3 группа (ЗВ подгруппа) (+лантаноиды и актиноиды)

19 Июня в 17:15 4196 0


Третья группа содержит элементов больше, чем все остальные группы Периодической системы. В частности, в нее входят Sc, Y, La, Ас (табл. 1 и 2). К этой группе относятся также 14 элементов №№ 58—71 в 6 периоде, объединяемых в семейство лантаноидов («лантанидов»), а также 14 элементов №№ 90-103 в 7 периоде, объединяемых в семейство актиноидов («актинидов»).

Таблица 1. Некоторые физические и химические свойства металлов 3 группы


Название

Ат. №

Относит, ат. масса

Электронная формула

Радиус, пм

Основные изотопы (%)

Sc

Скандий Scandium [от лат. Scandia Скандинавия]

21

44,9559

[Ar]3d14s2

Sc3- 83, атомный 160,6, ковалентный 144

45Sc*(100)

Y

Иттрий Yttrium [по названию минерала иттербита, Швеция]

39

88,9059

[Kr]4d15s2

Y3+ 106, атомный 181, ковалентный 162

89Y* (100)

La

Лантан Lanthanum [от греч. Lanthanein — скрываться]

57

138,9055

[Xe]5d16s2

La3+ 122, атомный 187,7, ковалентный 169

138La (0,09)

139La* (99,91)

Ac

Актиний Actinium [от греч. Aktinos — луч]

89

(227)

[Rn]6d17s2

Ас3+ 118, атомный 187,8

227Ас* (следы)

228Ac (следы)

Промышленное применение элементов этой группы постоянно расширяется, что характерно для наступившей эпохи нанотехнологии. Эти элементы используют в оптической промышленности, лазерной технике, ракетной и космической технике, ядерной энергетике, катализе, производстве обычной и сверхпроводящей керамики, красок, пигментов. В медицине радиоактивные лантаноиды используют для диагностики заболеваний ЖКТ Таким образом, по мере развития техники риск интоксикации элементами 3 группы увеличивается.

Таблица 2. Содержание в организме, токсическая (ТД) и летальная дозы (ЛД) металлов 3 группы


В земной коре (%)

В океане (%)

В человеческом организме

ТД,ЛД

Среднее (при массе тела 70 кг)

Кости (%)

Мышцы (%)

Кровь (мг/л)

Sc

16x10-4

(3,6-8,8)х10-11

нд

1x10-7

нд

0,008

малотоксичен

Y

3x10-3

9x10-10

нд

7x10-6

2x10-6

0,0047

малотоксичен

La

32x10-4

(1,8-6,9)х10-10

нд

<8х10-6

4x10-8

нд

ТД - нд, ЛД 720 мг (для крыс)

Ac

следы

нд

0

нд

нд

нд

нд, токсичен из-за радиоактивности

Скандий (Sc) — Зd-элемент. Д.И. Менделеев предсказал его свойства и назвал его «экабором». Примесь 0,1-0,3% Sc увеличивает прочность и теплостойкость алюминиевых сплавов в 3-4 раза, причём они приобретают способность к свариванию. Эти сплавы широко используют в конструировании самолётов, ракет, скоростных поездов и автомобилей. Из-за радиационной стойкости их применяют в строительстве атомных реакторов. Трубы из Al-Mg-Sc сплава очень коррозионностойкие, в несколько раз легче и дешевле стальных.

Sc считают малотоксичным, но предполагают канцерогенность. Стабильный изотоп 45 используют в ЯМР-исследованиях.

Иттрий (Y) — 4d-элемент — считают малотоксичным, хотя предполагают его канцерогенность. Стабильный изотоп 89Y используют в ЯМР-исследованиях. В промышленности его применяют в люминофорах для цветного телевидения, в специальных сплавах, сверхпроводниках и рентгеновских фильтрах.

Лантан (La) — 5f-элемент — считают малотоксичным. Стабильный изотоп 139La используют в ЯМР-исследованиях и как биологическую метку для Са. В промышленности лантан используют при варке оптических стекол. La — первый элемент группы, содержащей 15 элементов (№№ 57-71).

