Mnoho průmyslových odvětví zpracovává nebo používá různé sloučeniny rtuti, chrómu, kadmia, zinku, olova, mědi, niklu, arsenu a dalších látek, což vede ke znečištění odpadních vod. K odstranění těchto látek z odpadních vod jsou v současnosti nejrozšířenější reagenční způsoby čištění, jejichž podstatou je převedení ve vodě rozpustných látek na látky nerozpustné přidáním různých činidel s následnou jejich separací z vody formou srážení. Nevýhodou reagenčních metod čištění je nenávratná ztráta cenných látek srážením.

Jako činidla pro odstranění iontů těžkých kovů z odpadních vod se používají hydroxidy vápníku a sodíku, uhličitan sodný, sulfidy sodné a různé odpady, například ferochromová struska, která obsahuje (v %):

Ca - 51,3; MgO - 9,2; Si02 - 27,4; Cr203 - 4,13; Al203 - 7,2, Fe02 - 0,73.

Nejpoužívanější je hydroxid vápenatý. Srážení kovů probíhá ve formě hydroxidů. Proces se provádí při různých hodnotách pH.

Hodnoty pH odpovídající začátku srážení hydroxidů různých kovů a úplnému vysrážení (tabulka 1.10) závisí na povaze kovů, jejich koncentraci v roztoku, teplotě a obsahu nečistot. Například při společném vysrážení dvou nebo více kovových iontů při pH = konst; je dosahováno lepších výsledků než při nanášení každého z kovů samostatně. V tomto případě se tvoří smíšené krystaly a kovové ionty jsou adsorbovány na povrchu pevné fáze, čímž se dosáhne úplnějšího čištění od některých kovů.

Tabulka 1.10

Hodnoty pH při srážení hydroxidů kovů

* Při počáteční koncentraci uloženého iontu 0,01 mol/L.

**Hodnoty pH odpovídají zbytkové koncentraci kovu 10 mol/l.

Čištění sloučenin rtuti. Odpadní voda kontaminovaná rtutí a jejími sloučeninami vzniká při výrobě chloru a hydroxidu sodného, ​​v jiných procesech elektrolýzy pomocí rtuťových elektrod, v rtuťových závodech, v některých odvětvích galvanizace, při výrobě barviv, uhlovodíků a v podnicích využívajících rtuť jako katalyzátor.

Průmyslové odpadní vody mohou obsahovat kovovou rtuť, anorganické a organické sloučeniny rtuti. Anorganické sloučeniny rtuti: oxid - HgO, chlorid (chlorid rtuťnatý) - HgC12, síran - HgSO4, sulfid (cinnabar) - HgS, dusičnan - Hg (NO3) 2, kyanid - Hg (NCS) 2, thiokyanát - Hg (OCN) 2 , kyanát - Hg(OCN)2. V anorganických sloučeninách jsou toxické především ionty Hg2+, proto jsou nejnebezpečnější vysoce rozpustné a snadno disociovatelné soli.

Organické sloučeniny rtuti se používají při konzervaci dřeva, při syntéze organokovových sloučenin, jako pesticidy, k ochraně plastových materiálů, papíroviny a textilií, kaseinových lepidel proti plísním. Organické sloučeniny rtuti jsou velmi toxické a od anorganických solí se liší tím, že nereagují na Hg ionty. V nádržích se pod vlivem organických sloučenin obsažených v přírodních vodách přeměňuje rtuť na vysoce toxické sloučeniny. Maximální přípustná koncentrace rtuti ve vodních útvarech je 0,005 mg/l.

Kovovou rtuť lze z odpadních vod odstranit sedimentací nebo filtrací. Částice, které prošly s filtrátem nebo se nestihly usadit, se oxidují chlorem nebo NaOCl na HgCl2. Voda je poté ošetřena redukčním činidlem (NaHSO4 nebo Na2SO3), aby se odstranily a navázaly volné zbytky chlóru. Rtuť se vysráží sulfidem sodným, následuje koagulace výsledného sulfidu rtuti chloridem železitým. Čištění lze provést směsnou solí - sulfidem železa a síranem barnatým.

K izolaci rtuti z odpadních vod se používají metody získávání: sulfid železa, hydrosulfid sodný, hydrazin, železný prášek, plynný sirovodík atd. Sorpční metody odstraňování rtuti jsou široce studovány. Velmi účinná je iontová výměna vinylpyridinovými sorbenty, jejichž kapacita dosahuje 40 %. Nejběžnějším způsobem odstranění ve vodě rozpustných sloučenin rtuti je jejich přeměna na těžko rozpustný sulfid rtuťnatý a jeho vysrážení.

Součin rozpustnosti HgS ve vodě je 1,6-10-20, což odpovídá zbytkové koncentraci v roztoku 2,5-10-21 mg/l. K vysrážení Hg v odpadní vodě se nejprve přidá sulfid sodný, hydrosulfid sodný nebo sirovodík. Poté se voda upravuje sodíkem, draslíkem, hořčíkem, chloridy vápenatými nebo siřičitanem hořečnatým v množství 0,1 g/l. Za těchto podmínek se sulfid rtuťnatý vysráží ve formě granulí. Pro odstranění jemně rozptýlených koloidních částic sulfidu rtuťnatého je vhodné přidat koagulanty Al(SO4)3∙18H2O, FeSO4∙7H2O atd.

Sraženina sulfidu rtuťnatého se odděluje z odpadní vody na vakuových filtrech nebo kalolisech. Separaci HgS na zbytkovou koncentraci 0,001 mg/l lze dosáhnout i na uhlíkových filtrech. Vyhořelé uhlí obsahující sulfid rtuťnatý se spaluje v peci nebo se zpracovává, aby se získala rtuť. K odstranění sloučenin rtuti z roztoků lze použít i čerstvě vysrážený sulfid železa, který se získává interakcí iontů S2– nebo FeSO4∙7H2O, FeCl3∙6H2O. K čištění lze použít i směs sulfidu železa se síranem barnatým s přebytkem sulfidu železa. Rozpuštěné anorganické sloučeniny rtuti lze redukovat na kovovou rtuť a následně izolovat z vody.

K čištění odpadních vod z anorganických sloučenin rtuti lze kromě sedimentačních metod využít i metody sorpční.

Byl studován proces tvorby rtuťového amalgámu v elektrickém poli. Metoda je vhodná pro čištění odpadních vod obsahujících 0,01 až 100 mg/l sloučenin rtuti. Při tomto procesu se odpadní voda filtruje přes vrstvy skleněných kuliček potažených mědí nebo zinkem. Kuličky jsou katodou a vnějším tělem zařízení je anoda. Při regeneraci zátěže filtru jsou elektrody obráceny.

Organické sloučeniny rtuti jsou nejprve zničeny oxidací, jako je plynný chlór. Po odstranění přebytečného chloru se kationty rtuti redukují na kov nebo se převedou na těžko rozpustné sulfidy s následným odstraněním sraženiny.

Čištění sloučenin zinku, mědi, niklu, olova, kadmia, kobaltu. Soli těchto kovů jsou obsaženy v odpadních vodách těžebních a úpravárenských provozů, hutních, strojírenských, kovoobráběcích, chemických, chemicko-farmaceutických, nátěrových, textilních a dalších provozů.

