Общая и неорганическая химия. Химия и биогенные свойства элементов VA и VIA групп: Учебное пособие

128 Pages·2018·1.21 MB·Russian

by  Леонтьева Г. В., Колесова С. А., Шульга Е. А.

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»

Г.В. Леонтьева, С.А. Колесова, Е.А. Шульга

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ.
ХИМИЯ И БИОГЕННЫЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕМЕНТОВ VА И VIА ГРУПП

Утверждено
Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия

Издательство
Пермского государственного технического университета
2008
УДК 546.22(057)
Л47

Рецензенты:
доктор химических наук, профессор С.А. Онорин
(Научно-производственное предприятие «Старт»);
кандидат химических наук, доцент Н.Б. Ходяшев
(Пермский государственный технический университет)

Леонтьева, Г.В.
Л47 Общая и неорганическая химия. Химия и биогенные свойст-
ва элементов VA и VIA групп: учеб. пособие / Г.В. Леонтьева,
С.А. Колесова, Е.А. Шульга. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн.
ун-та, 2008. – 148 с.
ISBN 978-5-88151-961-2
Представлены теоретические сведения о химических и биогенных свой-
ствах элементов подгрупп азота и серы, соединениях этих элементов, индиви-
дуальные задания для экспериментальных лабораторных работ, индивидуаль-
ные задания для самостоятельной работы и справочные материалы.
Предназначено для студентов специальностей химического профиля, ме-
талловедов и экологов, изучающих курс «Неорганическая химия».
УДК 546.22(057)

Издано в рамках приоритетного национального проекта «Образование»
по программе Пермского государственного технического университета
«Создание инновационной системы формирования профессиональных компе-
тенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопро-
фильного технического университета»

ISBN 978-5-88151-961-2 © ГОУ ВПО «Пермский государственный
технический университет», 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ....................................................................................... 4
1. БИОГЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ БИОМАССЫ......................... 6
2. ЭЛЕМЕНТЫ VA ГРУППЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ................... 20
2.1. Общая характеристика элементов VА группы
и закономерности в изменении их свойств................................ 20
2.2. Свойства простых веществ................................................... 22
2.3. Химические свойства азота, фосфора
и их соединений............................................................................ 23
2.4. Свойства мышьяка, сурьмы, висмута
и их соединений............................................................................ 37
Индивидуальные лабораторные работы................................... 41
Задания для самостоятельной работы..................................... 65
Тесты. V А группа......................................................................... 72
3. ЭЛЕМЕНТЫ VIA ГРУППЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ.................. 83
3.1. Положение элементов VIA группы в периодической
системе и общие закономерности изменения их свойств........ 83
3.2. Химические свойства серы, селена и теллура
в свободном состоянии................................................................ 85
3.3. Соединения серы, селена и теллура и их свойства............. 86
Индивидуальные лабораторные работы................................... 94
Задания для самостоятельной работы..................................... 122
Тесты. VI А группа....................................................................... 130
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ........................... 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.............................................................................. 139
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.............................................................................. 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.............................................................................. 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.............................................................................. 145

