовентрикулярной проводимости (при очень высоких дозах остановка сердца в диастоле).
Расширение сосудов.
Содействие фибринолизу (Hackethal, Bierstedt).
Особенности
Наряду с абсорбцией и выделением через почки в регуляции содержания магния в организме участвует еще не до конца изученный гормон поджелудочной железы. Дефицит магния приводит к выведению ионов магния и кальция из костей. Абсорбцию понижает пища, богатая белками и кальцием, а также алкоголь (Simon).
В организме человека массой 70 кг содержится приблизительно 100 г хлора - 2800 мэкв (Rapoport). Концентрация в плазме: 103 (97-108) мэкв/л
Основная роль
Хлор - важнейшая часть анионов плазмы.
Ионы хлора участвуют в образовании мембранного потенциала.
Гидрокарбонат
Гидрокарбонат относится к изменяемой части ионов. Изменения в содержании анионов уравновешиваются благодаря гидрокарбонату. Система гидрокарбонат - угольная кислота является важнейшей внеклеточной буферной системой. Значение рН внеклеточного пространства можно рассчитать по отношению гидрокарбоната к угольной кислоте (дальнейшее рассуждение см. 1.3).
В теле взрослого человека содержится 500-800 г фосфата (1% массы тела). 88% находятся в скелете (Grossmann), остальная часть располагается внутриклеточно и лишь небольшая его часть - во внеклеточном пространстве (Rapoport).
Фосфат может быть как органическим (в качестве составной части фосфопротеинов, нуклеиновых кислот, фосфатидов, коферментов - Rapoport), так и неорганическим. Приблизительно 12% фосфатов плазмы связано с белками .
Концентрация в плазме (неорганический фосфор): 1,4- 2,6мэкв/л.
Основная роль
Вместе с кальцием образует нерастворимый гидроксилапатит (опорная функция костей).
Участие в метаболизме углеводов, а также в хранении и переносе энергии (АТФ, креатинфосфат).
Буферное действие.
Особенности
Фосфор находится во всех продуктах питания. Абсорбция стимулируется витамином D и цитратом, задерживается некоторыми металлами (например, алюминием), цианидами, а также повышенным введением кальция. Фосфаты, выделяемые мочой, действуют в качестве буфера.
Концентрация в плазме (неорганического сульфата) :0,65 мэкв/л
Сульфат образуется из серосодержащих аминокислот (например, цистеин, метионин) и выводится через почки.
При почечной недостаточности концентрация сульфатов в плазме повышается в 15-20 раз.
Органические кислотные радикалы
Лактат (молочная кислота).
Пируват (пировиноградная кислота).
Бета-гидроксибутират (бета-гидроксимасляная кислота).
Ацетоацетат (ацетоуксусная кислота).
Сукцинат (янтарная кислота).
Цитрат (лимонная кислота).
Концентрация в плазме: 6 мэкв/л (Geigy)
Молочная кислота является промежуточным продуктом в процессе обмена углеводов. При снижении уровня кислорода (шок, сердечная недостаточность) концентрация молочной кислоты повышается.
Ацетоуксусная кислота и бета-гидроксимасляная кислота (кетоновые тела) появляются при снижении количества углеводов (голод, пост), а также при нарушении утилизации углеводов (диабет) (см. 3.10.3).
Молекулы белков при рН крови 7,4 существуют главным образом в виде анионов (16 мэкв/л плазмы).
Основная роль
Жизнь связана с белками, отсюда без белков нет жизни Белки
Являются основной составной частью клеточных и межтканевых структур;
Ускоряют в качестве ферментов процессы обмена веществ;
Образуют межклеточное вещество кожи, костей и хрящей;
Обеспечивают деятельность мускулатуры благодаря контрактильным свойствам определенных белков;
Определяют коллоидно-осмотическое давление и тем самым водозадерживающую способность плазмы (1 г альбумина связывает 16 г воды);
Являются защитными веществами (антитела) и гормонами (например, инсулин);
Транспортируют вещества (кислород, жирные кислоты, гормоны, лекарственные вещества и др.);
Действуют в качестве буфера;
Участвуют в свертывании крови.