Při úpravě kyselých vod oxidem vápenatým a hydroxidem sodným se ionty těchto těžkých kovů obsažené v odpadní vodě vážou do těžko rozpustných sloučenin. Složení solí závisí na pH média. Takže při pH = 7 se vysráží hydroxid síran zinečnatý o složení ZnSO4∙3Zn(OH)2 a se zvýšením pH na 8,8 složení sraženiny odpovídá vzorci ZnSO4∙5Zn(OH)2. V silně alkalickém prostředí je pevnou fází především hydroxid.

Při úpravě odpadních vod obsahujících soli zinku hydroxidem sodným musí být dávkování činidla prováděno pod přísnou kontrolou pH upravované odpadní vody, aby nebyly vytvořeny podmínky pro rozpouštění amfoterních hydroxidů. Izolace kationtů Zn2+ alkáliemi je založena na jejich přeměně na těžko rozpustný hydroxid zinečnatý:

Součin rozpustnosti hydroxidu zinečnatého je 7,1

1018, začátek srážek odpovídá pH = 5,4. Při pH = 10,5 začíná rozpouštění amfoterních hydroxidů zinečnatých a při dosažení pH = 12 se tvoří komplex:

Na základě toho by mělo být čištění prováděno při pH = 8-9. Za těchto podmínek dochází k maximálnímu vysrážení hydroxidu zinečnatého.

Působením sody na odpadní vody obsahující soli zinku se tvoří hydroxokarbonáty:

Při hodnotách pH od 7 do 9,5 se tvoří zásaditý uhličitan kompozice, od pH = 10 se zvyšuje podíl hydroxidu.

Přestože srážení zásaditých uhličitanů začíná při nižších hodnotách pH než u odpovídajících hydroxidů, spotřeba sody na srážení je vyšší než při použití louhu nebo vápna. To se vysvětluje skutečností, že během srážení těžkých kovů sodou proces prochází fází tvorby uhlovodíků a k dokončení reakce je zapotřebí přebytek činidla.

Uvolňování oxidu uhličitého v důsledku srážení sody vede k tomu, že bublinky plynu obalí částice sedimentu a nadzvedají je, což přispívá ke vzestupu části sedimentu v usazovacích nádržích. Plyn musí být odstraněn propláchnutím vzduchem při dosažení pH = 4,5.

Nevýhody hydroxidu sodného a sodného jako činidel by také měly zahrnovat jejich relativně vysokou cenu a nedostatek.

Čištění odpadních vod z mědi je spojeno s jejím vysrážením ve formě hydroxidu nebo hydroxidu uhličitanu:

K vysrážení hydroxidu měďnatého dochází při pH = 5,3.

Rozpustnost hydroxykarbonátu měďnatého je zanedbatelná, proto je nejvýhodnější srážet měď jako zásaditý uhličitan. K tomu je nutné mít v roztoku neutralizačního prostředku jak hydroxidové, tak uhličitanové ionty. Proto je použití pouze alkálií nebo vápna nejvyšší kvality poskytující hydroxidové ionty pro vysrážení mědi nepraktické. Nejlepším činidlem pro čištění odpadních vod z kationtů mědi je vápno třídy III obsahující „podpalování“ (CaCO3).

Je možný proces extrakce mědi z odpadních vod srážením ferrokyanidem draselným. Toto činidlo lze také použít k vysrážení jiných iontů těžkých kovů.

Pro odstranění mědi a kadmia z odpadních vod byl vyvinut proces jejich uvedení do kontaktu s oxidem siřičitým nebo siřičitany a práškovým kovem, jako je zinek nebo železo. V tomto případě kov redukuje siřičitany na sulfidy, které tvoří s těžkými kovy těžko rozpustné sulfidy. Při pH = 2 a teplotě odpadní vody 50 0C, při které proces probíhá, je dosaženo vysokého stupně čištění.

Čištění odpadních vod od niklu je založeno na jeho separaci z roztoku ve formě těžko rozpustných sloučenin:

Srážení hydroxidu nikelnatého začíná při pH=6,7. Součin rozpustnosti Ni(OH)2 je 2,0-10-18. U mědi je koncentrace kationtů niklu extrémně závislá na pH: při pH = 8,0 je 23,5 mg/l a při pH = 9,5 pouze 0,5 mg/l. Součin rozpustnosti uhličitanu nikelnatého je vyšší než u hydroxidu nikelnatého a rovná se 6,6-10-9. Rozpustnost hydroxidu uhličitanu nikelnatého je prakticky nulová, proto by se pro co nejúplnější odstranění niklu mělo používat vápno III. třídy obsahující CaCO3 (stejně jako pro měď).

Kationty olova v roztoku se vysrážejí ve formě jedné ze tří těžko rozpustných sloučenin:

Začátek srážení hydroxidu olovnatého odpovídá pH = 6,0. Součin jeho rozpustnosti je 1,1 10–20, uhličitanu olovnatého 1,0–10–13. Zásaditý uhličitan olovnatý je nerozpustný ve vodě. Prezentovaná data ukazují, že všechny tři metody jsou použitelné pro odstranění elektrody. Nejlevnější z nich je výroba uhličitanu olovnatého pomocí vápence, křídy a mramoru jako srážedla. Vzhledem k tomu, že se jedná o pevné minerální horniny, lze je použít jako filtrační náplň, přes kterou se filtrují čištěné odpadní vody.

Ačkoli odpadní voda typicky obsahuje několik kationtů kovů, není možné použít specifickou srážecí metodu k odstranění každého z nich. Proto se odpadní voda obvykle čistí hydroxidem vápenatým (vápenným mlékem), připraveným z vápna III. v tomto případě dochází současně k vysrážení kationtů těžkých kovů ve formě hydroxolů, hydroxidů a uhličitanů. Bylo zjištěno, že při společném nanášení několika kovů se dosáhne lepších výsledků než při nanášení každého z kovů samostatně. To je způsobeno tvorbou smíšených krystalů a adsorpcí kovových iontů na povrchu pevné fáze.

Pro zvýšení stupně čištění odpadních vod obsahujících těžké kovy se navrhuje po vysrážení jejich hydroxidů vápnem při pH - 8,5 a oddělení sraženiny zavádět do vyčištěné odpadní vody roztok v množství 5-30x vyšším než stechiometrická norma. Po oddělení kalu lze odpadní vody s nízkým obsahem iontů těžkých kovů vracet do cirkulačního vodovodního řádu.

Čištění odpadních vod alkalickými činidly umožňuje snížit obsah těžkých kovů v roztoku na hodnoty srovnatelné s MPC pro sanitární vodní útvary. Je-li však požadováno hlubší čištění, například při přímém vypouštění do rybářských vod, čištění alkalickými činidly nedává požadovaný účinek.

Hlubšího čištění od těžkých kovů se dosahuje čištěním odpadních vod sulfidem sodným. To je způsobeno skutečností, že rozpustnost sulfidů těžkých kovů je mnohem menší než rozpustnost jakýchkoli jiných těžko rozpustných sloučenin - hydroxidů a uhličitanů.

Pyrit lze použít k odstranění malých množství iontů těžkých kovů. Proces lze provádět filtrací odpadní vody přes granulovaný pyrit nebo přímým zavedením prášku do odpadní vody. Kromě pyritu lze pro tento účel použít jakýkoli jiný netoxický sulfid kovu, jehož součin rozpustnosti je větší než součin rozpustnosti sulfidu kovu extrahovaného z odpadní vody.