3
ВВЕДЕНИЕ
Курс общей и неорганической химии призван дать базовую хи-
мическую подготовку будущим специалистам в области химиче-
ской технологии и биотехнологии. Однако отрасли промышленно-
сти, в которых предстоит трудиться выпускникам, существенно
различаются по типам используемого сырья, технологическим про-
цессам его переработки и видам получаемой продукции. Все это
приходится учитывать при подготовке специалистов по новому на-
правлению «Технологии биотоплива».
Необычным представляется использование сырья возобновляе-
мого типа, такого, например, как различные виды растительности,
микроводоросли. Если традиционные ископаемые виды топлива
представляют собой в основном углеводороды, то растительные
и животные виды сырья – углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.
Их химический состав, структура, свойства имеют свои особенности.
Существенно различны процессы получения моторных топлив
из нефти и биомассы. В основе переработки нефти лежит физико-
химический процесс – прямая перегонка. Последующий процесс –
вторичная переработка нефти – хотя и включает крекинг, пиролиз
и изомеризацию углеводородов, но не изменяет их химическую
природу. При переработке биомассы в различные виды топлива
происходит существенное изменение химической природы веществ.
Так, углеводы превращаются в спирты или газообразный водород,
и основой таких процессов является ферментативный катализ. Как
правило, они протекают с участием микроорганизмов или заранее
выделенных ферментов. Некоторые из них существуют в природ-
ных условиях, другие получены с помощью методов генной инже-
нерии (рекомбинантные виды).
Полученные из биомассы топлива также представляются не-
обычными по химическому составу. Преимущественно это спирты
(метанол, этанол, бутанол), сложные эфиры жирных кислот (метило-
вые и этиловые эфиры), газообразные продукты (СО, Н , СН и др.).
2 4
Авторы данного учебного пособия исходят из того, что химиче-
ский курс, лежащий в основе фундаментального образования спе-
4
циалистов, не должен существенно изменяться в зависимости от спе-
циальности их подготовки. Однако при изложении основ химии не-
обходимо обязательно учитывать связь теоретического материала
с практическими задачами, которые потребуется решать специалисту
в его профессиональной деятельности. Поэтому в пособии основное
внимание уделено биогенным химическим элементам, которые опре-
деляют природу как биомассы, так и получаемых из нее продуктов.
Учебное пособие выполнено по плану реализации инновацион-
ной образовательной программы в рамках научно-образовательного
комплекса «Наукоемкие технологии переработки нефти и газа»
с учетом современных путей решения топливной проблемы.
5
1. БИОГЕННЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ БИОМАССЫ
Основой производства биотоплива является биомасса, которая
представлена веществами растительного и животного происхожде-
ния. В состав биомассы входят многие химические элементы, но
преимущественно биогенные, т.е. способные участвовать в образо-
вании веществ живых организмов. Изучение биологического значе-
ния химических элементов земной коры показало, что геохимиче-
ские процессы и эволюция элементного состава населяющих нашу
планету животных и растительных организмов являются сопряжен-
ными процессами. В то же время анализ элементного состава всех
известных видов организмов свидетельствует, что все живое прояв-
ляет избирательное отношение к окружающей среде и извлекает из
оболочек Земли (литосферы, гидросферы и атмосферы), как прави-
ло, определенную группу элементов, которые относят к биогенным.
Об этом свидетельствует разительное отличие элементного состава
животных и растительных организмов (и в том числе человека) от
общего набора элементов, которые входят, например, в состав зем-
ной коры и поэтому вполне доступны для живых систем.
В земной коре в наибольших количествах содержатся кислород
(62,55 %), кремний (22,32 %), алюминий (6,47 %). Однако далеко не они
определяют состав живых систем. Из общего числа химических элемен-
тов периодической системы всего лишь шесть используются для по-
строения подавляющего количества биологически значимых молекул:
углерод С, кислород О, водород Н, азот N, фосфор Р и сера S.
Еще 16 микроэлементов присутствуют в клетках в различных
количествах и соотношениях. К ним относятся: железо Fe, медь Сu,
цинк Zn, марганец Мn, кобальт Со, йод I, молибден Мо, ванадий V,
никель Ni, хром Сr, фтор F, селен Sе, кремний Si, олово Sn, бор В,
мышьяк As. Пять элементов представлены в виде определенных ио-
нов: натрий Na+, калий K+, магний Мg2+, кальций Са2+, хлор Сl–. Ка-
ков бы ни был принцип отбора химических элементов для процессов
жизнедеятельности, он не связан с их распространенностью в приро-
де. Например, из галогенов только хлор и йод выбраны природой для
6
живых систем, хотя фтор и бром обладают не меньшей доступно-
стью. По-видимому, в основу отбора положены требования биохи-
мии и микробиологии. Например, шесть основных биоэлементов
имеют набор свойств, достаточный для молекул живой клетки.
Из шести основных биоэлементов наибольшее значение имеет
углерод.
Характерной особенностью атомов углерода является способ-
ность образовывать углеродные цепи любого размера и конфигура-
ции. Три из четырех валентностей углерода могут участвовать
в образовании трехмерного скелета, а четвертая – связывать ту или
иную функциональную группу. Соединения, образованные на осно-
ве углерода, называются органическими. У них есть ряд общих
свойств, имеющих большое значение для живой материи.
Органические соединения характеризуются огромным разнооб-
разием углеродных цепей и функциональных групп и играют важ-
ную роль в процессах жизнедеятельности.
Следует отметить, что углерод, водород, азот и кислород легко
реагируют друг с другом, образуют ковалентные связи, как одинар-
ные, так и кратные, и поэтому являются основой самых разнообраз-
ных соединений. Так как прочность ковалентных связей обратно
пропорциональна атомным массам связанных с их помощью ато-
мов, то именно эти (легкие) элементы особенно прочно связывают-
ся друг с другом. Небольшие размеры их атомов позволяют создать
плотные компактные молекулы, устойчивые к воздействию хими-
ческих веществ окружающей среды. В свою очередь, фосфор и сера
обладают крайне важным качеством – способностью образовывать
макроэргические соединения, при расщеплении которых выделяет-
ся повышенное количество энергии.
Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, а также особой
группы богатых энергией соединений (аденозинтрифосфат и др.).
Сера в основном содержится в серосодержащих аминокислотах.
Азот, фосфор, сера выполняют важную биологическую функ-
цию при формировании биомассы, они способны наряду с малорас-
творимыми соединениями образовывать водорастворимые и газо-
образные.
7
Из-за высокой стабильности молекулярного азота большинство
живых существ не способны усваивать его из атмосферы. Однако азот –
необходимый компонент аминокислот, белков и нуклеиновых кислот.
Процесс усвоения газообразного азота называется фиксацией азота.
Этот процесс в природе совершается двумя путями (рис. 1).

