Материал: полезная метода

Рисунок 1. Структурная формула диборана. Схема распределения электронов по орбиталям в трехцентровых связях дибоана

Соединения бора с азотом (1:1) оказываются аналогами углерода. Вещество состава BN (нитрид бора) существует в двух модификациях: “белый графит” и “боразон” или “эльбор”, по твердости равный алмазу. Совершенно одинаковы и соответствующие кристаллические решетки веществ, только у нитрида бора каждые два атома углерода заменены парой атомов азота и бора. Боразон сохраняет свою твердость при температуре до 20000С, алмаз на воздухе сгорает при 8000С. Особенно интересными оказались свойства соединения B3N3H6. Вещество, названное боразолом, – электронный и химический аналог бензола.

3 B2H6 + 6 NH3 → 2 B3N3H6 + 12 H2

Гидроксид бора (борная кислота) проявляет свойства слабой кислоты (К = 6·10-10), причем не из-за отщепления протонов, а благодаря присоединению гидроксида:

B(OH)3 + H2O ↔ [B(OH)4]– + H+

Борная кислота легко образует эфиры со спиртами, причем с диолами – даже в водных растворах.

Na2B4O7 + 2H2SO4 + 12C2H5OH = 4B(C2H5O)3 + 2NaHSO4 + 7H2O

Наиболее широко применяется натриевая соль – бура (декагидрат тетрабората натрия):

4 H3BO3 + 2 NaOH + 3 H2O = Na2B4O7·10H2O

Для бора характерны также соединения с мостиковыми пероксидными связями, например пероксоборат Na2B2O6·2H2O. В его кристаллах есть анионы: [B2(O2)2(OH)4]2– . Технический продукт содержит до 10,4% “активного кислорода”, определяемого, как и в пероксиде водорода. На основе пероксоборатов производят отбеливатели, “не содержащие хлор”, типа “персиль”, “персоль” и др.

Алюминий – серебристо-белый металл с Тпл 6600С. Промышленный способ получения алюминия - электролизом расплава – разработан в 1886 г.. Металлический алюминий используют для тонких отражающих покрытий (оптические зеркала, теплоизолирующие полимерные пленки), в пленочных и электролитических конденсаторах, в качестве важнейшего компонента твердых ракетных топлив (до 20%), для электрических проводов, как конструкционный материал, прежде всего в авиации. Работающий на околоземной орбите телескоп-рефлектор “Хаббл” массой более 12 т использует главное стеклянное зеркало диаметром 2,4 м, покрытое слоем алюминия толщиной 7·10–6 см (70 нм), с защитным слоем фторида магния толщиной 25 нм. Металлический индий также используют для производства зеркал. На воздухе алюминий быстро покрывается пленкой оксида толщиной 10–5 мм, предохраняющей его от дальнейшего окисления. Однако в кислых и щелочных водных растворах, не

241

содержащих кислорода, алюминий реагирует с водой как весьма активный металл.

Кислота или щелочь нужна в начале процесса для растворения оксидной пленки, однако, реакции идут с трудом:

Al2O3 + 6 HCl = 2 AlCl3 + 3 H2O

Al2O3 + 6 NaOH + 3 H2O = 2 Na3[Al(OH)6]

Алюминий реагирует с кислотой и щелочью как амфотерный металл и с водой – как активный металл (стандартный потенциал -1,66 В):

Al + 3 HCl = AlCl3 + 1,5 H2

Al + 3 NaOH + 3 H2O = Na3[Al(OH)6] + 1,5 H2 Al + 3 H2O = Al(OH)3 + 1,5 H2

Эту особенность нужно учитывать при использовании алюминия для получения водорода – обычно реакция начинается не сразу, но не прекращается и при израсходовании кислоты или щелочи в растворе, реакционный сосуд разогревается, жидкость вспенивается из-за образования объемистого осадка гидроксида.

Благодаря высокой энтальпии образования оксида Al2O3 (–1676 кДж/моль) металлический алюминий реагирует с оксидами многих металлов, например:

Методом алюмотермии производят хром, ванадий, марганец, другие металлы. В органической химии широко используют в качестве катализаторов галогениды алюминия. Это легколетучие (кроме фторида) соединения (хлорид алюминия возгоняется уже при 1800С), бурно реагирующие с водой, поскольку заменяется окружение атома алюминия:

Al2Cl6 + 6 H2O = 2 [Al(H2O)6]Cl3 + Q

В парах и органических растворителях хлориды, бромиды и иодиды алюминия существуют в виде димеров с мостиковыми галогенами (см. выше диборан). Одно из распространенных соединений алюминия – боксит Al(OH)3. Растворимость его является функцией рН. При значениях рН < 4,5 в растворе преобладают ионы Al3+, при рН 5-6 в растворе

преобладают ионы Al(OH)2+, при рН > 7 в растворе преобладают ионы

Al(OH)4–.

242

AlCl3 + H2

HCl(p)

§2. Биологическая роль элементов III А-группа и применение их соединений в медицине и фармации

В IIIА-группу периодической системы элементов Д.И.Менделеева входят бор, алюминий, галлий, индий и таллий. В заключение необходимо отметить, что биологическая роль р-элементов IIIА-группы изучена недостаточно. В настоящее время известно, что бор и галлий взаимодействуют в растениях с ингибиторами их развития полифенолами, уменьшая токсичность последних. Установлена также несомненная роль алюминия в построении эпителиальной и соединительной тканей, а кроме того, его участие в ферментативных процессах как в качестве активатора, так и в качестве ингибитора. Свойством ингибировать многие серосодержащие ферменты обладает ион Tl+. Биологическая активность р- элементов IIIA-группы связана главным образом с их способностью к образованию комплексных соединений с кислородсодержащими лигандами и нерастворимых фосфатов.

