SiO2 + 2 Mg = Si + 2 MgO,
SiO2 + 2 C = Si + 2 CO
или давать карборунд (SiC) SiO2 + 3 C = SiС + 2 CO.
При сплавлении SiO2 с оксидами металлов, щелочами и некоторыми солями образуются силикаты:
SiO2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + H2O,
SiO2 + K2CO3 = K2SiO3 + CO2 , SiO2 + CaO = CaSiO3.
Кислоты не действуют на SiO2. Исключением является фтористоводородная кислота:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O,
SiF4 + 2HF = H2[SiF6],
SiO2 + 6HF = H2[SiF6] + 2H2O.
Кремниевая кислота H2SiO3 - самая простая из семейства кремниевых кислот. Ее общая формула xSiO2·yH2O. Она может быть получена из силикатов
Na2SiO3 + 2 HCl = H2SiO3 + 2 NaCl.
При нагревании кремниевая кислота разлагается: H2SiO3 = SiO2 + H2O..
§5. Биологическая роль элементов IVA-группа и применение их соединений в медицине и фармации
IVA-группу периодической системы элементов Д. И. Менделеева составляют углерод, кремний, германий, олово, свинец. р-Элементы IVAгруппы резко различаются как по содержанию в организме человека, так и по биологической роли. Макроэлемент углерод играет основополагающую роль в жизнедеятельности организмов; микроэлемент кремний, вероятно, является жизненно необходимым; микроэлемент германий, возможно, выполняет некоторую физиологическую роль в организме, в то время как олово и в особенности свинец токсичны и являются примесными элементами. Следует отметить закономерность: токсичность соединений элементов IVA-группы с ростом атомной массы элемента возрастает.
Углерод. По содержанию в организме человека (21,15%) углерод относится к макроэлементам. Он входит в состав всех тканей и клеток в форме белков, жиров, углеводов, витаминов, гормонов:
С биологической точки зрения углерод является органогеном № 1. В медицине и фармации нашел применение активированный уголь.
Благодаря увеличенной пористости поверхности, активированный уголь обладает повышенной абсорбирующей способностью. Это свойство препарат помогает эффективно устранять признаки интоксикации организма. Его принимают чаще всего в случаях пищевых отравлений. Благодаря энтеросорбирующим и дезинтоксикационным качествам,
257
препарат успешно борется с ними. Уголь также по праву считается антидотом, так как способен в качестве противоядия адсорбировать яды и токсины из желудочно-кишечного тракта, до момента их всасывания. Уголь эффективен при алкогольных отравлениях, передозировки лекарственных средств, переизбытке тяжелых металлов, отравлений токсинами растительного, химического происхождения, в т. ч. фенолом и синильной кислотой. Полезно принимать угольные таблетки при лечении тяжелых вирусных, инфекционных заболеваний: дизентерии, холеры, брюшного тифа. В инструкции по применению активированного угля указываются положительные результаты в лечении хронических гастритов, колитов, острой, затяжной диареи. Интерес для медиков и биологов представляет углерод (II) оксид СО. Это соединение ядовито и чрезвычайно опасно, потому что не имеет запаха.
Углерод (II) оксид — угарный газ — продукт неполного окисления углерода. Как это ни парадоксально, одним из источников СО является сам человек, организм которого производит и выделяет во внешнюю среду (с выдыхаемым воздухом) за сутки около 10 мл СО. Это так называемый эндогенный углерод (II) оксид, который образуется в процессах кроветворения.
Проникая с воздухом в легкие, углерод (II) оксид быстро проходит через альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окисленным НЬО2, так и с восстановленным гемоглобином Нb:
Образующийся карбонилгемоглобин НbСО не способен присоединять к себе кислород. Вследствие этого становится невозможным перенос кислорода от легких к тканям.
Высокое химическое сродство углерода (II) оксида СО к двухвалентному железу является основной причиной взаимодействия СО с гемоглобином. Можно полагать, что и другие бионеорганические соединения, содержащие ионы Fe2+, должны реагировать с этим ядом.
Так как реакция взаимодействия оксигемоглобина с угарным газом обратима, то повышение в дыхательной среде парциального давления О2 будет ускорять диссоциацию карбонилгемоглобина и выделение СО из организма (равновесие смещается влево по принципу Ле Шателье):
В настоящее время имеются лечебные препараты, которые используют в качестве антидотов при отравлении организма углеродом (II) оксидом. Например, введение восстановленного железа резко ускоряет удаление СО из организма в виде, очевидно, карбонила железа. Действие
258
этого препарата основано на способности СО выступать в качестве лиганда в различных комплексах.