Protože hydroxidy a sulfidy těžkých kovů tvoří stabilní koloidní systémy, je pro zintenzivnění procesu jejich ukládání v odpadních vodách nutné zavádět koagulanty a flokulanty. Koloidní částice sulfidů mají záporný náboj, proto se ke koagulaci sulfidů používají elektrolyty s vícenásobně nabitými kationty - obvykle sírany hliníku nebo železitého. Při koagulaci hydroxidů je zapotřebí elektrolyt s vícenásobně nabitými anionty, protože koloidní částice jsou kladně nabité. Síranové ionty jsou dobrými koagulanty hydroxidů. Kromě elektrolytové koagulace se v praxi často používá vzájemná koagulace koloidních roztoků s opačným nábojem částic. Pro urychlení koagulačního procesu se používají flokulanty, především polyakrylamid. Jeho přidání v množství 0,01 % hmotnosti sušiny zvyšuje rychlost srážení hydroxidů kovů 2-3krát.

Schéma chemického čištění odpadních vod od iontů těžkých kovů se srážkovou separací je znázorněno na Obr. 1,59.

Nevýhodou této úpravy je vznik velkého množství obtížně dehydratovatelného kalu. Vyčištěná voda navíc obsahuje velké množství vápenatých solí, takže je obtížné ji použít v zásobování cirkulační vodou. Na základě toho se navrhuje ošetřit drén po usazení postupně chloridem vápenatým a sodou. V tomto případě dochází ke společnému vysrážení uhličitanů kovů s uhličitanem vápenatým. Vzniklé krystalické sraženiny uhličitanů kovů mají malý objem a snadno se dehydratují. Voda se zároveň změkčuje, což umožňuje její využití v oběhovém vodovodním systému.

Čištění sloučenin arsenu. Maximální přípustná koncentrace arsenu ve vodních útvarech je 0,05 mg/l. K čištění odpadních vod z arsenu se používají reagenční, sorpční, elektrochemické, extrakční a další metody. Volba metody závisí na formě rozpuštěného arsenu, složení, kyselosti a dalších ukazatelích vody.

Pro čištění velkých objemů vody s vysokým obsahem arsenu našel praktické uplatnění způsob jeho chemického srážení ve formě málo rozpustných sloučenin (arsenáty a arsenitany alkalických zemin a těžkých kovů, sulfidy a oxid arsenitý).

Vápenné mléko se široce používá k odstranění sloučenin arsenu obsahujících kyslík. V tomto případě se v závislosti na složení odpadní vody a podmínkách čištění (pH, teplota, spotřeba činidla) srážejí arsenáty a arsenitany různého složení. Přítomnost iontů těžkých kovů v odpadních vodách zvyšuje stupeň čištění od arsenu, protože. dochází k vysrážení arsenitanů a arsenitanů těchto kovů.

Ze silně kyselých roztoků se arsen sráží sirovodíkem, sirovodíkem. Čištění sulfidsko-alkalických odpadních vod od arsenu, který je součástí aniontů thiosolí, se provádí síranem železnatým (síran železnatý).

Sloučeniny pětimocného arsenu se z odpadních vod odstraňují lépe než trojmocné. Skladování sedimentů obsahujících pětimocný arsen je navíc levnější, protože je méně toxický a méně rozpustný. Na základě toho jsou sloučeniny trojmocného arsenu před srážením oxidovány na pětimocný arsen. Jako oxidační činidla se používají bělidlo, chlor, chlornanová buničina, peroxid vodíku, kyselina dusičná, ozon, pyrolusit aj.

Pyroluzit, přírodní materiál sestávající převážně z oxidu manganičitého, je široce používán pro oxidaci trojmocného arsenu. V kyselém prostředí proces probíhá následovně:

Optimální oxidační režim: spotřeba MnO2 je čtyřnásobná oproti stechiometrickému, kyselost roztoku 30-40 g/l kyseliny sírové, teplota 70-80 0C, doba oxidace 3 hodiny.

Po oxidaci arsenu se vysráží ve formě arsenitu manganu neutralizací hydroxidem vápenatým (vápenným mlékem) na pH = 6-9. Sediment je poté filtrován a pohřben ve vodotěsných příkopech.

Odpadní voda s nízkou koncentrací arsenu se oxiduje filtrací vody přes vrstvu pyrolusitu. Srážení se provádí vápenným mlékem v přítomnosti fosforečnanových iontů.

Kromě oxidační schopnosti má pyrolusit sorpční vlastnosti. Hodnota jeho sorpční kapacity pro třímocný a pětimocný arsen je 12,6 a 29,9 mg/l. S nárůstem pH roztoku klesá množství sorbovaného arsenu na pyrolusitu a jeho oxidační schopnost. V kyselém prostředí (pH< 1) сорбционная способность падает, а окислительная возрастает.

Ostatní kationty a anionty přítomné v odpadní vodě, sorbované na pyrolusitu, zhoršují její oxidační schopnost.

Oxidační schopnost oxidu manganičitého se postupně snižuje v důsledku sorpce a zanášení povrchu zrn pyrolusitu. Pro aktivaci se pyrolusit zpracovává koncentrovanou kyselinou sírovou nebo louhem sodným. Kyselina méně desorbuje arsen, ale úplněji rozpouští kal vzniklý na povrchu pyrolusitu.

Čištění solí železa. V přírodních vodách se obsah železa pohybuje od 0,01 do 26 mg/l. Kromě toho se železo nachází v odpadních vodách z chemického, hutního, strojírenského, kovoobráběcího, petrochemického, textilního, chemicko-farmaceutického průmyslu a dalších. Když je obsah železa vyšší než 1 mg/l, voda zhnědne. Když se taková voda pohybuje potrubím, na jejich stěnách se ukládají sloučeniny železa a železných bakterií, čímž se zmenšuje průřez potrubí.

V nádržích je MPC solí železa v přepočtu na Pe2+ 0,5 mg/l. Přitom v některých průmyslových odvětvích by technologická voda a voda v oběhu neměla obsahovat více než 0,05 mg/l sloučenin železa, např. při výrobě kapronu, nylonu, celofánu, přírodního a viskózového hedvábí, filmu, elektroniky, atd. polovodiče atd. Pro tato průmyslová odvětví je vyžadováno hloubkové čištění přírodních a odpadních vod od sloučenin železa.

K odstranění železa z vody se používá provzdušňování, reagenční metody, elektrodialýza, adsorpce a reverzní osmóza.

V procesu provzdušňování se železité železo oxiduje na železité železo. Oxidační reakce ve vodném roztoku probíhá podle schématu:

Nebo celkem:

V přítomnosti hydrokarbonátových iontů ve vodě probíhá oxidace železnatého železa a hydrolýza železitého železa podle reakce:

Oxidace 1 mg železnatého železa spotřebuje 0,143 mg kyslíku. Pro zajištění vysoké rychlosti chemické reakce by měl být obsah kyslíku ve vodě 0,5-0,9 mg na 1 mg železa.

Proces provzdušňování se provádí ve ventilační chladicí věži. V případě, kdy je potřeba obohatit vodu kyslíkem a odstranit část volného oxidu uhelnatého, se používají chladicí věže s tětivovou tryskou, což jsou deskové štíty. Pro hrubý odhad velikosti chladicí věže lze vycházet z následujícího: spotřeba vody na 1 m2 plochy chladicí věže 40 mg, spotřeba vzduchu 7 mg vody. Použití jiné trysky je nepraktické, protože. může dojít k ucpání sloučeninami železa.

Po provzdušnění je nutné oddělit sraženinu hydroxidu železa. K tomuto účelu se používají procesy sedimentace a filtrace. Sraženinu hydroxidu železitého lze použít k přípravě barev nebo k čištění plynů ze sirovodíku.