Лантаноиды («следующие за лантаном») называют «редкоземельными» элементами, хотя их содержание в природе достаточно велико: даже у наиболее редкого из них (тулия Тт) оно выше, чем у Вi, Cd, Hg. Широкое использование этих металлов в промышленности является базовым признаком развитого государства.

Все они являются металлами серебристо-белого цвета. Лантаноидам свойствен феномен «лантанидного сжатия», то есть уменьшения атомных и ионных радиусов от La к Lu. Объясняется оно тем, что слабо экранирующие f-электроны расположены близко к ядру. По мере увеличения заряда они притягиваются к нему сильнее, «сжимаются».

Некоторые исследователи выделяют 2 подсемейства лантаноидов: 8 легких элементов от La до Gd образуют подсемейство церия Се, 7 тяжелых (от Тb до Lu) образуют подсемейство тербия. Различаются эти подсемейства по кинетике прохождения элементов через организм, причем различие может достигать 40%. Обусловлено оно более сильными щелочными свойствами гидроксидов легких элементов по сравнению с тяжелыми. В целом по биокинетике лантаноиды сходны с элементами подгруппы ЗА (Al, Ga), относимыми к 13 группе.

Все лантаноиды образуют координационные соединения с легко изменяемыми степенями окисления от +1 до +7, но наиболее характерны для них трехвалентные ионы. КС лантаноидов с органическими лигандами токсичны. При попадании в организм солей они быстро образуют труднорастворимые соединения, в основном — фосфаты и гидроксиды, поэтому всасываются из ЖКТ и дыхательных путей слабо. Депонируются лантаноиды, в основном, в печени и костях скелета. Однако в виде комплексных соединений с лимонной, молочной кислотами и с ЭДТА они быстро всасываются и откладываются в костях и тканях. Выводятся лантаноиды очень медленно, в течение нескольких лет.

Биологическая активность лантаноидов зависит от способности их ионов конкурировать с ионами 3d-переходных металлов (Мп, Со, Си, Zn), а также с Mg и Са. Это обусловлено сходством ионных радиусов; однако константы устойчивости у лантаноидов выше. Из-за замены ионов эссенциальных элементов при попадании в организм лантаноиды ингибируют ферменты обмена Са, АТФ, АДФ, нуклеиновые кислоты (НК), что вызывает нарушение энергетического статуса и обмена нуклеиновых кислот. В крови лантаноиды практически полностью связываются белками, вызывая нарушения их обмена. Органом-мишенью для них является печень, в частности, ее митохондриальная система. Гистологически в ткани печени развивается жировая дегенерация, в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) увеличивается количество цистерн, происходит распад рибосом.

Опишем остальные 14 лантаноидов:

Церий (Се) № 58 — назван в честь малой планеты Цецера. Металл с высокой реакционной способностью. Наиболее широко распространен из элементов семейства. Применяется в производстве стекол, керамики и сплавов.

Празеодим (Рr) № 59 (от греч. prasios didymos — «зеленый близнец») — мягкий ковкий металл. Используется в сплавах для получения постоянных магнитов, в оптических стеклах.

Неодим (Nd) № 60 (от греч. neos didymos — «новый близнец») — применяется в сплавах для получения постоянных магнитов, в оптических стеклах и глазури. Сплавы с Ge, Sc, Си и Gd являются основой лазерной техники и производства ЭВМ нового поколения.

Прометий (Рт) № 61 (от греч. имени Прометей) — радиоактивный металл. Применяется в миниатюрных специальных батареях.

Самарий (Sm) № 62 — от названия минерала «самарскит». Используется для получения постоянных магнитов, органических реагентов, специальных стекол, катализаторов, керамики и в электронике.

Европий (Еu) № 63 — назван в честь Европы. Редкий и наиболее реакционно-способный, мягкий металл. Применяется для изготовления сверхпроводящих пленок.

Гадолиний (Gd) № 64 — назван в честь финского химика Ю. Гадолина. Применяется в производстве магнитов, огнеупоров, в электронике, для нейтронной радиографии, в сплавах для изготовления магнитооптических регистрирующих устройств, в лазерной технике.

Тербий (Тb) № 65 — от названия минерала «иттербита». Встречается реже большинства лантаноидов. Применяется в твердотельных устройствах и лазерах.

