Общие свойства элементов I группы

Элементы I группы периодической системы (кроме водорода): литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций – объединяют под общим названием щелочные металлы, т.к. их гидроксиды – сильные, хорошо растворимые основания – щелочи. Водород – самый простой по строению, самый легкий и после гелия – самый маленький из всех атомов исключителен по свойствам. В периодической системе его обычно помещают одновременно в I и VII группу. Среди свойств элементов важными для объяснения их нутрициологической ценности могут быть радиус иона электроотрицательность, а также произведение растворимости конкретных химических веществ, термодинамические характеристики и др. [99] (табл. 2.1).

Натрий и цезий являются изотопно-чистыми элементами, у лития и рубидия по два изотопа (⁶₃Li – 7,42%; ⁷₃Li – 92,58%;), калий имеет три изотопа (³⁹₁₉К – 93,08%; ⁴⁰₁₉К – 0,011%; ⁴¹₁₉К – 6,91%). Нуклид калия с массовым числом 40 радиоактивен.

Химическая связь в бинарных и сложных соединениях щелочных металлов имеет преимущественно ионный характер. Увеличение степени ионности связи при переходе от соединений лития к соединениям цезия вследствие увеличения поляризующей способности катиона влияет на увеличение их растворимости. Наибольшее число нерастворимых или малорастворимых соединений образует литий (LiF, Li₂CO₃, Li₃PO₄ и др.) [42].

Таблица 2.1 – Свойства элементов I группы

Свойства	Н	Li	Na	K	Rb	Cs	Fr
Радиус иона, пм
Энергия ионизации, эВ	13,60	5,39	5,14	4,34	4,18	3,89	3,98
Электроотрицательность	2,10	0,97	1,01	0,91	0,89	0,86	0,86
Стандартный электродный потенциал, В		–3,05	–2,71	–2,92	–2,92	–2,92	-
Массовая доля в литосфере, %	1,4∙10–1	2,0∙10–3	2,4	2,1	9,0∙10–3	3,0∙10–4	?
Массовая доля в гидросфере, %	10,8	1,8∙10–5	1,1	4∙10–2	1,2∙10–5	3,0∙10–8	?
Содержание в организме взрослого человека, г		0,2			0,32	1,5∙10–3	?
Массовая доля в организме взрослого человека, %		2,9∙10–2	0,1	0,2	4,6∙10–4	2,0∙10–6	?

Поляризующая способность катиона, т.е. влияние на деформацию электронного облака аниона, зависит, в свою очередь, от плотности заряда на катионе ρ (табл. 2.2). Ион Li ⁺, как ион с наименьшим радиусом, характеризуется также самой высокой энергией гидратации, поэтому многие его соли кристаллизуются в виде гидратов (напр. LiСl ∙ H₂O, LiСlО₄ ∙ 3H₂O, LiSО₄ ∙ H₂O).

Достаточно часто кристаллогидраты дают соли натрия (гипосульфит Na₂CO₃, сода кристаллическая Na₂CO₃ ∙ 10Н₂О, глауберова соль Na₂SO₄ ∙ 10Н₂О) и редко – калия (алюмокалиевые квасцы КАl(SO₄) ₂ ∙ 12Н₂О) [99]. Другие щелочные металлы гидратов не образуют.

Таблица 2.2 – Поляризующая способность катионов щелочных металлов

Ион	Плотность заряда ρ
Li+	16,7
Na+	10,5
K+	7,5
Rb+	6,8
Cs+	5,9

Комлексообразование для ионов щелочных металлов нехарактерно, но они могут быть связаны в комплекс подходящими комплексообразователем Ком ⁺ и лигандом c образованием ионной связи:

Кат ⁺ + Ком ⁺ + Лиг ^– → Кат [Ком (Лиг) _k],

например, К₃[Fe(CNS)₆]. В водных растворах первичная диссоциация комплексных соединений происходит с разрывом ионной связи, поэтому в биологических средах ионы щелочных металлов находятся в основном в виде гидратированных ионов.

Соли щелочных металлов со слабыми кислотами в растворах так же гидролизованы с образованием щелочной реакции среды, что обуславливает их кислотно-регулирующую роль.

Na₂CO₃ + H₃O ⁺ ↔ NaHCO₃ + NaOH,

CO₃ ^{2 –} + H₃O ⁺ ↔ HCO₃ ^– + OH ^–

Лечение некоторых психических заболеваний основано на частичной замене ионов калия и натрия на ионы лития. Кроме психиатрической практики, иногда применяют при лечении иммунодефицитных состояний.

Наличие лития в организме человека показал еще в 1905 г. Герман методом количественного спектрального анализа золы. По его и данным более поздних исследователей (Лундегорду, Бергстрану и др.) в печени содержится примерно 4 мг на 1 кг; в крови 19 мг на 1 л. Таким образом, литий – миллиэлемент. Принимает участие в регуляции высшей нервной деятельности, оказывающий также влияние на иммунитет и водно-солевой обмен.

Повышенная концентрация в волосах отмечается при нарушении выделительной функции почек, передозировке препаратов лития, у работников и лиц, проживающих вблизи предприятий по производству элементов питания, компонентов для АЭС, и самих АЭС. Явления литиевой недостаточности у здоровых людей не известны. Описано токсическое влияние лития для людей при попытке заменить поваренную соль пищевого рациона на хлорид лития, когда им показано ограничение поваренной соли в пище. Токсическое влияние лития проявляется при употреблении человеком с пищей 4–5 г хлорида лития в день. Наступают общая слабость, сонливость, головокружение, замедление сердечной деятельности, дрожь, болевая чувствительность кожи, потеря аппетита, отвращение к пище. Таким образом, литий токсически влияет на центральную нервную систему и почки.

Рубидий – распространенный элемент, содержание в литосфере 1,5 10 ^–2 %. Это больше, чем у меди, олова, цинка или свинца. Но у него нет собственных минералов, сопутствует другим щелочным металлам, поэтому называется рассеянным. Если подержать в руках ампулу с рубидием, он превращается в полужидкую массу, ведь температура плавления металла 39ºС. Название металла происходит от латинского «красный», т.к. металл дает только для него характерные линии в темно-красной области спектра. Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озер (≈100 мкг/л). Значит, в мировом океане среднее содержание рубидия в сотни раз меньше, чем в земной коре. Обнаружено повышенное его содержание в одесских лиманах (670 мкг/л), в Каспийском море (5700 мкг/л), в некоторых минеральных источниках Бразилии. Рубидий найден в морских водорослях, в чае, кофе, в сахарном тростнике, в табаке. Мировое производство этого металла всего несколько килограммов в год. Рубидиевые препараты иногда применяются в медицине как снотворные и болеутоляющие средства. Его соединения используются в аналитической химии как специфические реактивы на марганец, цирконий, золото, палладий и серебро [147] и как катализатор в некоторых органических синтезах.

Цезий – самый мягкий из металлов (как воск). В земной коре его в несколько сот раз меньше, чем рубидия. Как и рубидий – это рассеянный элемент. Применяется в радиотехнике и как катализатор. Цезиевые часы – самые точные в мире. При нагревании цезий легко испускает электроны. Ученые полагают, что в будущем станет возможным приводить в движение космические аппараты путем выстреливания электронов топливом, содержащим цезий [6]. Радиоактивный изотоп – цезий-137 способен накапливаться в съедобных грибах. О биологической роли цезия известно следующее: под влиянием солей цезия (а так же рубидия) значительно повышается насыщенность артериальной крови кислородом, а напряжение кислорода в коре головного мозга и в некоторых участках подкорковых образований значительно увеличивается [240].

Франций, который до своего открытия называли экацезий, должен бал бы встречаться в виде растворимых солей, которые по своей растворимости должны превосходить соли остальных щелочных металлов, поскольку при переходе от лития к цезию растворимость солей возрастает [147]. Обнаружить на Земле элемент, мировые запасы которого не достигают килограмма, оказалось весьма сложно. Это сделала француженка Маргарита Пере в 1939 г. Это радиоактивный элемент с периодом полураспада 22 мин.

Водород – элемент, из которого более чем наполовину состоит Солнце. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – это атомы водорода. Несмотря на относительно небольшое содержание водорода в живом веществе (в частности в белках 6–8%, тогда как углерода – 50–54% [262]) имеет высокую нутрициологическую ценность. В природе элемент существует в виде трех изотопов: протия, дейтерия и трития (¹₁Н или Н; ²₁Н или D; ³₁Н или Т). Тритий радиоактивен (период полураспада 12, 26 года). В естественной смеси изотопов преобладает протий (отношение Н:D:Т составляет 1: 1,46∙10 ^{– 5}: 4,00∙10 ^{– 15}). У любого элемента Периодической системы есть аналоги. У протия – нет, ведь только у него ядро – элементарная частица протон и только он один способен лишиться всех электронов. Ион водорода – «голый», положительно заряженный протон, поэтому легче всего может притягиваться к оболочкам других атомов, образуя водородную связь. Именно благодаря водородным связям происходит точное копирование молекул ДНК, специфичность действия многих лекарственных препаратов, ответственны они за вкусовые ощущения, и за способность наших мышц сокращаться. Водород используется для гидрогенизации растительных жиров. Невозможно переоценить значение оксида водорода – воду (подробно в гл. 4.3.1). Имеются данные о специфичном биологическом действии тяжелого изотопа водорода – дейтерия [114]. В результате обменных процессов с космосом содержание дейтерия на нашей планете, а значит, в воде и пище увеличивается. Это биологическое воздействие иммунологического характера.