Это перечисление уже показывает основополагающее значение белков.
Особую нагрузку испытывает белковый баланс в состоянии стресса (см. также 3.8.2.1).
Указания для клинициста
Определяя состояние белков, обычно привлекают следующие параметры:
Клиническую оценку состояния пациента (похудание и пр.);
Концентрацию общего белка и альбумина в плазме;
Концентрацию трансферрина;
Состояние иммунитета (например, кожный тест, исследование с помощью БЦЖ и др., определение числа лимфоцитов и др.).
Чувствительный показатель состояния белкового питания, каковым является концентрация альбумина в плазме, представляет величину зкстраваскулярного запаса альбумина, измеряемого с помощью меченого альбумина. Экстраваскулярный, межтканевый альбумин можно рассматривать как белковый резерв. Он повышается при отличном питании и снижается при дефиците белков без изменения концентрации альбумина в плазме (Kudlicka и соавт.).
Внутрисосудистый запас альбумина составляет 120 г, межтканевый - от 60 до 400 г, у взрослых в среднем 200 г. При падении концентрации альбумина в плазме ниже предельной границы нормы значительно истощаются в первую очередь межтканевые запасы альбумина (Kudlicka, Kudlickova), что видно из табл. 2 и 3. У 46 больных, оперированных по поводу хронических гастродуоденальных язв, Studley установил корреляцию послеоперационной летальности с предоперационным похуданием (см. табл.3).
Таблица 2
Летальность в зависимости от концентрации сывороточного альбумина на клиническом материале терапевтических больных (Wuhmann, Marki)
Электроли́т - вещество , которое проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы , что происходит врастворах и расплавах , или движения ионов в кристаллических решётках твёрдых электролитов . Примерами электролитов могут служить водные растворы кислот , солей и оснований и некоторые кристаллы (например, иодид серебра , диоксид циркония ). Электролиты - проводники второго рода, вещества, электропроводность которых обусловлена подвижностью ионов.
Исходя из степени диссоциации все электролиты делятся на две группы
Сильные электролиты - электролиты, степень диссоциации которых в растворах равна единице (то есть диссоциируют полностью) и не зависит от концентрации раствора. Сюда относятся подавляющее большинство солей, щелочей, а также некоторые кислоты (сильные кислоты, такие как: HCl, HBr, HI, HNO 3, H 2 SO 4).
Слабые электролиты - степень диссоциации меньше единицы (то есть диссоциируют не полностью) и уменьшается с ростом концентрации. К ним относятводу, ряд кислот (слабые кислоты, такие как HF), основанияp-, d-, и f-элементов.
Между этими двумя группами чёткой границы нет, одно и то же вещество может в одном растворителе проявлять свойства сильного электролита, а в другом - слабого.
Изотонический коэффициент (также фактор Вант-Гоффа ; обозначается i ) - безразмерный параметр, характеризующий поведение вещества в растворе. Он численно равен отношению значения некоторого коллигативного свойства раствора данного вещества и значения того же коллигативного свойства неэлектролита той же концентрации при неизменных прочих параметрах системы.
Основные положения теории электролитической диссоциации
1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы – положительные и отрицательные.
2. Под действием электрического тока ионы приобретают направленное движение: положительно заряженные частицы движутся к катоду, отрицательно заряженные – к аноду. Поэтому положительно заряженные частицы называются катионами, а отрицательно заряженные – анионами.
3. Направленное движение происходит в результате притяжения их противоположно заряженными электродами (катод заряжен отрицательно, а анод – положительно).
4. Ионизация – обратимый процесс: параллельно с распадом молекул на ионы (диссоциация) протекает процесс соединения ионов в молекулы (ассоциация).
Основываясь на теории электролитической диссоциации, можно дать следующие определения для основных классов соединений:
Кислотами называются электролиты, при диссоциации которых в качестве катионов образуются только ионы водорода. Например,
HCl → H + + Cl - ; CH 3 COOH H + + CH 3 COO - .
