Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Кобальт | У животных: анемия (ниже 2*10 -6%) | В повышенной концентрации токсичен для животных и растений

Цинк | Заболевания растений | Токсичен для животных и растений

Молибден | Заболевания бобовых растений | При избытке в почвах — заболевания скота

В таблице 2 в сжатой форме отмечено, какое действие вызывает в растениях повышение и понижение содержания металлов в почвах и как это сказывается на состоянии животных.

В каком же виде находится тот или иной металл в клетках организма? Бесспорно, в виде положительно заряженного иона. Как хорошо известно, соли металлов под действием воды (а в клетках организмов содержится около 70-75% воды) диссоциируют — распадаются на положительные ионы металлов (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы) кислотных остатков, например:

Cоли металлов под действием воды

Следовательно, в водных растворах солей находятся катионы металлов, им-то и надо приписать все те свойства, с которыми встречается ученый, исследующий роль металлов в организмах.

Так ли это? Не совсем так!

Ион металла, находящийся в водном растворе того или иного вещества, вовсе не безразличен к своему окружению. Он вступает во взаимодействие с молекулами воды и образует соединения, в которых на один ион приходится от 4 до 8 (а в отдельных случаях и более) молекул воды. Казалось бы, нет прямой связи между валентностью металла и числом присоединяемых молекул, да и вообще непонятно, как нейтральная (т. е. не имеющая свободных валентностей) молекула воды может присоединяться к иону.

Теория валентности приписывала каждому атому определенное число единиц валентности (обозначаемых черточками), причем предполагалось, что атом водорода одновалентен. Если какие-либо другие атомы присоединяли к себе, например, два, три или четыре атома водорода, то это означало, что данные атомы двух-, трех- и четырехвалентны: двухвалентна сера в сероводороде H 2S, трехвалентен азот в аммиаке NH 3, четырехвалентен углерод в метане СН 4и т. д. Величина валентности изменяется от 1 до 8, и если в молекуле соединения все валентности насыщены (нет свободных единиц-черточек), то такая молекула уже не может соединяться с другой частицей. Поэтому молекула воды, структурная формула которой , не должна, казалось бы, присоединяться к иону металла.

Фактически дело обстоит не так, и молекулы воды образуют с ионами металлов разнообразные соединения. Они отличаются рядом характерных свойств, в частности окраской.

Хлорид меди CuCl 2высушенный, т. е. безводный, окрашен в светло-коричневый цвет. Бросим щепотку этой соли в воду, получится раствор голубой окраски. Ионы хлора бесцветны, голубую окраску надо приписать соединению иона меди и молекул воды. Проверим это. Попробуем заменить воду иным растворителем, например ацетоном; если голубая окраска свойственна водному соединению, то в ацетоне должна наблюдаться другая окраска, независимо от того, реагирует ли ион меди с ацетоном или нет. Хлорид меди растворяется в ацетоне, образуя раствор зелено-коричневого цвета. При добавлении в него избытка воды раствор делается голубым. Все это убеждает нас в том, что ионы металла с водой (и, вероятно, с ацетоном) образуют какие-то соединения. Еще Д. И. Менделеев — творец сольватной теории растворов — указывал на бесспорные признаки химической реакции в процессе растворения многих веществ. Измерения обнаруживают и выделение теплоты при растворении безводных солей: безводные хлорид и сульфат меди сильно разогреваются при добавлении к ним воды. С другой стороны, если попробовать удалить воду из раствора сульфата меди, то можно получить красивые синие кристаллы, имеющие состав CuSO 4*5H 2O. Для того чтобы удалить и эти оставшиеся молекулы воды (четыре из них, как доказано, окружают ион меди и одна соединена с сульфат-ионом), придется сильно нагреть кристаллы; тогда они, теряя воду, становятся почти белыми.

Все это позволяет сделать уверенный вывод, что молекулы способны прочно присоединяться к ионам меди, заметно изменяя их свойства, в частности окраску. Молекулы воды присоединяются и к ионам других металлов — кальция, железа, магния, натрия и др. При медленном испарении воды из растворов солей удается получить кристаллы, содержащие соль и определенное количество молекул воды на каждую молекулу соли. Выделенные в чистом виде, такие соединения носят название кристаллогидратов. К кристаллогидратам относят соединения: CuCl 2*2H 2O, CuSO 4*5H 2O, а также СаСl 2*6Н 2O, CaSO 4*2H 2O, Na 2SO 4*10H 2O и др.

Но не только вода, а и другие соединения могут взаимодействовать с ионами металлов в растворах. Добавим, например, к водному раствору какой-либо соли меди (можно взять раствор хлорида СuСl 2) избыток водного аммиака. Сначала появится зеленовато-голубой осадок, затем он быстро исчезнет, а жидкость приобретет красивый темно-синий цвет. Что произошло? Первые порции водного аммиака вступили в реакцию с хлоридом меди, и получился осадок гидроксида меди (II):

Реакция водного аммиака с хлоридом меди

Растворение осадка и появление синей окраски указывают на развитие другой реакции. В результате взаимодействия гидроксида с молекулами аммиака, которые всегда имеются в водном растворе аммиака, получилось соединение — аммиакат меди:

Взаимодействие гидроксида меди с молекулами аммиака

Это соединение способно диссоциировать, отщепляя ионы ОН-:

Диссоциация аммиаката меди

Молекулы аммиака прочно связаны с ионами меди, и синяя окраска — это свойство именно комплексного иона Cu(NH 3) 2 4 +. Следовательно, к ионам металлов могут присоединяться не только молекулы воды, но и молекулы других соединений, в частности аммиака.

Обширные исследования таких комплексных молекул и ионов привели ученых к выводу, что комплексообразование представляет собой одно из самых распространенных явлений в химии металлов. Было установлено, что практически ионы всех металлов способны образовывать комплексные соединения с различными молекулами органических и неорганических соединений. Известны, например, следующие соединения: Со(NН 3)6Сl 2, Pt (NH 3)Cl 2, Сr(NН 3)6Сl 3, [NiEn 3]Cl 2и др. (Символ Еn обозначает молекулу этилендиамина H 2N — CH 2— СН 2— NH 2.) Прочно связанные молекулы аммиака или этилендиамина в этих соединениях размещены в непосредственной близости от центрального иона металла — их называют лигандами (что значит "связанные").