V procesu srážení hydroxidu železa se sraženina amfoterního Fe(OH)3 zhutňuje na hematit Fe2O3: 2Fe(OH)3= Fe2O3+3H2O.

Při vysokém obsahu železa ve vodě jej nelze zcela odstranit provzdušňovací metodou, proto se používají reagenční metody. K tomuto účelu se používá chlór, chlorečnan vápenatý (chlór), manganistan draselný, ozón, oxid vápenatý (vápno), uhličitan sodný (soda) atd. Reagencie se dávkují do vody před usazovacími nádržemi nebo usazovacími nádržemi.

Při interakci s chlórem dochází k následující reakci:

Rychlost této reakce se zvyšuje se zvyšujícím se pH. Při oxidaci 1 mg železnatého železa se spotřebuje 0,64 mg Cl;. V případě použití chlorečnanu vápenatého se používá ve formě 1-2% roztoku, který se dávkuje přímo do odpadních vod. Oxidace železnatého železa manganistanem draselným probíhá podle rovnice:

Pokud je železo ve vodě obsaženo ve formě organických sloučenin nebo koloidních částic, využívá se ozonizace. Na 1 hmotnostní díl železa je přitom potřeba 1 hmotnostní díl ozónu.

Čištění sloučenin manganu. Sloučeniny manganu se nacházejí v odpadních vodách z hutního, strojírenského a chemického průmyslu. Při koncentraci manganu vyšší než 0,05 mg/l voda ztmavne. Některá průmyslová odvětví kladou přísné požadavky na obsah manganu ve vodě (papír, textil, kopírování filmů, syntetická vlákna, plasty).

Odstranění manganu z vody lze dosáhnout následujícími metodami:

1. úprava vody manganistanem draselným;
2. provzdušňování kombinované s vápněním;
3. filtrování vody přes manganový písek nebo manganový katex;
4. oxidace ozonem, chlorem nebo oxidem chloričitým.

Při úpravě vody manganistanem draselným se dosáhne současného čištění od manganu a železa. Manganistan draselný se oxiduje za vzniku mírně rozpustného oxidu manganičitého:

Při tomto procesu 1 mg KMnO4 oxiduje 0,53 mg Mn+. Největšího účinku se dosáhne při úpravě vody dávkou 2 mg KMnO4 na 1 mg. Sraženina oxidu manganičitého se odstraní filtrací.

Využívá se odstraňování manganu provzdušňováním s alkalizací vody se současnou přítomností manganu a železa v ní. Při provzdušňování vody se odstraňuje část oxidu uhličitého a je nasycena vzdušným kyslíkem. S odstraňováním CO2 se zvyšuje pH odpadní vody, což přispívá k urychlení procesů oxidace a hydrolýzy železa a částečně manganu za vzniku hydroxidů.

Dvojmocný mangan se pomalu oxiduje na troj- a čtyřmocný kyslík rozpuštěný ve vodě. K oxidaci manganu dochází při pH = 9-9,5. Výsledný hydroxid manganatý se vysráží ve formě Mn(OH)3 a Mn(OH)4. Rozpustnost těchto sloučenin je 0,01 mg/l, výsledný Mn(OH)4 se opět účastní procesu a je katalyzátorem oxidace manganu.

Při pH = 9,5 je mangan odstraněn téměř úplně, při pH< 7,5 кислородом воздуха он почти не окисляется. Для ускорения процесса окисления марганца воду после аэрации до подачи на фильтры подщелачивают известью или содой для повышения рН, затем осветляют в осветлителях или отстойниках. Процесс окисления Мn2+ резко ускоряется, если аэрированную воду фильтруют через контактный фильтр, загруженный дробленым пиролюзитом (MnO2∙H2O) либо кварцевым песком, предварительно обработанным оксидами марганца.

Dvojmocný mangan lze z vody odstranit oxidací chlorem, ozonem nebo oxidem chloričitým. Rychlost oxidace Mn chlorem závisí na pH média. Při pH = 7 se za 60–90 minut zoxiduje pouze 50 % Mn2+. Při alkalizaci vápnem na pH = 8 je Mn zoxidován téměř úplně. Spotřeba Cl2 na oxidaci 1 mg Mn je 1,3 mg. V přítomnosti amonných solí ve vodě se zvyšuje spotřeba chlóru.

Oxid chloričitý a ozon při pH=6,5-7 oxidují Mn2+ za 10-15 minut. Oxidace 1 mg Mn2 spotřebuje 1,35 mg ClO2 nebo 1,45 mg O3. Použití těchto oxidantů však vyžaduje výstavbu složitých instalací, takže se prakticky nepoužívají.

Mangan lze z vody odstranit biochemickou oxidací. Proces se provádí následovně. Na filtrační písek je zaset speciální druh bakterií požírající mangan, které při své životní činnosti absorbují mangan z vody. Odumírající bakterie tvoří na zrnkách písku porézní hmotu s vysokým obsahem oxidu manganu, který slouží jako katalyzátor oxidačního procesu.

Mangan lze z vody odstranit pomocí manganového katexu, který se připravuje průchodem roztoků chloridu manganatého a manganistanu draselného přes libovolný katex ve formě sodíku. V tomto případě probíhají následující reakce:

kde Me je kationt Na+ nebo K+.

Při těchto procesech manganistan draselný oxiduje mangan za vzniku oxidů manganu, které se ukládají ve formě filmu na povrchu kationitových zrn. Během regenerace se film obnoví roztokem manganistanu draselného.

Z uvažovaných metod je nejúčinnější léčba manganistanem draselným. Nevyžaduje sofistikované vybavení a jednoduše se ovládá.

Kovové ionty proměnlivé valence (Fe2+, Cu+, Mo3+ atd.) hrají v živých organismech dvojí roli: jednak jsou nezbytnými kofaktory pro velké množství enzymů, jednak představují hrozbu život buněk, protože v jejich přítomnosti dochází k tvorbě vysoce reaktivních hydroxylových a alkoxylových radikálů:

H202 + Me "n> OH'+ OH" + Me (n + |) +

BĚH + Muži+ > 10* + OH" + Já(n+|>+.

Proto chelátové sloučeniny (z řeckého "chelát" - "krabí dráp"), které vážou kovové ionty různé valence (feritin, hemosiderin, transferiny; ceruloplasmin; kyselina mléčná a močová; některé peptidy), a tím zabraňují jejich zapojení do reakcí rozkladu peroxidu je důležitou součástí antioxidační obranyschopnosti těla. Má se za to, že chelátory jsou hlavními chelátory při ochraně sérových proteinů a buněčných receptorů před oxidací, protože v mezibuněčných tekutinách nedochází k žádnému nebo je výrazně oslabeno enzymatické odbourávání peroxidů, které dobře pronikají buněčnými membránami. O vysoké spolehlivosti sekvestrace variabilních valenčních iontů kovů pomocí chelatačních sloučenin svědčí skutečnost, kterou odhalila skupina Thomase V. O'Hallorana (jako model byly použity kvasinkové buňky), že koncentrace volných * iontů mědi v cytoplazmě nepřesahuje 10 - 18 M - to je o mnoho řádů méně než 1 atom Cu na buňku.