Основность кислоты определяется числом катионов водорода, которые образуются при диссоциации. Так, HCl, HNO 3 – одноосновные кислоты, H 2 SO 4 , H 2 CO 3 – двухосновные, H 3 PO 4 , H 3 AsO 4 – трехосновные.
Основаниями называют электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы. Например,
KOH → K + + OH - , NH 4 OH NH 4 + + OH - .
Растворимые в воде основания называются щелочами.
Кислотность основания определяется числом его гидроксильных групп. Например, KOH, NaOH – однокислотные основания, Ca(OH) 2 – двухкислотное, Sn(OH) 4 – четырехкислотное и т.д.
Солями называют электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов (а также ион NH 4 +) и анионы кислотных остатков. Например,
CaCl 2 → Ca 2+ + 2Cl - , NaF → Na + + F - .
Электролиты, при диссоциации которых одновременно, в зависимости от условий, могут образовываться и катионы водорода, и анионы – гидроксид-ионы называются амфотерными. Например,
H 2 O H + + OH - , Zn(OH) 2 Zn 2+ + 2OH - , Zn(OH) 2 2H + + ZnO 2 2- или Zn(OH) 2 + 2H 2 O 2- + 2H + .
Катио́н - положительно заряженный ион . Характеризуется величиной положительного электрического заряда: например, NH 4 + - однозарядный катион, Ca 2+
Двузарядный катион. В электрическом поле катионы перемещаются к отрицательному электроду - катод
Происходит от греческого καθιών «нисходящий, идущий вниз». Термин введен Майклом Фарадеем в 1834 году .
Анио́н - атом , или молекула , электрический заряд которой отрицателен, что обусловлено избытком электронов по сравнению с количеством положительныхэлементарных зарядов . Таким образом, анион - отрицательно заряженный ион . Заряд аниона дискретен и выражается в единицах элементарного отрицательного электрического заряда; например, Cl − - однозарядный анион, а остаток серной кислоты SO 4 2− - двузарядный анион. Анионы имеются в растворах большинствасолей , кислот и оснований , в газах , например, H − , а также в кристаллических решётках соединений с ионной связью , например, в кристаллах поваренной соли , вионных жидкостях и в расплавах многих неорганических веществ .
Химия - "волшебная" наука. А где вы еще получите безопасное вещество, соединив два опасных? Речь идет об обыкновенной поваренной соли - NaCl . Рассмотрим подробнее каждый элемент, опираясь на ранее полученные знания об устройстве атома.
Натрий - Na
, щелочной металл (группа IA).
Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1
Как видим, натрий имеет один валентный электрон, который он "согласен" отдать, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.
Хлор - Cl
, галоген (группа VIIA).
Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2
3p 5
Как видим, хлор имеет 7 валентных электронов и ему "не хватает" одного электрона, чтобы его энергетические уровни стали завершенными.
Теперь догадываетесь, почему так "дружны" атомы хлора и натрия?
Ранее говорилось, что полностью "укомплектованные" энергетические уровни имеют инертные газы (группа VIIIA) - у них полностью заполнены внешние s и p-орбитали. Отсюда они так плохо вступают в химические реакции с другими элементами (им просто не надо ни с кем "дружить", поскольку ни отдавать, ни принимать электроны они "не хотят").
Когда валентный энергетический уровень заполнен - элемент становится стабильным или насыщенным .
Инертным газам "повезло", а что же делать остальным элементам периодической таблицы? Конечно же, "искать" себе пару, подобно дверному замку и ключу - определенному замку соответствует свой ключ. Так и химические элементы, пытаясь заполнить свой внешний энергетический уровень, вступают с другими элементами в реакции, создавая устойчивые соединения. Т.к. заполняются внешние s (2 электрона) и р (6 электронов) орбитали, то данный процесс получил название "правило октета" (октет = 8)
Натрий: Na
На внешнем энергетическом уровне атома натрия находится один электрон. Для перехода в стабильное состояние, натрий должен: либо отдать этот электрон, либо принять семь новых. Исходя из вышесказанного, натрий будет отдавать электрон. При этом у него "исчезает" 3s-орбиталь, а количество протонов (11) будет на один превосходить количество электронов (10). Поэтому, нейтральный атом натрия превратится в положительно заряженный ион - катион .