Бор. Бор относится к примесным микроэлементам, его массовая доля в организме человека составляет 10–5 %. Бор концентрируется главным образом в легких (0,34 мг), щитовидной железе (0,30 мг), селезенке (0,26 мг), печени, мозге (0,22 мг), почках, сердечной мышце (0,21 мг). Биологическое действие бора еще недостаточно изучено. Известно, что бор входит в состав зубов и костей, очевидно, в виде труднорастворимых солей борной кислоты с катионами металлов:

Избыток бора вреден для организма человека. Имеются данные, что большой избыток бора угнетает амилазы, протеиназы, уменьшает активность адреналина. Предполагается, что снижение активности адреналина, являющегося производным полифенола, связано с его взаимодействием с ортоборной кислотой.

243

Исследования, проведенные в последние годы, показали, что бор является необходимым элементом для некоторых животных. Установлено, что бор участвует в углеродно-фосфатном обмене, взаимодействует с рядом биологически активных соединений (углеводами, ферментами, витаминами, гормонами). Вместе с тем употребление пищевых продуктов с большим содержанием бора нарушает в организме обмен углеводов и белков, что приводит к возникновению эндемических кишечных заболеваний — энтеритов.

Ортоборную кислоту применяют в качестве антисептического средства. Высокая растворимость борной кислоты в липидах обеспечивает быстрое проникновение ее в клетки через липидные мембраны. В результате происходит свертывание белков (денатурация) цитоплазмы микроорганизмов и их гибель.

Как антисептик широко применяют и буру — кристаллогидрат натрия тетрабората Na2B4O7 10Н2О. Фармакологическое действие препарата обусловлено гидролизом соли с выделением борной кислоты:

Na2B4O7 + 7Н2О = 4Н3ВО3 + 2NaOH

Образующиеся щелочь и кислота вызывают свертывание белков микробных клеток.

Взубопротезировании борную кислоту Н3ВО3 используют в качестве наполнителя формы при отливке стальных зубов.

Всостав стоматологических паст, применяемых как клей-прослойка для зубных протезов, входит натрий метаборат NaBO2 в смеси с алюминием гидроксидом Аl(ОН)3.

Вводном растворе с многоатомными спиртами и полифенолами борная кислота реагирует по схеме (биологически важная реакция):

Алюминий. По содержанию в организме человека (10–5 %) алюминий относится к примесным микроэлементам. Алюминий концентрируется главным образом в сыворотке крови, легких, печени, костях, почках, ногтях, волосах, входит в структуру нервных оболочек мозга человека:

Суточное потребление алюминия человеком составляет 47 мг. Алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, влияет на обмен фосфора.

244

Алюминий оказывает воздействие на ферментативные процессы. В большинстве случаев катион A13+ замещает ионы Э2+— активаторы

ферментов Е, например ионы Mg2+, Ca2+:

Э2+Е + А13+ = Э2+ + А13+Е

Такая взаимозамещаемость возможна вследствие сходства ряда свойств ионов А13+ и Mg2+, Са2+. Например, ионы А13+ и Mg2+ имеют

близкие радиусы, одинаковые координационные числа — 6. Ионы А13+ и Са2+ имеют близкие энергии ионизации, одинаковые координационные числа — 6.

Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина, так как благодаря довольно высокой комплексообразующей способности алюминий блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветворении. Имеются данные, что алюминий может катализировать реакцию трансаминирования (перенос NH2-группы).

Алюминий оксид — составная часть зубоврачебных цементов — «цемента для фиксации несъемных протезов», силикатного цемента «силиции», применяемого для пломбирования зубов, фиксации одиночных коронок, мостов. При употреблении напитков (например, «фанта») и пищи с повышенной кислотностью такие цементы довольно быстро разрушаются.

Соли алюминия и кислородсодержащих кислот растворимы в воде. Исключение составляет алюминий фосфат А1РО4. Образование малорастворимого фосфата играет важную роль в жизнедеятельности организмов. Усвоение фосфора организмом уменьшается в присутствии катионов А13+ вследствие образования в кишечнике малорастворимого алюминий фосфата. Это обстоятельство необходимо учитывать при назначении препаратов алюминия, например средства против повышенной кислотности желудка А1(ОН)3.

Вжелудке алюминий гидроксид образует гель, который

нейтрализует оксоний-ионы желудочного сока:

А1 (ОН)3 + 3Н3О+ = А13+ + 6Н2О

Перешедшие в раствор ионы алюминия в кишечнике переходят в

малорастворимую форму — алюминий фосфат:

А13+ (р) +РО43– (р) = А1РО4 (т)

Из кристаллогидратов солей алюминия в медицинской практике находят применение калий-алюминий сульфат (квасцы алюмокалиевые) KAl(SO4)2 12H2O и жженые квасцы KA1(SO4)2, которые получают нагреванием алюмокалиевых квасцов при температуре не выше 433 К. Эти препараты обладают вяжущим действием.

Фармакологическое действие солей алюминия основано на том, что ионы А13+ образуют с белками (протеинами Рr) комплексы, выпадающие в виде гелей. Это приводит к гибели микробных клеток и снижает воспалительную реакцию.

245