Kromě "profesionálních" chelátorů s vysokou schopností vázat ionty existují tzv. "chelátory železa aktivované oxidativním stresem" . Afinita těchto sloučenin k železu je relativně nízká, ale v podmínkách oxidačního stresu jsou místně specificky oxidovány, čímž se mění na molekuly se silnou schopností vázat železo. Předpokládá se, že tento proces místní aktivace minimalizuje potenciální toxicitu v těle „silných chelátorů“, které mohou interferovat s metabolismem železa. Některé chelátory, např. metalothioneiny, v organismech savců vážou atomy těžkých kovů (Hn, Cb, III,...) a podílejí se na jejich detoxikaci.

Více k tématu CHELÁTORY IONTŮ KOVŮ PROMĚNNÉ VALENCE:

1. NovikA. A., Ionova T.I.. Pokyny pro studium kvality života v medicíně. 2. vydání / Ed. akad. RAMS Yu.L. Shevchenko, - M.: CJSC "OLMA Media Group" 2007, 2007
2. KAPITOLA 3 LÉČEBNÉ VYUŽITÍ STŘEDNÍ A VYSOKOFREKVENČNÍ AC
3. Test se změnou polohy těla (ortostatický test)
4. Spektrum farmakologické aktivity solí těžkých kovů

Byl studován vliv iontů těžkých kovů (Pb2+, Co2+, Zn2+) na membránovou rezistenci krevních erytrocytů zdravého člověka a různých pacientů. Bylo zjištěno, že ionty těžkých kovů vedou ke snížení stability membrány krevních erytrocytů. Pokles rezistence erytrocytů závisí na koncentraci a délce expozice kovovým iontům: čím vyšší je koncentrace a doba expozice, tím více klesá hustota erytrocytů. Při vyšetření onemocnění (akutní pneumonie, tumor štítné žlázy, diabetes mellitus) dochází ke snížení odolnosti erytrocytů v krvi pacientů vůči kyselé hemolýze. Rychlost kyselé hemolýzy klesá v erytrocytech krve pacienta ve srovnání s erytrocyty krve zdravého člověka v závislosti na charakteru onemocnění. Získaná data umožňují uvažovat o tom, že změna fyzikálně-chemického složení erytrocytů, která se projevuje nekonzistencí jejich odolnosti, je důsledkem poškození membrány erytrocytů při expozici iontům těžkých kovů.

erytrocyty

ionty těžkých kovů

1. Velký D.V. Studium distribuce kovů mezi různými krevními frakcemi při expozici Zn, Cd, Mn a Pb in vitro // Aktuální problémy transportní medicíny. - 2009. - V.18, č. 4. – S. 71–75.

2. Gitelzon M.I. Erytrogramy jako metoda klinického testování krve / M.I. Gitelzon, I.A. Terskov. - Krasnojarsk: Nakladatelství sibiřské pobočky Akademie věd SSSR, 1954. - 246 s.

3. Novitsky VV, Molekulární poruchy erytrocytární membrány u patologií různé geneze jsou typickou reakcí tělesných obrysů problému / sání // Bulletin sibiřské medicíny. - 2006. - V.5, č. 2. – S. 62–69.

4. Okhrimenko S.M. Vliv tryptofanu na některé ukazatele metabolismu dusíku u potkanů ​​pod oxidačním stresem způsobeným kobaltovými irtutovými solemi // Bulletin Dnepropetrovské univerzity. Biologie, Ekologie. - 2006. - V.2, č. 4 - S. 134-138.

5. Truševič M.O. Studium hemolýzy erytrocytů pod vlivem těžkých kovů. Ekologie člověka a problémy životního prostředí v období po Černobylu // Materiály republiky. vědecký konference. - Minsk, 2009. - S. 50.

6. Tugarev A.A. Vliv kadmia na morfofunkční charakteristiky erytrocytů: autor. dis. ... dr. biol. vědy. - M., 2003. - 28 s.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport toxických kovů molekulární/iontovou mimikou esenciálních sloučenin. – In: Příručka o toxikologii kovů / ed. Autor G.F. Nordberg a další. – 3d ed. – akad. Lis. – Londýn/New York/Tokio, 2007. – pp. 79–84

V poslední době je velká pozornost věnována studiu vlivu iontů těžkých kovů na stabilitu lidských erytrocytů.

Hlavním cílem toxicity těžkých kovů je biologická membrána.

Erytrocyt je univerzální model pro studium procesů probíhajících v buněčné membráně působením různých činidel. Podrobné studium změn morfofunkčních parametrů erytrocytů pod vlivem různých chemických podnětů, s nimiž se člověk setkává v procesu přirozených vztahů s přírodou, umožňuje plněji stanovit možné důsledky a určit nejúčinnější způsoby jejich nápravy pod vliv environmentálních a chemických faktorů prostředí. Toxický účinek různých sloučenin těžkých kovů je způsoben především interakcí s tělesnými bílkovinami, proto se nazývají bílkovinné jedy. Jedním z takových kovů je kadmium.

A.A. Tugarev navrhl soubor informativních kritérií pro hodnocení toxického účinku iontů kadmia na morfofunkční parametry lidských a zvířecích erytrocytů periferní krve.

D.V. Large studoval distribuci kovů mezi různými krevními frakcemi během expozice Zn, Cd, Mn, Pb in vitro. Autor potvrdil literární údaje o převládající primární vazbě kovů v krvi na albumin. Podle penetrační schopnosti byly studované kovy rozděleny Cd > Mn > Pb > Zn.

Vnější obal krvinek je bohatý na funkční skupiny schopné vázat kovové ionty.

Biologická úloha sekundární vazby kovů je velmi různorodá a závisí jak na povaze kovu, tak na jeho koncentraci a době expozice.

V dílech S.M. Okhrimenko prokázal zvýšení stupně hemolýzy erytrocytů po podání solí CaCl a HgCl2 zvířatům.

Ionty kobaltu jsou schopny přímo iniciovat peroxidaci lipidů (LPO), vytěsňovat železo z hemu a hemoproteinů, zatímco mechanismem účinku rtuti je vázat SH-skupiny proteinových a neproteinových thiolů. Předem podaný tryptofan částečně omezuje zvýšení spontánní hemolýzy erytrocytů způsobené zavedením chloridu kobaltnatého. Absence takového účinku v případě zavedení chloridu rtuťnatého do těla ukazuje na přítomnost dalšího mechanismu, zřejmě spojeného s vysokou afinitou rtuťových iontů k thioskupinám membránových proteinů.

M.O. Trusevich studoval vliv těžkých kovů (chloridy Co, Mn, Ni, Zn) v konečných koncentracích od 0,008 do 1 mM. Na základě získaných výsledků autoři došli k závěru, že všechny těžké kovy v koncentracích nad 0,008 mM mají toxický účinek na odolnost membrány erytrocytů, s výjimkou koncentrací 0,04 mM. U chloridu Zn byl zaznamenán pokles úrovně hemolýzy erytrocytů při koncentraci 0,04 mm.

Materiály a metody výzkumu

V této práci jsme studovali vliv těžkých kovů (Pb2+, Co2+, Zn2+) na membránovou stabilitu krevních erytrocytů u zdravého člověka a různých pacientů (diabetes mellitus, nádor štítné žlázy, akutní zápal plic).

Pro experimenty byla použita krev odebraná z prstu. 20 mm3 krve bylo odebráno do 2 ml fyziologického roztoku.

Erytrogram byl sestaven podle metody kyselých erytrogramů navržené Gitelsonem a Terskovem.

Ke sledování kinetiky hemolýzy byl použit fotoelektrický kolorimetr KFK-2. Jako standard byla brána koncentrace erytrocytů, jejichž optická hustota za těchto podmínek byla 0,700.