Электронная конфигурация катиона натрия: Na + 1s 2 2s 2 2p 6
Особо внимательные читатели справедливо скажут, что такая же электронная конфигурация и у неона (Ne). Так что же, натрий превратился в неон? Вовсе нет - не забывайте о протонах! Их по-прежнему; у натрия - 11; у неона - 10. Говорят, что катион натрия является изоэлектронным неону (поскольку их электронные конфигурации одинаковы).
Подведем итог:
- атом натрия и его катион отличаются одним электроном;
- катион натрия имеет меньший размер, поскольку он теряет внешний энергетический уровень.
Хлор: Cl
У хлора ситуация прямо противоположная - на внешнем энергетическом уровне у него находится семь валентных электронов и ему надо принять один электрон, чтобы стать стабильным. При этом произойдут следующие процессы:
- атом хлора примет один электрон и станет отрицательно заряженным анионом (17 протонов и 18 электронов);
- электронная конфигурация хлора: Cl - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6
- анион хлора является изоэлектронным аргону (Ar);
- поскольку внешний энергетический уровень хлора "достроился", то радиус катиона хлора будет немного больше, чем у "чистого" атома хлора.
Поваренная соль (хлорид натрия): NaCl
Исходя из вышесказанного, видно, что электрон, который отдает натрий, становится электроном, который получает хлор.
В кристаллической решетке хлорида натрия каждый катион натрия окружен шестью анионами хлора. И наоборот, каждый анион хлора окружен шестью катионами натрия.
В результате перемещения электрона образуются ионы: катион натрия (Na +) и анион хлора (Cl -). Поскольку противоположные заряды притягиваются, то образуется устойчивое соединение NaCl (хлорид натрия) - поваренная соль .
В результате взаимного притяжения противоположно заряженных ионов, образуется ионная связь - устойчивое химическое соединение.
Соединения с ионными связями называют солями . В твердом состоянии все ионные соединения являются кристаллическими веществами.
Следует понимать, что понятие ионной связи довольно относительно, строго говоря к "чистым" ионным соединениям можно отнести только те вещества, у которых разность в электроотрицателности атомов, которые образуют ионную связь, равна или более 3. По этой причине в природе существует всего с десяток чисто ионных соединений - это фториды щелочных и щелочно-земельных металлов (например, LiF; относительная электроотрицательность Li=1; F=4).
Чтобы не "обижать" ионные соединения, химики договорились считать, что химическая связь является ионной, если разность электроотрицательностей атомов, образующих молекулу вещества равна или более 2. (см. понятие электроотрицательности).
Катионы и анионы
Другие соли образуются по аналогичному принципу, что и хлорид натрия. Металл отдает электроны, а неметалл их получает. Из периодической таблицы видно, что:
- элементы группы IA (щелочные металлы) отдают один электрон и образуют катион с зарядом 1 + ;
- элементы группы IIA (щелочноземельные металлы) отдают два электрона и образуют катион с зарядом 2 + ;
- элементы группы IIIA отдают три электрона и образуют катион с зарядом 3 + ;
- элементы группы VIIA (галогены) принимают один электрон и образуют анион с зарядом 1 - ;
- элементы группы VIA принимают два электрона и образуют анион с зарядом 2 - ;
- элементы группы VA принимают три электрона и образуют анион с зарядом 3 - ;
Распространенные одноатомные катионы
Распространенные одноатомные анионы
Не все так просто с переходными металлами (группа В), которые могут отдавать разное количество электронов, образуя при этом по два (и более) катиона, имеющих разные заряды. Например:
- Cr 2+ - ион двухвалентного хрома; хром (II)
- Mn 3+ - ион трехвалентного марганца; марганец (III)
- Hg 2 2+ - ион двухатомной двухвалентной ртути; ртуть (I)
- Pb 4+ - ион четырехвалентного свинца; свинец (IV)
Многие ионы переходных металлов могут иметь разную степень окисления.