Диспрозий (Dy) № 66 (от греческого dysprositos — «получаемый с трудом») — реакционноспособный, твердый металл, бурно реагирующий с водой. Применяется в сплавах для изготовления магнитов.

Гольмий (Но) № 67 (от латинского Holmia — Стокгольм) — применяется для концентрирования шлаков в высоких магнитных полях.

Эрбий (Еr) № 68 - назван в честь города Иттерби (Швеция). В сплаве с титаном применяется для изготовления стекол, поглощающих ИК-излучение.

Тулий (Тт) № 69 (назван в честь Thule — древнее название Скандинавии) — наиболее редкий из лантаноидов, радиоактивен. Применяется иногда в качестве источника радиации в портативном рентгеновском оборудовании.

Иттербий (Yb) № 70 (назван, как и Тb, от названия минерала «иттербита») — находит применение в датчиках нормального напряжения.

Лютеций (Lu) № 71 (от латинского Lutetia — Париж) — очень твердый и очень тяжелый редкий металл. Применяется лишь в научных исследованиях.

Актиний (Ас) — 6f-элемент — считается токсичным из-за радиоактивности, хотя в естественном виде в природе не встречается.

Следующие 14 элементов 7 периода — актиноиды («следующие за актинием») — обладают сходными свойствами. Все они, как и их изотопы, радиоактивны. Поэтому их действие на организм определяется главным образом ионизирующим излучением. Однако при острых отравлениях получаемыми в относительно больших количествах изотопами 232Th, 238U, 237Np, 238Ри, которые обладают относительно невысокой радиоактивностью и длительными периодами полураспада, повреждающее действие в основном обусловлено не радиацией, а химической токсичностью.

Близость энергетических уровней 5f, 6d и 7s подоболочек обусловливает большее, чем у лантаноидов, количество степеней окисления. Наиболее распространены 3-валентные ионы, но для Th и Ри характерны 4-валентные ионы, для Np — 5-валентные, для U — 6-валентные. Как и лантаноиды, актиноиды легко образуют комплексные соединения, особенно с карбонатами и фосфатами. В различных степенях окисления они, подобно лантаноидам, связываются с белками крови. Токсическое действие обоих семейств также сходное. При отравлениях поражаются печень, почки. В печени нарушается трансмембранный транспорт, разрушаются лизосомы, происходит гидролиз гепатоцитов. В почках повреждаются нефроны. Мишенью актиноидов являются поверхностные слои костной ткани, поскольку из-за больших размеров ионов они не могут проникнуть внутрь кости и заместить там Са. Поверхностные слои частично сорбируют комплексы элементов с трансферрином крови, частично связывают элементы с гидроксилапатитом, образуя прочные комплексы. Однако значительная часть этих комплексов подвергается резорбции и вновь поступает в кровь. Поэтому выведение элементов из организма происходит двухфазно.

Перечислим остальные 14 актиноидов:

Торий (Th) № 90 (назван по имени Тора — скандинавского бога войны) — тяжёлый слаборадиоактивный; чистый металл мягок и пластичен, но сплавы могут быть очень твердыми, например, с Mg. Используется в светопреломляющих материалах, ядерных топливных элементах, непроницаемых для газов оболочках. Известно 30 изотопов металла. Чётно-четный изотоп (четное число протонов и нейтронов) 232Th не способен делиться тепловыми нейтронами и быть ядерным горючим. Но при захвате теплового нейтрона он превращается в 233U по схеме: 232Th + n → 233Th — (β-) → 233Ра — (β-) → 233U. Последний способен к делению подобно 235U и 239Ри, что очень перспективно для развития атомной энергетики (уран-ториевый топливный цикл). Такой цикл даёт намного меньше радиоактивных отходов, чем обычный урановый реактор. Поскольку общие запасы Th в 3-4 раза превышают запасы U в земной коре, атомная энергетика при использовании Th сможет на сотни лет обеспечить энергопотребление человечества.

Протактиний (Ра) № 91 (от греческого protos — первый) — содержится в урановом ядерном топливе, в промышленности применяется мало.

