Multe industrii procesează sau folosesc diverși compuși de mercur, crom, cadmiu, zinc, plumb, cupru, nichel, arsen și alte substanțe, ceea ce duce la poluarea apelor uzate. Pentru a elimina aceste substanțe din apele uzate, în prezent sunt cele mai comune metode de purificare cu reactivi, a căror esență este transferul substanțelor solubile în apă în substanțe insolubile prin adăugarea diverșilor reactivi, urmată de separarea lor de apă sub formă de precipitare. Dezavantajul metodelor de curățare a reactivilor este pierderea irecuperabilă a substanțelor valoroase prin precipitare.

Ca reactivi pentru îndepărtarea ionilor de metale grele din apele uzate, se folosesc hidroxidi de calciu și sodiu, carbonat de sodiu, sulfuri de sodiu și diverse deșeuri, de exemplu, zgura ferocrom, care conține (în%):

Ca - 51,3; MgO - 9,2; Si02 - 27,4; Cr203 - 4,13; Al203 - 7,2, FeO2 - 0,73.

Cel mai utilizat este hidroxidul de calciu. Precipitarea metalelor are loc sub formă de hidroxizi. Procesul se desfășoară la diferite valori ale pH-ului.

Valorile pH-ului corespunzătoare începutului precipitării hidroxizilor diferitelor metale și precipitației complete (Tabelul 1.10) depind de natura metalelor, concentrația lor în soluție, temperatură și conținutul de impurități. De exemplu, în precipitarea în comun a doi sau mai mulți ioni metalici la pH = const; se obțin rezultate mai bune decât cu depunerea separată a fiecăruia dintre metale. În acest caz, se formează cristale mixte și ionii metalici sunt adsorbiți pe suprafața fazei solide, obținându-se astfel o purificare mai completă a unor metale.

Tabelul 1.10

Valorile pH-ului în timpul precipitării hidroxizilor metalici

* La concentraţia iniţială a ionului depus 0,01 mol/l.

** Valorile pH-ului corespund unei concentrații reziduale de metal de 10 mol/l.

Purificarea compușilor de mercur. Apele uzate contaminate cu mercur și compușii acestuia sunt generate în timpul producției de clor și sodă caustică, în alte procese de electroliză cu electrozi de mercur, în fabrici de mercur, în unele industrii de galvanizare, la fabricarea coloranților, hidrocarburilor și în întreprinderile care utilizează mercurul ca catalizator.

Apele uzate industriale pot conține mercur metalic, compuși anorganici și organici ai mercurului. Compuși anorganici ai mercurului: oxid - HgO, clorură (clorură de mercur) - HgC12, sulfat - HgSO4, sulfură (cinabru) - HgS, azotat - Hg (NO3) 2, cianura - Hg (NCS) 2, tiocianat - Hg (OCN) 2 cianat - Hg(OCN)2. În compușii anorganici, ionii Hg2+ sunt în principal toxici; prin urmare, sărurile foarte solubile și ușor disociate sunt cele mai periculoase.

Compușii organici de mercur sunt utilizați în conservarea lemnului, în sinteza compușilor organometalici, ca pesticide, pentru protejarea materialelor plastice, a pastei de hârtie și a textilelor, a adezivilor de cazeină de ciupercile de mucegai. Compușii organici ai mercurului sunt foarte toxici și diferă de sărurile anorganice prin faptul că nu reacţionează la ionii de Hg. In rezervoare, sub influenta compusilor organici continuti in apele naturale, mercurul este transformat in compusi foarte toxici. Concentrația maximă admisă de mercur în corpurile de apă este de 0,005 mg/l.

Mercurul metalic poate fi îndepărtat din apele uzate în procesele de sedimentare sau filtrare. Particulele care au trecut cu filtratul sau nu au avut timp să se depună sunt oxidate cu clor sau NaOCl la HgCl2. Apa este apoi tratată cu un agent reducător (NaHSO4 sau Na2SO3) pentru a le îndepărta și a lega reziduurile de clor liber. Mercurul este precipitat cu sulfură de sodiu, urmată de coagularea sulfurei de mercur rezultată cu clorură de fier. Purificarea poate fi efectuată cu o sare mixtă - sulfură de fier și sulfat de bariu.