Ионы не всегда бывают одноатомными, они могут состоять из группы атомов - многоатомные ионы . Например, ион двухатомной двухвалентной ртути Hg 2 2+ : два атома ртути связаны в один ион и имеют общий заряд 2 + (каждый катион имеет заряд 1 +).
Примеры многоатомных ионов:
- SO 4 2- - сульфат
- SO 3 2- - сульфит
- NO 3 - - нитрат
- NO 2 - - нитрит
- NH 4 + - аммоний
- PO 4 3+ - фосфат
В обычных условиях молекулы и атомы воздуха нейтральны. Однако при ионизации, которая может происходить посредством обычного излучения, ультрафиолетовой радиации или же посредством простого удара молнии, молекулы воздуха теряют часть вращающихся вокруг атомного ядра отрицательно заряженных электронов, которые в дальнейшем присоединяются к нейтральным молекулам, придавая отрицательный заряд. Такие молекулы мы и называем анионами. У анионов нет цвета и запаха, а наличие отрицательных электронов на орбите позволяет им притягивать из воздуха различные микрочастицы, удаляя таким образом из воздуха пыль и убивая микробы. Роль анионов в составе воздуха сопоставима со значением витаминов для питания человека. Именно поэтому анионы также называют «воздушными витаминами», «элементом долголетия» и «очистителем воздуха».
Хотя полезные свойства анионов оставалась долгое время в тени, они крайне важны для человеческого здоровья. Мы не можем позволить себе пренебрегать их целебными свойствами.
Так, анионы могут аккумулировать и нейтрализовать пыль, уничтожать вирусы с положительно заряженными электронами, проникать в клетки бактерий и уничтожать их, предотвращая, таким образом, негативные последствия для человеческого организма. Чем больше в воздухе анионов, тем меньше в нем микробов (когда же концентрация анионов достигает определенного уровня, то содержание микробов и вовсе сводится к нулю).
Содержание анионов в 1 кубическом сантиметре воздуха следующее: 40-50 анионов в жилых помещениях города, 100-200 анионов в городском воздухе, 700-1000 анионов в открытом поле и более 5000 анионов в горных долинах и лощинах. Здоровье людей напрямую зависит от содержания анионов в воздухе. Если в попадающем в человеческое тело воздухе содержание анионов слишком низкое, то человек начинает судорожно дышать, может почувствовать усталость, головокружение, головную боль или даже впасть в депрессию. Все это поддается лечению при условии, что содержание анионов в поступающем в легкие воздухе составляет 1200 анионов на 1 кубический сантиметр. Если содержание анионов внутри жилых помещений повысить до 1500 анионов на 1 кубический сантиметр, то ваше самочувствие сразу улучшится; вы начнете работать с удвоенной энергией, повышая тем самым производительность труда. Таким образом, анионы - это незаменимый помощник в укреплении человеческого здоровья и продления жизни.
Всемирная Организация Здравоохранения установила, что минимальное содержание анионов в свежем воздухе составляет 1000 анионов на 1 кубический сантиметр. При определённых условиях состояния окружающей среды (например, в горных областях), люди могут за всю жизнь не подвергнуться внутреннему воспалению или заражению. Как правило, такие люди живут долго и остаются здоровыми всю жизнь, что является результатом достаточного содержания анионов в воздухе.