Уран (U) № 92 (назван в честь планеты Уран) — ковкий, пластичный металл. Используется как ядерное топливо в реакторах, а изотоп 235U — для создания ядерного оружия. Характерная степень окисления в соединениях +6. Образует соли типа UO2(NO3)2 С уранил-ионами UO22+ могут связываться оксофосфатные группы ДНК и АТФ, альбумин, глобулины и трансферрин крови. При этом у АТФ, глицерофосфатов и других фосфорилированных метаболитов легко отщепляются фосфатные группы, что приводит к резкому снижению трансмембранного транспорта. Полимерные гидроксиды выводятся из организма лейкоцитами и ретикулоэндотелиальными клетками печени, селезенки и почек; лизосомы этих клеток разрушаются из-за радиоактивности актиноидов. Из поврежденных органелл выделяются гидролазы, поэтому в печени развивается автолиз гепатоцитов. Метаболизация урана в организме происходит по тем же механизмам, что и лантаноидов.

Элементы с атомными номерами 93 и больше (трансурановые элементы) в природе не встречаются. Их получают искусственно при помощи ядерных реакций. Первые два получены в результате бомбардировки 238U нейтронами. Образованный 239U распадается, испуская β-излучение и образуя 239Np. Последний распадается с испусканием β-излучения и образованием 239Ри.

Нептуний (Np) № 93 (назван в честь планеты Нептун) — получают из уранового ядерного топлива.

Плутоний (Ри) № 94 (назван в честь планеты Плутон) — получают из уранового ядерного топлива. Используется как компактный источник энергии, ядерного топлива и в производстве ядерного оружия.

Америций (Ат) № 95 (от названия континента America) — получают при нейтронной бомбардировке 239Ри.

Кюрий (Cm) № 96 (назван в честь Пьера и Марии Кюри) — получают при нейтронной бомбардировке 239Ри в виде 242Cm и 244Ст.

Берклий (Bk) № 97 (от названия английского университета Berkeley) — получается при нейтронной бомбардировке 239Ри в виде 249Bk.

Калифорний (Cf) № 98 (от названия штата California) — получается при нейтронной бомбардировке 239Ри в виде 249Cf и 252Сf. Последний изотоп используют для лучевой терапии рака.

Большинство элементов с атомными номерами 99 и выше были получены с помощью тяжелых бомбардирующих частиц, например, 12С или 14N.

Эйнштейний (Es) № 99 (назван в честь Альберта Эйнштейна) — получают при бомбардировке 238U ядрами 14N в виде 248Es.

Фермий (Fm) № 100 (назван в честь Энрико Ферми) — представляет лишь чисто научный интерес.

Менделевий (Md) № 101 (назван в честь Дмитрия Менделеева) — получен в количестве нескольких атомов при бомбардировке 253Es α-частицами [4He].

Нобелий (No) № 102 (назван в честь Альфреда Нобеля) — получен в количестве нескольких атомов при бомбардировке 246Ст ядрами 12C.

Лоуренсий (Lr) № 103 (назван в честь Эрнеста О. Лоуренса) — получен в количестве нескольких атомов при бомбардировке 252Cf ядрами 11В.

Искусственно получены еще несколько трансурановых элементов. По сложившейся практике их помещают в ряд актиноидов, хотя многие химические и физические свойства этих элементов из-за малого количества их атомов неизвестны.

Курчатовий (Ки) № 104 — изотоп 260 получен в 1964 г. в Дубне и назван в честь Игоря Курчатова. Изотоп 257 наблюдали в 1969 г. и назвали его в честь Э. Резерфорда rutherfordium. ИЮПАК предложил называть этот элемент unnilquadium (un-nil-quadium — от греч. и лат. обозначений 1-0-4). Получен в количестве нескольких тысяч атомов при бомбардировке 249Cf ядрами 12С.

Нильсборий (Ns) № 105 — изотопы 260 и 261 получены в 1967 г. в Дубне. В 1970 г. изотоп 260 наблюдали в Беркли и предложили называть его hahniит в честь Отто Гана. ИЮПАК предложил называть его unnilpentium (un-nil-pentium — от греч. и лат. обозначений 1-0-5). Получен в количестве нескольких атомов при бомбардировке 249Сf ядрами 15N.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74142 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19363 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17166 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы