Краткая химическая характеристика s-элементов

Химические элементы, в атомах которых последним заполняется электронами s -подуровень, называются s -элементами. Так как на
s -подуровне максимально может быть 2 электрона, то каждый период ПСЭ начинается двумя s -элементами, а в целом они образуют две группы: I-A и II-А. К s -элементам относятся также водород и гелий.

На внешнем электронном уровне s -элементов имеется один
(ns ¹-элементы) или два электрона (ns ²-элементы). Элементы IA и IIA-группы – металлы, проявляют восстановительные свойства, высокую химическую активность, в сложных веществах имеют степень окисления (СО) +1 (группа IA), +2 (группа IIA). Элементы IIA - группы – более слабые восстановители, чем элементы IA-группы. Образующиеся катионы s -элементов имеют устойчивые оболочки типа инертных газов. По периоду радиус катиона (R_i) уменьшается, а заряд ионов увеличивается, что приводит к увеличению поляризующий способности ионов и уменьшению способности самого иона к поляризации. В воде катионы s -элементов гидратируются, образуя бесцветные аквакомплексы, например, [Ca(H₂O)₆]²⁺. Ионы Ме⁺ и Ме²⁺ по теории Пирсона относят к «жестким» кислотам (ЖК) Льюиса, Н₂О, ОН^– – «жестким» основаниям (ЖО) Льюиса. В соответствии с концепцией ЖМКО более прочные связи образуются при взаимодействии ЖК+ЖО или МК+МО.

Ионы s -элементов могут образовывать в растворах мало устойчивые комплексные соединения с органическими и неорганическими лигандами. С увеличением заряда и уменьшением радиуса катиона устойчивость комплексов увеличивается.

Таким образом, комплексообразующая способность s -элементов низкая, так как:

а) катионы металлов имеют завершенную электронную оболочку предыдущих инертных газов, следовательно, вакантные электронные орбитали отсутствуют и роль этих катионов, как акцепторов электронных пар лигандов, затруднена;

б) согласно теории Пирсона малополяризуемые катионы Na⁺ и K⁺ являются «жёсткими» кислотами, поэтому в физиологических растворах практически не образуют устойчивых комплексов с биосубстратами, содержащими мягкие легкополяризуемые группы –СОО^–, –NH₂ и –SH. Относительно устойчивые комплексные соединения они образуют практически только с макроциклическими лигандами.

Устойчивость образующихся комплексных соединений зависит от соотношения ионного радиуса и диаметра внутренней полости. Правильный подбор макроциклических лигандов позволяет проводить селективное связывание либо Na⁺, либо K⁺. Например, имеющийся в организме валиномицин связывает ионы K⁺ в 20 раз прочнее, чем Na⁺, так как молекула валиномицина не допускает достаточного сближения лигандов вокруг имеющего меньший радиус иона Na⁺. Множество алкильных групп на поверхности молекулы валиномицина обеспечивают ему гидрофобный (липофильный) характер, за счет чего он может легко переходить через мембраны клеток, перенося ионы K⁺ против градиента концентраций.

Менее «жёсткие» s -элементы IIА-группы, в частности, Mg⁺² и Cа⁺², более склонны к комплексообразованию. Так, например, Са⁺² образует хелатные комплексы с ЭДТА, используемые в качестве антидотов, а комплексы Mg⁺² с порфирином являются основой хлорофилла.

В физиологических средах катионы Mg⁺² и Cа⁺² встречаются как в ионизированном виде, так и в виде комплексов с белками и нуклеиновыми кислотами.

Изменение R_i оказывает большое влияние на свойства его соединений: гидроксиды s -элементов обладают выраженными основными свойствами (кроме Ве(ОН)₂), что объясняется непрочностью ионной связи
Э–ОН.

По периоду слева направо R_i уменьшается, основные свойства и растворимость гидроксидов уменьшаются;

по группе сверху вниз R_i увеличивается, основные свойства и растворимость гидроксидов увеличиваются.

Большинство солей, образованных катионами ns ¹-элементов, хорошо растворимы в воде, образуют осадки только с большими, легко поляризующимися анионами, например, ураты Na₂C₂H₂N₄O₃×H₂O. Эти соли откладываются при подагре на костях стопы. Катионы ns ²-элементов обладают высокой поляризующей способностью, что обуславливает наличие большего, в сравнении с ns ¹-элементами, количества малорастворимых соединений (с анионами ; ; ; и др.) Растворимость осадков солей ns ²-элементов уменьшается с увеличением радиуса катиона.

Соли s-элементов подвергаются гидролизу:

а) соль образована сильным основанием (щелочные и щелочно-земельные металлы) и слабой кислотой:

I ступень: Na₂CO₃ + HOH NaHCO₃ + NaOH

+ HOH + OH^– рН > 7

II ступень: NaHCO₃ + HOH H₂CO₃ + NaOH

+ HOH H₂CO₃ + OH^– рН > 7

В обычных условиях гидролиз практически ограничивается I ступенью, т.к. ионы диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы H₂CO₃.

б) с уменьшением силы основания s -элементов увеличивается способность катиона вступать в протолитическое взаимодействие с молекулами воды. Так, соли магния способны гидролизоваться по катиону с образованием основной соли. Гидролиз протекает, главным образом, по первой ступени:

I ступень: MgCl₂ + HOH MgOHCl + HCl

Mg²⁺ + HOH MgOH⁺ + H⁺ pH < 7

Ионы s -элементов устойчивы к действию окислителей и восстановителей, окислительно-восстановительные реакции (ОВР) для них не характерны.

В природе (земной коре) s -элементы – металлы встречаются только в виде химических соединений. Широко распространены Na, K, Mg, Ca. Остальные элементы являются редкими и рассеянными. Элементы IA-группы находятся в природе преимущественно в виде растворимых солей (в воде рек, морей, океанов) и твердых залежах. Элементы IIA-группы (кроме магния) – преимущественно в виде нерастворимых соединений: карбонаты, сульфаты, фториды. Распространенные в природе s -элементы являются одновременно и биогенными.