В последние годы во всем мире возрос интерес к лечебным и гигиеническим свойствам анионов. После многолетних исследований сотрудники компании "Виналайт" ("WINALITE") (г. Шэньчжэнь) разработали уникальные прокладки лечебно-профилактического действия. Усовершенствовав обычные прокладки и встроив в них высокотехнологичные ионизаторы, мы получили национальный патент на производство данного вида продукции. Анионовый чип в прокладках "Love Moon " может генерировать до 5800 анионов на 1 кубический сантиметр; он эффективно устраняет бактерии и вирусы, способные привести к воспалению женской сферы (вагиниту), а также предотвращает их повторное появление.
Почти все женские болезни бывают вызваны анаэробными бактериями. Когда анионовый чип генерирует поток анионов высокой плотности, в то же время выделяется ионизированный кислород, который нейтрализует неблагоприятную анаэробную среду, активизирует работу ферментов, устраняет воспаление, нормализует кислотно-щелочной баланс. В то же время при нормальной температуре материал анионового чипа способен выделять полезные для человеческого организма магнитные волны длиной 4-14 микронов, интенсивностью свыше 90%, которые активируют молекулы воды в клетках, стимулируя процесс синтеза ферментов.
Таким образом, на основе исключительно физического воздействия, достигается эффект уничтожения бактерий и устранения неприятного запаха, что позволяет заботиться о женском здоровье с помощью высоких технологий.
Анионовые прокладки "
Анионы - это составные части двойных, комбинированных, средних, кислых, основных солей. В качественном анализе каждый из них можно определить с помощью определенного реактива. Рассмотрим качественные реакции на анионы, используемые в неорганической химии.
Особенности анализа
Он является одним из важнейших вариантов идентификации веществ, распространенных в неорганической химии. Существует подразделение анализа на два компонента: качественный, количественный.
Все качественные реакции на анионы подразумевают идентификацию вещества, установление наличия в нем определенных примесей.
Количественный анализ устанавливает четкое содержание примесей и базового вещества.
Специфика качественного обнаружения анионов
Далеко не все взаимодействия можно использовать в качественном анализе. Характерной считается реакция, которая приводит к изменению окраски раствора, выпадению осадка, его растворению, выделению газообразного вещества.
Группы анионов определяют путем селективной реакции, благодаря которой можно обнаружить только определенные анионы в составе смеси.
Чувствительность - это наименьшая концентрация раствора, при которой определяемый анион можно обнаружить без его предварительной обработки.
Групповые реакции
Существуют такие химические вещества, которые способны при взаимодействии с разными анионами давать сходные результаты. Благодаря применению группового реактива можно выделять различные группы анионов, проводя их осаждение.
При проведении химического анализа неорганических веществ, в основном, проводят исследование водных растворов, в которых соли присутствуют в диссоциированном виде.
Именно поэтому анионы солей определяют путем их открытия в растворе вещества.
Аналитические группы
В кислотно-основном методе принято выделять три аналитические группы анионов.
Проанализируем, какие анионы можно определять, пользуясь определенными реактивами.
Сульфаты
Для их выявления в смеси солей в качественном анализе применяют растворимые соли бария. Учитывая, что сульфат-анионы - это SO4, краткое ионное уравнение происходящей реакции имеет вид:
Ba 2 + + (SO 4) 2- = BaSO4
Полученный в результате взаимодействия сульфат бария имеет белый цвет, является нерастворимым веществом.
Галогениды
При определении анионов хлора в солях в качестве реактива используют растворимые соли серебра, так как именно катион этого благородного металла дает нерастворимый белый осадок, поэтому так определяют хлорид-анионы. Это далеко не полный перечень качественных взаимодействий, используемых в аналитической химии.
Помимо хлоридов, соли серебра используют также для выявления наличия в смеси йодидов, бромидов. Каждая из солей серебра, образующая соединение с галогенидом, имеет определенную окраску.
Например, AgI имеет желтый цвет.
Качественные реакции на анионы 1 аналитической группы
Сначала рассмотрим, какие в нее входят анионы. Это карбонаты, сульфаты, фосфаты.
Самой распространенной в аналитической химии, считается реакция на определение сульфат-ионов.
Для ее проведения можно воспользоваться растворами сульфата калия, хлорида бария. При смешивании между собой этих соединений образуется белый осадок сульфата бария.