Рис. 1. Круговорот азота в природе
Основной путь усвоения атмосферного азота – это усвоение
в процессе жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий
в симбиозе с бобовыми растениями, а также сине-зеленых
и пурпурных водорослей. Эти микроорганизмы превращают моле-
кулярный азот в аммиак или ионы NH + под действием фермента
4
нитрогеназы, использующего энергию гидролиза АТФ:
12 АТФ → 12 АДФ + 12Ф
N + 6е– + 6H+ нитрогеназа→ 2NH
2(г) (p) 3(г)
Образующийся аммиак в результате жизнедеятельности нитри-
фицирующих бактерий окисляется под действием кислорода
8
и фермента нитрогеноксидазы в нитраты, которые легко усваивают-
ся корнями растений из почвы:
2NH + 4O нитрогеноксидаза→ 2NO – + 2H O + 2H+
3 2 3 2
По другому пути фиксация азота происходит во время грозы,
когда при электрическом разряде (молния) происходит взаимодей-
ствие атмосферных азота и кислорода и образуются нитраты, кото-
рые с дождевой водой попадают в почву и водоемы:
N + O молния→ 2NO; 2NO + O = 2NO ;
2 2 2 2
4NO + 2H O + O = 4HNO
2 2 2 3
Растения усваивают нитраты, восстанавливая их с помощью
нитратредуктазы в ионы аммония:
NO – + 10H+ + 8e– NH + + 3H O
3 4 2
Ионы аммония в растениях благодаря реакции восстановитель-
ного аминирования образуют глутаминовую кислоту. На базе этой
аминокислоты в результате реакции трансаминирования получают-
ся остальные девятнадцать α-аминокислот, используемых для син-
теза необходимых азотсодержащих биосубстратов: белков, нуклеи-
новых кислот и других веществ.
Животные используют растения как источник азотсодержащих
биосубстратов, из которых они синтезируют свои белки и нуклеи-
новые кислоты. После гибели и последующего разложения расти-
тельных и животных организмов из них образуются аммиак и соли
аммония. На этом замыкается малый цикл в круговороте азота.
Большой цикл в круговороте азота замыкается в результате жизне-
деятельности денитрифицирующих анаэробных бактерий почвы,
которые восстанавливают нитраты под действием фермента нитро-
тазы до элементарного азота, который возвращается в атмосферу:
2NO – + 12H + + 10e– нитротаза→N + 6H O
3 2 2
Таким образом, круговорот азота осуществляется благодаря
жизнедеятельности различных микроорганизмов, растений и жи-
вотных.
9
Во всех азотсодержащих соединениях – метаболитах – атом азота
связан с атомами менее электроотрицательных элементов Н и С и име-
ет степень окисления –3. Атом азота в природных соединениях обычно
образует три ковалентные связи, т.е. его валентность равна трем. Толь-
ко в катионах этих соединений, где положительный заряд сосредото-
чен на атомах азота, его валентность равна четырем, причем четвертая
связь возникает за счет неподеленной электронной пары атома азота
по донорно-акцепторному механизму.
Донорная способность резко изменяется в зависимости от ха-
рактера атомной орбитали, которую занимает неподеленная элек-
тронная пара, т.е. определяется электронным состоянием атома азо-
та. Для атома азота может быть реализовано пять различных элек-
тронных состояний (рис. 2).

Рис. 2. Электронные состояния атома азота в его соединениях
Атом азота в электронном состоянии sp3 называется тетраэдри-
ческим азотом. В этом состоянии неподеленная пара электронов
атомов азота находится на гибридной sp3-орбитали, поэтому ее под-
вижность велика. Это позволяет атому азота активно образовывать
еще одну четвертую связь по донорно-акцепторному механизму.
Такие свойства характерны для атома азота в аммиаке, алифатиче-
ских аминах и их производных – α-аминокислотах:

10