Výsledky výzkumu
a jejich diskusi

K suspenzi erytrocytů byly přidány roztoky těžkých kovů (chloridy Pb, Co, Zn) v konečných koncentracích 10–5 až 10–3 M. Výsledné vzorky byly inkubovány 10–60 minut. Poté byla stanovena optická hustota erytrocytů v závislosti na koncentraci a době expozice iontům těžkých kovů. Kromě toho byla studována kinetika kyselé hemolýzy erytrocytů v krvi zdravého člověka a v krvi pacientů v závislosti na koncentraci iontů těžkých kovů. Je známo, že v závislosti na věku člověka se mění membránová odolnost červených krvinek. V tomto ohledu byl při odběru krve zohledněn věk.

Bylo zjištěno, že použité ionty těžkých kovů ovlivňují membránovou rezistenci erytrocytů, což se projevuje změnou hustoty erytrocytů. Například hustota suspenze erytrocytů vystavených iontům Pb2+ v koncentraci 10-3 M po dobu 60 minut se sníží o 90 % a vlivem iontů Co2+ a Zn2+ o 70 a 60 % (doba působení 60 minut, koncentrace 10-3 M), přičemž hustota suspenze erytrocytů neošetřených ionty se nemění.

Bylo tedy zjištěno, že hustota suspenze erytrocytů se mění v závislosti na koncentraci a délce expozice iontům těžkých kovů – čím vyšší koncentrace a doba expozice, tím větší pokles hustoty erytrocytů.

Z erytrogramu charakterizujícího kyselou hemolýzu erytrocytů u zdravého člověka je vidět, že nástup hemolýzy ve 2. minutě, doba trvání hemolýzy byla 8 minut, maximálně 6 minut. Rychlost kyselé hemolýzy krve se mění působením iontů těžkých kovů. Pokud tedy porovnáme erytrogramy vzorků krve, které byly vystaveny iontům Pb2+ (koncentrace 10-3 M, doba expozice 30 minut), pak vidíme, že hemolýza trvá v průměru 4 minuty a maximální distribuce erytrocytů je 2 minuty ; ve srovnání s ionty Pb2+ a Co2+ působí ionty Zn2+ slabě a kyselá hemolýza trvá 6,5 minuty, maximálně 4 minuty (obr. 1, 2).

Předkládaná práce také studovala kinetiku kyselé hemolýzy krevních erytrocytů u pacientů s diabetes mellitus, tumorem štítné žlázy a akutní pneumonií. Jak je patrné ze získaných dat, v krvi pacientů se zápalem plic a nádory štítné žlázy dochází k akumulaci ve skupině málo odolných, středně odolných erytrocytů a k poklesu počtu vysoce odolných erytrocytů. . A u pacientů s diabetes mellitus je zvýšený erytrogram krve na pravé straně. To ukazuje na zvýšení hladiny erytropoézy v krvi.

Vliv iontů těžkých kovů použitých při práci na erytrocyty krve pacientů je různý (obr. 3, 4, 5). Například ionty Zn2+ mají silný účinek na erytrocyty pacienta s akutním zápalem plic a nádorem štítné žlázy ve srovnání s erytrocyty zdravého člověka. Naše údaje byly potvrzeny výsledky studií provedených u pacientů se zhoubnými nádory různé lokalizace, kde byly odhaleny výrazné narušení proteinového složení (snížení obsahu vysokomolekulárních polypeptidů při současném zvýšení podílu nízkomolekulárních proteiny) a také se ukázalo, že ionty Zn2+ se vážou hlavně na nízkomolekulární proteiny. Vlivem iontů Pb2+ na erytrocyty pacientů je pozorován posun celého erytrogramu doleva, takže celá masa erytrocytů ztrácí stabilitu.

Rýže. 1. Erytrogram krve zdravého člověka po expozici iontům Co2+:
Doba expozice 30 min P< 0,5

Rýže. 2. Erytrogram krve zdravého člověka po expozici iontům Zn2+:
1 - ovládání; 2-10-5M; 3 - 10-4 M; 4-10-3M.
Doba expozice 30 min P< 0,5

Získaná data umožňují uvažovat o tom, že změna fyzikálně-chemického složení erytrocytů, která se projevuje variabilitou jejich rezistence, je důsledkem poškození membrány erytrocytů při expozici iontům těžkých kovů. Účinek iontů těžkých kovů (Pb2+, Co2+, Zn2+) závisí na koncentraci, délce jejich expozice a předchozím zdravotním stavu člověka.

Rýže. 3. Krevní erytrogram pacientů se zápalem plic po expozici iontům těžkých kovů:
1 - krev pacientů s pneumonií; 2-C02+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M).
Doba expozice 30 min P< 0,3

Rýže. 4. Krevní erytrogram pacientů s nádorem štítné žlázy
po expozici iontům těžkých kovů:
1 - krev pacientů s nádorem štítné žlázy; 2-C02+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M). Doba expozice 30 min P< 0,4

Rýže. 5. Krevní erytrogram diabetických pacientů po expozici iontům těžkých kovů:
1 - krev pacientů s diabetem; 2 - Zn2+ (10-5 M); 3-C02+ (10-4 M); 4 - Pb2+ (10-3 M).
Doba expozice 30 min P< 0,3

Recenzenti:

Khalilov R.I.Kh., doktor fyzikálních a matematických věd, vedoucí výzkumný pracovník Laboratoře radioekologie Ústavu radiačních problémů Národní akademie věd Ázerbájdžánu, Baku;

Huseynov T.M., doktor biologických věd, vedoucí laboratoře ekologické biofyziky Fyzikálního ústavu Národní akademie věd Ázerbájdžánu, Baku.

Práce obdržela redakce 17. září 2012.

Bibliografický odkaz

Přes 25 % všech enzymů obsahuje silně vázané ionty kovů nebo jsou aktivní pouze v jejich přítomnosti. Ke studiu funkcí kovových iontů se využívají metody rentgenové krystalografie, nukleární magnetické rezonance (NMR) a elektronové paramagnetické rezonance (EPR). V kombinaci s informacemi o vzniku a rozpadu

Kovové enzymy a kovy aktivované enzymy

Metaloenzymy obsahují určité množství kovových iontů, které mají funkční význam a zůstávají spojeny s molekulou enzymu během jeho čištění. Enzymy aktivované kovy je váží méně silně, ale pro svou aktivitu vyžadují přídavek kovů do média. Rozdíl mezi metaloenzymy a kovy aktivovanými enzymy je tedy založen na afinitě daného enzymu k jeho „vlastnímu“ kovovému iontu. Mechanismy založené na účasti kovových iontů na katalýze jsou zjevně v obou případech podobné.

Trojité komplexy enzym-kov-substrát

Pro ternární (třísložkové) komplexy, včetně katalytického centra, kovového iontu (M) a substrátu (S) se stechiometrií 1:1:1, jsou možná čtyři různá schémata tvorby:

V případě enzymů aktivovaných kovy jsou realizována všechna čtyři schémata. U metaloenzymů je tvorba komplexu nemožná, jinak by nemohly kov pojmout při procesu čištění (jsou ve formě). Lze formulovat tři obecná pravidla.

1. Většina (ale ne všechny) kinázy (-transferázy) tvoří komplexy s můstkovým substrátem, jako je nukleosid-M.

2. Fosfotransferázy využívající jako substrát pyruvát nebo fosfoenolpyruvát, další enzymy, které katalyzují reakce zahrnující fosfoenolpyruvát, stejně jako karboxylázy tvoří komplexy s kovem můstku.