Так как при гидролизе карбонатов и водородкарбонатов получается щелочная среда, эти соединения применяют в медицинской практике в качестве антацидных (нейтрализующих кислоты) средств при повышенной кислотности желудочного сока. К ним относятся натрий водородкарбонат NaHCO3 и кальций карбонат СаСО3:
NаНСО3 + НС1 = NaCl + Н2О + СО2 СаСО3 + 2HCl = CaCl2 + Н2О + СО2
Кремний. По содержанию в организме человека (10–3 %) кремний относится к примесным микроэлементам. Больше всего кремния в печени, надпочечниках, волосах, хрусталике.
Так как природный кремний диоксид плохо растворим в воде, то в организм человека он попадает не столько через пищеварительный тракт, сколько воздушным путем через легкие в виде пылеобразного SiO2:
С нарушением обмена кремния связывают возникновение гипертонии, ревматизма, язвы, малокровия.
Недавно было установлено, что кремний содержится в коже, хрящах, связках млекопитающих и входит в состав мукополисахаридов, где прочно связан эфирными связями, возникающими при взаимодействии ортокремниевой кислоты с гидроксильными группами углеводов:
Вотличие от углерода в составе биомолекул кремний связан только с атомами кислорода (связь Si—О), так как энергия этой связи существенно выше энергии связей Si—Н, Si—С, Si—S и т. д.
Вмедицинской практике применяют кремний (IV) карбид SiC — карборунд для шлифовки пломб и пластмассовых протезов. Кремний диоксид SiO2 входит в состав силикатных цементов.
Необходимо отметить, что пыль, состоящая из частиц угля, кремния диоксида SiO2 и алюминия, при систематическом воздействии на легкие вызывает заболевание — пневмокониозы. При действии угольной пыли — это антракоз — профессиональное заболевание шахтеров. При вдыхании пыли, содержащей SiO2, возникает силикоз, при действии алюминиевой пыли — алюминоз. Механизм развития пневмокониозов во многом неясен. Предполагается, что при длительном контакте силикатных песчинок с биологическими жидкостями образуется гелеобразная поликремниевая кислота, отложение которой в клетках ведет к их гибели.
Всиликатный цемент, содержащий SiO2, добавляется жидкость, которая представляет собой водный раствор ортофосфор-ной кислоты Н3РО4, частично нейтрализованный цинком оксидом ZnO и алюминием
259
гидроксидом Аl(ОН)3. Процесс «схватывания» силикат-цемента начинается с разложения порошка ортофосфорной кислотой с образованием коллоидных растворов алюминий фосфата и кремниевых кислот переменного состава xSiO2 yH2O:
В процессе приготовления пломб в результате перемешивания происходят химические реакции с образованием фосфатов металлов, например
ЗСаО + 2Н3РО4 = Са3(РО4)2 + ЗН2О Кварцевое стекло (почти чистый кремнезем) переносит резкие
изменения температуры, почти не задерживает ультрафиолетовые лучи. Такое стекло используют для приготовления ртутно-дуговых ламп, которые широко применяют в физиотерапии, а также стерилизации операционных.
Фарфоровые массы, применяемые в ортопедической стоматологии, состоят из кварца SiO2 (15—35 %) и алюмосиликатов: полевого шпата Э2О
Аl2О3 6SiO2, где Э—К, Na или Са (60—75%), и каолина Al2O3 2SiO2 2H2O (3—10%). Соотношение компонентов может меняться в зависимости от назначения фарфоровой массы.
Полевой шпат К2О А12О3 6SiO2 — основной материал для получения стоматологических фарфоровых масс. При плавлении он превращается в вязкую массу. Чем больше полевого шпата, тем прозрачнее фарфоровая масса после отжига. При отжиге фарфоровых масс полевой шпат, как более легкоплавкий, понижает температуру плавления смеси.
Каолин (белая глина) — необходимая часть стоматологического фарфора. Добавка каолина уменьшает текучесть фарфоровой массы.
Кварц, входящий в состав стоматологического фарфора, упрочняет керамическое изделие, придает ему большую твердость и химическую стойкость.
Свинец. Свинец и его соединения, особенно органические, весьма токсичны. Соединения свинца влияют на синтез белка, энергетический баланс клетки и ее генетический аппарат. Многие факторы говорят в пользу денатурационного механизма. Установлено, что свинец — один из элементов, присутствие которых в продуктах питания влияет на развитие кариеса.
Существуют многочисленные доказательства постепенного накопления свинца в растениях и тканях животных и человека в результате повседневного загрязнения окружающей среды свинцом. С пищей, водой, атмосферным воздухом человек ежесуточно поглощает до 100 мкг свинца. Свинец депонируется в основном в скелете (до 90%) в форме труднорастворимого фосфата:
260