Pentru izolarea mercurului din apele uzate se folosesc metode de recuperare: sulfură de fier, hidrosulfură de sodiu, hidrazină, pulbere de fier, hidrogen sulfurat gazos etc. Metodele de sorbție pentru îndepărtarea mercurului sunt studiate pe larg. Foarte eficient este schimbul de ioni cu adsorbanți de vinilpiridină, a căror capacitate ajunge la 40%. Cea mai obișnuită modalitate de a elimina compușii de mercur solubili în apă este transformarea lor în sulfură de mercur puțin solubilă și precipitarea acesteia.

Produsul de solubilitate al HgS în apă este 1,6-10-20, ceea ce corespunde unei concentrații reziduale în soluție de 2,5-10-21 mg/l. Pentru a precipita Hg în apa uzată, se adaugă mai întâi sulfură de sodiu, hidrosulfură de sodiu sau hidrogen sulfurat. Apoi apa se tratează cu cloruri de sodiu, potasiu, magneziu, calciu sau sulfit de magneziu în cantitate de 0,1 g/l. În aceste condiții, sulfura de mercur precipită sub formă de granule. Pentru a îndepărta particulele coloidale fin dispersate de sulfură de mercur, este recomandabil să adăugați coagulanți Al(SO4)3∙18H2O, FeSO4∙7H2O etc.

Precipitatul de sulfură de mercur este separat de apa reziduală pe filtre cu vid sau cu filtru pres. Separarea HgS la o concentrație reziduală de 0,001 mg/l poate fi realizată și pe filtrele de carbon. Cărbunele uzat care conține sulfură de mercur este ars într-un cuptor sau tratat pentru a recupera mercurul. Pentru a elimina compușii de mercur din soluții, se poate folosi și sulfura de fier proaspăt precipitată, care se obține prin interacțiunea ionilor S2– sau FeSO4∙7H2O, FeCl3∙6H2O. Pentru curățare se poate folosi și un amestec de sulfură de fier cu sulfat de bariu cu un exces de sulfură de fier. Compușii anorganici de mercur dizolvați pot fi reduși la mercur metalic și ulterior izolați din apă.

Pe lângă metodele de sedimentare, metodele de sorbție pot fi utilizate și pentru tratarea apelor uzate din compușii anorganici de mercur.

A fost studiat procesul de formare a amalgamului de mercur într-un câmp electric. Metoda este potrivită pentru tratarea apelor uzate care conțin de la 0,01 la 100 mg/l de compuși de mercur. În acest proces, apa reziduală este filtrată prin straturi de bile de sticlă acoperite cu cupru sau zinc. Bilele sunt catodul, iar corpul exterior al aparatului este anodul. La regenerarea sarcinii filtrului, electrozii sunt inversați.

Compușii organici ai mercurului sunt mai întâi distruși prin oxidare, cum ar fi clorul gazos. După îndepărtarea excesului de clor, cationii de mercur sunt reduși la metal sau transferați la sulfuri puțin solubile, urmate de îndepărtarea precipitatului.

Purificarea compușilor din zinc, cupru, nichel, plumb, cadmiu, cobalt. Sărurile acestor metale sunt conținute în apele reziduale ale uzinelor miniere și de prelucrare, ale uzinelor metalurgice, de construcții de mașini, de prelucrare a metalelor, chimice, chimico-farmaceutice, vopsea și lac, textile și alte fabrici.

Când apele acide sunt tratate cu oxid de calciu și hidroxid de sodiu, ionii acestor metale grele conținute în apele uzate sunt legați în compuși puțin solubili. Compoziția sărurilor depinde de pH-ul mediului. Deci, la pH = 7, sulfatul de hidroxid de zinc din compoziția ZnSO4∙3Zn(OH)2 precipită, iar cu o creștere a pH-ului la 8,8, compoziția precipitatului corespunde formulei ZnSO4∙5Zn(OH)2. Într-un mediu puternic alcalin, faza solidă este în principal hidroxid.

La tratarea efluenților care conțin săruri de zinc cu hidroxid de sodiu, dozarea reactivului trebuie efectuată sub control strict asupra pH-ului efluentului tratat pentru a nu crea condiții pentru dizolvarea hidroxizilor amfoteri. Izolarea cationilor Zn2+ de către alcalii se bazează pe conversia lor în hidroxid de zinc puțin solubil:

Produsul de solubilitate al hidroxidului de zinc este 7,1

1018, începutul precipitațiilor corespunde pH-ului = 5,4. La pH = 10,5 începe dizolvarea hidroxizilor de zinc amfoteri, iar când se atinge pH = 12 se formează un complex:

Pe baza acestui lucru, curățarea trebuie efectuată la pH = 8-9. În aceste condiții, are loc precipitarea maximă a hidroxidului de zinc.