3. Daný enzym může být schopen vytvořit jeden typ můstkového komplexu s jedním substrátem a jiný typ s jiným.

Přemostěné enzymové komplexy (M-Enz-S)

Zdá se, že kovy v komplexech s přemosťujícím enzymem hrají strukturální roli, udržují aktivní konformaci (příkladem je glutaminsyntáza) nebo tvoří můstek s jiným substrátem (jako u pyruvátkinázy). V pyruvátkináze hraje kovový iont nejen strukturální roli, ale také zadržuje jeden ze substrátů (ATP) a aktivuje ho:

Přemostěné substrátové komplexy

Vznik trojitých komplexů s můstkovým substrátem, který je pozorován při interakci enzymů s nukleosidtrifosfáty, je zřejmě spojen s vytěsněním kovu z koordinační sféry, který je nahrazen ATP.

Substrát se poté naváže na enzym a vytvoří trojitý komplex:

Předpokládá se, že při fosfotransferázových reakcích kovové ionty aktivují atomy fosforu a tvoří tuhý polyfosfát-adeninový komplex ve vhodné konformaci, který je začleněn do aktivního čtyřsložkového komplexu.

Kovové komplexy mostů

Krystalografická data, stejně jako analýza primární struktury, ukazují, že histidinový zbytek se podílí na vazbě kovů v aktivních centrech mnoha proteinů (příklady jsou karboxypeptidáza A, cytochrom c, rubredoxin, metmyoglobin a methemoglobin; viz kapitola 6). Limitujícím krokem při tvorbě binárních (dvousložkových) komplexů Enz-M je v mnoha případech vytěsnění vody z koordinační sféry kovového iontu. Aktivace mnoha peptidáz kovovými ionty je pomalý proces trvající několik hodin. Tato pomalá reakce

s největší pravděpodobností spočívá v konformačním přeskupení binárního komplexu Enz-M, což vede k vytvoření aktivní konformace. Tento proces lze znázornit takto:

Přeskupení s vytvořením aktivní konformace (Enz:

V případě metaloenzymů by k vytvoření ternárního komplexu s můstkovým kovem mělo dojít přidáním substrátu k binárnímu komplexu:

Úloha kovů v katalýze

Kovové ionty se mohou účastnit každého ze čtyř známých typů mechanismů, kterými enzymy urychlují chemické reakce: 1) obecná acidobazická katalýza; 2) kovalentní katalýza; 3) konvergence reaktantů; 4) indukce stresu v enzymu nebo substrátu. Kromě iontů železa, které fungují v proteinech obsahujících hem, se nejčastěji podílejí na enzymatické katalýze, i když v práci některých enzymů hrají důležitou roli i jiné ionty (např.).

Kovové ionty, stejně jako protony, jsou Lewisovy kyseliny (elektrofily) a mohou tvořit vazbu se svými ligandy prostřednictvím sdíleného elektronového páru. Kovové ionty lze také považovat za „superkyseliny“, protože jsou stabilní v neutrálním roztoku, často nesou kladný náboj (> 1) a jsou schopné tvořit vazby. Navíc (na rozdíl od protonů) mohou kovy sloužit jako trojrozměrná matrice orientující hlavní skupiny enzymu nebo substrátu.

Kovové ionty mohou fungovat jako akceptory elektronů za vzniku vazeb, aktivujících elektrofily nebo nukleofily (obecná acidobazická katalýza). Kovy mohou aktivovat nukleofily darováním elektronů, nebo mohou samy působit jako nukleofily.

Tabulka 9.1. Příklady ilustrující roli kovových iontů v mechanismu působení enzymů

Koordinační sféra kovu může zajistit kontakt mezi enzymem a substrátem (sblížení) nebo prostřednictvím tvorby chelátů uvést enzym nebo substrát do stresového stavu. Kovový iont může maskovat nukleofil a zabránit tak vedlejším reakcím. Konečně je možné stereochemické řízení průběhu enzymatické reakce, které je zajištěno schopností kovové koordinační sféry hrát roli trojrozměrné matrice, která drží reagující skupiny v požadované prostorové orientaci (tab. 9.1).

LITERATURA

Crane F. Hydrochinon dehydrogenázy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, 2. vydání, Freeman, 1985.

Kraut J. Serinové proteázy: Struktura a mechanismus katalýzy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mechanismus působení enzymů, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Kinetika a mechanismy enzymů. Části A a B. In: Methods in Enzymology, sv. 63, 1979; sv. 64, 1980, Academic Press.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mechanisms of enzyme-catalyzed group transfer reaction, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Biotinové enzymy, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

Koncept kovů života. sodík a draslík. Struktura atomů a znaky hydratace kationtů, které určují jejich obsah v extracelulárním a intracelulárním prostředí.

Kovy života- deset prvků: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Jejich podíl v těle činí 2,4 %. Všechny živé kovy v těle jsou buď ve formě volných kationtů, nebo jsou to ionty - komplexotvorná činidla spojená s bioligandy. Aktivně se podílejí na metabolismu.

sodík a draslík jsou prvky skupiny IA. Atomy prvků této skupiny mají ve vnější vrstvě na s-podúrovni jeden elektron, který mají tendenci darovat ve sloučeninách partnerovi za vzniku stabilních symetrických monokationtů s elektronovou konfigurací nejbližšího vzácného plynu.

Vzhledem ke stabilitě elektronové struktury a nízké hustotě kladného náboje na povrchu kationtů Na + a K + nemohou jejich volní atomoví obyvatelé vnější úrovně účinně interagovat s osamělými páry elektronů nejbližších molekul vody. , díky čemuž jsou zadržovány v hydratačním obalu kationtu pouze elektrostaticky. Sodné a draselné kationty proto nepodléhají hydrolýze ve vodném prostředí a prakticky nevykazují tendenci k tvorbě komplexů.

Hlavní rozdíl ve vlastnostech kationtů sodíku a draslíku je dán rozdílem v hustotě kladného náboje na jejich povrchu: kationt Na + ho má vyšší, takže jeho elektrostatické pole pevněji drží molekuly vody. V důsledku toho je kation sodíku charakterizován pozitivní hydratací, zatímco kation draslíku je charakterizován negativní hydratací. To může podle Slesareva Valeryho Ivanoviče vysvětlit, proč jsou kationty Na + a K + v živých systémech antagonisté a proč jsou draselné kationty převážně součástí intracelulárních a sodné kationty - mezibuněčné tekutiny.

Koncentrace iontů K + uvnitř buňky je asi 35krát vyšší. Než mimo něj a koncentrace iontů Na + v extracelulární tekutině je 15krát větší než uvnitř buňky. Pro realizaci mnoha důležitých biologických procesů je nutné neustále udržovat takové nerovnoměrné rozložení těchto iontů, které vyžaduje energii, neboť k přenosu iontů membránou musí docházet proti gradientu jejich koncentrací. To je realizováno pomocí draslíkovo-sodné pumpy, která díky energii hydrolýzy jedné molekuly ATP odebere z buňky tři kationty Na + a do buňky pošle dva kationty K +. V důsledku nerovnováhy přenesených elektrických nábojů je vnitřní povrch membrány nabit záporně a vnější kladně.