В аналитической химии обязательным условием является написание молекулярных и ионных уравнений тех процессов, которые были проведены для выявления анионов определенной группы.
Если записывать полное и сокращенное ионное уравнение для данного процесса, можно подтвердить образование нерастворимой соли BaSO4 (сульфата бария).
При выявлении карбонат-иона в смеси солей используют качественную реакцию с неорганическими кислотами, сопровождающуюся выделением газообразного соединения - углекислого газа. Кроме того, при выявлении карбоната в аналитической химии также используется реакция с хлоридом бария. В результате ионного обмена выпадает белый осадок карбоната бария.
Сокращенное ионное уравнение процесса описывается схемой.
Хлорид бария осаждает карбонат-ионы в виде белого осадка, что используется в качественном анализе анионов первой аналитической группы. Иные катионы не дают такого результата, поэтому не подходят для определения.
При взаимодействии карбоната с кислотами краткое ионное уравнении имеет следующий вид:
2H + +CO 3 - =CO 2 +H 2 O
При выявлении фосфат-ионов в смеси также применяется растворимая соль бария. Смешивание раствора фосфата натрия с хлоридом бария приводит к образованию нерастворимого фосфата бария.
Таким образом, можно сделать вывод об универсальности хлорида бария, возможности его применения для определения анионов первой аналитической группы.
Качественные реакции на анионы второй аналитической группы
Хлорид-анионы можно обнаружить при взаимодействии с раствором нитрата серебра. В результате ионного обмена образуется творожистый белый осадок хлорида серебра (1).
Бромид этого металла имеет желтоватый цвет, а йодид отличается насыщенной желтой окраской.
Молекулярное взаимодействие хлорида натрия с нитратом серебра имеет следующий вид:
NaCl + AgNO 3 =AgCl +NaNO 3
Среди специфических реактивов, которые можно использовать при определении в смеси иодид-ионов, выделим катионы меди.
KI + CuSO 4 = I 2 + K 2 SO 4 + CuI
Данный окислительно-восстановительный процесс характеризуется образованием свободного йода, что и применяется в качественном анализе.
Силикат-ионы
Для обнаружения этих ионов используют концентрированные минеральные кислоты. Например, при добавлении к силикату натрия концентрированной соляной кислоты образуется осадок кремниевой кислоты, имеющий гелеобразный вид.
В молекулярном виде данный процесс:
Na 2 SiO 3 + 2HCl = NaCl+ H 2 SiO 3
Гидролиз
В аналитической химии гидролиз по аниону является одним из способов определения реакции среды в растворах солей. Для того чтобы правильно определить вариант протекающего гидролиза, необходимо выяснить, из какой кислоты и основания получена соль.
Например, сульфид алюминия образован нерастворимым гидроксидом алюминия и слабой сероводородной кислотой. В водном растворе этой соли происходит гидролиз по аниону и по катиону, поэтому среда нейтральна. Ни один из индикаторов не будет менять своей окраски, следовательно, путем гидролиза сложно будет провести определение состава данного соединения.
Заключение
Качественные реакции, которые используют в аналитической химии для определения анионов, позволяют получать в виде осадков определенные соли. В зависимости от того, анионы какой аналитической группы необходимо выявить, для эксперимента подбирается определенный групповой реактив.
Именно по этой методике проводят определение качества питьевой воды, выявляя, не превышает ли количественное содержание анионов хлора, сульфата, карбоната тех предельных допустимых концентраций, которые установлены санитарно-гигиеническими требованиями.
В условиях школьной лаборатории эксперименты, касающиеся определения анионов, являются одним из вариантов заданий исследовательского характера на практической работе. В ходе эксперимента школьники не только анализируют цвета получаемых осадков, но и составляют уравнения реакций.
Кроме того, элементы качественного анализа предлагаются выпускникам в итоговых тестах по химии, позволяют определить уровень владения будущими химиками и инженерами молекулярными, полными и сокращенными ионными уравнениями.