Vysoká intracelulární koncentrace K iontů primárně zajišťuje osmotický tlak uvnitř buňky, aktivaci enzymatických systémů pro syntézu proteinů na ribozomech a oxidaci sacharidů. V erytrocytech se K ionty podílejí na práci hemoglobinových a oxyhemoglobinových pufrovacích systémů a aktivují tak enzym karboanhydrázu oxidu uhelnatého.

Ionty K + a Na + aktivovat adenosintrifosfatáza (ATP - aza) buněčných membrán, která poskytuje energii pro pumpu draslíku a sodíku. Tyto ionty mají významný vliv na činnost centrálního nervového systému (CNS). Nadbytek Na + iontů v buňkách mozkové kůry způsobuje depresi, tzn. inhibice aktivity centrálního nervového systému. Nadbytek kationtů K v těchto buňkách naopak excituje centrální nervový systém a způsobuje manický stav.

Učebnice: 338–341.

Hořčík a vápník, struktura atomů a vlastnosti hydratace jejich iontů. Formy existence, umístění a role kationtů hořčíku a vápníku v těle. Reakce tvorby a destrukce kostní tkáně a její funkce.

Tělo dospělého člověka obsahuje asi 20 g kationtů hořčíku a 1000 g vápníku. Polovina kationtů hořčíku a téměř 99 % vápníku je v kostní tkáni, zbytek je v měkkých tkáních. Denní potřeba kationtů hořčíku je asi 0,3 g, vápníku - 1 g a u žen v těhotenství se potřeba kationtů vápníku zvyšuje 3-4krát.

Hořčík a vápník jsou prvky skupiny IIA periodického systému. Atomy prvků této skupiny mají ve vnější vrstvě dva elektrony na s-podúrovni (12 Mg: 3s 2; 20 Ca: 4s 2), které mají tendenci se ve sloučeninách vzdávat partnerovi.

Rozdíl ve vlastnostech kationtů hořčíku a vápníku ve vodném prostředí je spojen s rozdílem v hustotě kladného náboje na jejich povrchu. Vzhledem k tomu, že kation Mg 2+ má menší poloměr než Ca 2+ (66, resp. 99), lépe hydratuje a navíc jeho volné atomové orbitaly vnější úrovně, včetně 3d orbitalů, jsou schopny interagovat s osamělými páry elektronů molekul vody, tvořících vcelku stabilní akvakomplexy 2+ .

Hořčíkový kationt je schopen tvořit kovalentní vazby ve srovnání s vápenatým kationtem. V tomto ohledu jsou kationty hořčíku, na rozdíl od kationtů vápníku, schopné hydrolýzy:

Mg2+ +H20⇌ Mg (OH) + + H+

Hlavní hmota kationtů hořčíku, která je mimo kosti, je soustředěna uvnitř buněk. Ionty hořčíku hrají důležitou roli při udržování osmotického tlaku uvnitř buněk. Většina hořčíku v krvi je obsažena v ionizované formě, tzn. ve formě vodního iontu (55-60 %) je přibližně 30 % spojeno s proteiny a 10-15 % je součástí komplexních sloučenin s fosfolipidy a nukleotidy.

Hořčíkové kationty jsou díky tvorbě komplexů jedním z hlavních aktivátorů enzymatických procesů. Aktivují tedy enzymy oxidativní fosforylace, replikace DNA a mineralizace kostí.

Na rozdíl od iontů hořčíku jsou kationty vápníku koncentrovány převážně v mezibuněčných tekutinách. Metabolismus vápníku je řízen hormony příštítných tělísek a štítné žlázy a také vitaminem D.

Hlavní minerální složkou kostní tkáně je hydrogenfosforečnan vápenatý.

Ca 5 (P0 4) 3 OH (hydroxyapatit). kostní tkáň udržuje koncentraci iontů Ca 2+ v biologických tekutinách na určité úrovni, lze ji tedy považovat za kalciový pufr organismu.

kompaktní kostní tkáň (kompaktní hmota) - jeden ze dvou typů kostní tkáně, které tvoří kost. Zajišťuje podpůrné, ochranné funkce kosti, slouží jako úložiště chemických prvků.

Kompaktní látka tvoří kortikální vrstvu většiny kostí. Je mnohem hustší, těžší a pevnější než houbovitá hmota. Kompaktní kostní tkáň tvoří asi 80 % celkové hmotnosti lidské kostry. Primární strukturní a funkční jednotkou kompaktní hmoty je osteon.

Učebnice: 341 – 344.

Železo a kobalt, atomová struktura a charakteristické oxidační stavy. Kyselina - bazické, redoxní a komplexotvorné vlastnosti sloučenin těchto kovů. Úloha sloučenin těchto kovů v živém organismu.

Lidské tělo obsahuje asi 5 g železa a 1,2 mg kobaltu. Většina železa (70 %) je koncentrována v hemoglobinu v krvi; 14 % kobaltu se nachází v kostech, 43 % ve svalech a zbytek v měkkých tkáních. Denní příjem železa je 10-20 mg a kobaltu 0,3 mg.

železo a kobalt- prvky 4. periody skupiny VIIIB periodického systému s elektronickými konfiguracemi 26 Fe: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ; 27 Co: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2

Nejcharakterističtější oxidační stavy pro železo a kobalt +2 a +3.

Ve vodných roztocích jsou kationty Fe 2+, Fe 3+, Co 2+ a Co 3+ hydratovány za vzniku šestisouřadnicových akvakomplexů.

Fe 2+ je silné redukční činidlo schopné oxidovat i vzdušný kyslík.

Co 3+ je tak silné oxidační činidlo, že oxiduje i vodu:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H20 = 4Fe(OH)3

2Co 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O \u003d 4CoSO 4 + 2H 2 SO 4 + O 2

Oxidy a hydroxidy železa a kobaltu bez ohledu na stupeň oxidace vykazují slabé amfoterní vlastnosti s převahou zásaditých vlastností, zejména v případě dvojmocného stavu, kdy interakce probíhá pouze s koncentrovanými roztoky alkálií a při zahřívání.

Kationty železa a kobaltu jsou velmi náchylné ke komplexní tvorbě. Pro ně je to nejpravděpodobnější koordinační číslošest:

komplexní formace kationty železa a kobaltu silně, ale odlišně, ovlivňují jejich redoxní vlastnosti v závislosti na poměru stability komplexů oxidovaných a redukovaných forem se stejnými ligandy.

komplexní formace Díky Co 3+ s ligandy aktivnějšími než molekuly vody je stabilní ve vodných roztocích.

Kobalt, jeden ze stopových prvků životně důležitých pro tělo. Je součástí vitaminu B 12 (kobalamin). Kobalt se podílí na krvetvorbě, funkcích nervového systému a jater, enzymatických reakcích. Lidské tělo obsahuje 0,2 mg kobaltu na každý kilogram lidské hmotnosti. Při nedostatku kobaltu se rozvíjí akobaltóza.

v živých organismech žehlička je důležitým stopovým prvkem, který katalyzuje procesy výměny kyslíku (dýchání). Normálně železo vstupuje do enzymů ve formě komplexu zvaného hem. Tento komplex je přítomen zejména v hemoglobinu, nejdůležitější bílkovině, která zajišťuje transport kyslíku krví do všech orgánů lidí a zvířat. A právě on barví krev do charakteristické červené barvy.

Je tam velká skupina asi 50 druhů, enzymy obsahující železo - cytochromy, které katalyzují proces přenosu elektronů v dýchacím řetězci změnou oxidačního stavu železa Fe 3+ + e -   Fe 2+

Učebnice: 349 – 352.