Sub acțiunea sifonului asupra apei uzate care conțin săruri de zinc, se formează hidroxocarbonați:

La valori ale pH-ului de la 7 la 9,5 se formează carbonatul bazic al compoziției, pornind de la pH = 10, proporția de hidroxid crește.

Deși precipitarea carbonaților bazici începe la valori mai mici ale pH-ului decât hidroxizii corespunzători, consumul de sodă pentru precipitare este mai mare decât atunci când se utilizează sodă caustică sau var. Acest lucru se explică prin faptul că în timpul precipitării metalelor grele cu sodă, procesul trece prin etapa de formare a hidrocarbonaților și este necesar un exces de reactiv pentru a finaliza reacția.

Eliberarea de dioxid de carbon ca urmare a precipitării sifonului duce la faptul că bulele de gaz învăluie particulele sedimentului și le ridică, contribuind la ascensiunea unei părți a sedimentului în rezervoarele de decantare. Gazul trebuie îndepărtat prin purjare cu aer la atingerea pH-ului = 4,5.

Dezavantajele sodei caustice și ale sodei ca reactivi ar trebui să includă, de asemenea, costul și deficitul lor relativ ridicat.

Tratarea apelor uzate din cupru este asociată cu precipitarea acestuia sub formă de hidroxid sau hidroxid de carbonat:

Precipitarea hidroxidului de cupru are loc la pH = 5,3.

Solubilitatea hidroxicarbonatului de cupru este neglijabilă, deci este cel mai avantajos să se precipite cuprul ca carbonat bazic. Pentru a face acest lucru, este necesar să existe atât ioni de hidroxid, cât și de carbonat în soluția de agent de neutralizare. Prin urmare, utilizarea numai a alcalinelor sau a varului de cea mai înaltă calitate, dând ioni de hidroxid, pentru precipitarea cuprului este nepractică. Cel mai bun reactiv pentru tratarea apelor uzate din cationii de cupru este varul de gradul III care conține „subcombustie” (CaCO3).

Procesul de extragere a cuprului din apele uzate prin precipitare cu ferocianura de potasiu este posibil. Acest reactiv poate fi folosit și pentru a precipita alți ioni de metale grele.

Pentru a elimina cuprul și cadmiul din apele uzate, a fost dezvoltat un proces prin contactarea acestora cu dioxid de sulf sau sulfiți și pudră de metal, cum ar fi zincul sau fierul. În acest caz, metalul reduce sulfiții în sulfuri, care formează sulfuri puțin solubile cu metalele grele. La pH = 2 si temperatura apei uzate de 50 0C, la care se desfasoara procesul, se obtine un grad ridicat de purificare.

Purificarea apelor uzate din nichel se bazează pe separarea acesteia din soluție sub formă de compuși puțin solubili:

Precipitarea hidroxidului de nichel începe la pH=6,7. Produsul de solubilitate al Ni(OH)2 este 2,0-10-18. În ceea ce privește cuprul, concentrația cationilor de nichel este extrem de dependentă de pH: la pH = 8,0 este de 23,5 mg/l, iar la pH = 9,5 doar 0,5 mg/l. Produsul de solubilitate al carbonatului de nichel este mai mare decât al hidroxidului de nichel și este egal cu 6,6-10-9. Solubilitatea carbonatului de hidroxid de nichel este practic nulă, prin urmare, pentru îndepărtarea cât mai completă a nichelului, trebuie utilizat var de gradul III care conține CaCO3 (precum și pentru cupru).

Cationii de plumb în soluție sunt precipitați sub forma unuia dintre cei trei compuși puțin solubili:

Începutul precipitării hidroxidului de plumb corespunde pH-ului = 6,0. Produsul solubilității sale este 1,1 10–20, cel al carbonatului de plumb este 1,0–10–13. Carbonatul bazic de plumb este insolubil în apă. Datele prezentate arată că toate cele trei metode sunt aplicabile pentru îndepărtarea plumbului. Cea mai ieftină dintre ele este producția de carbonat de plumb folosind calcar, cretă și marmură ca precipitant. Datorită faptului că sunt roci minerale solide, pot fi folosite ca încărcătură filtrantă prin care se filtrează efluenții tratați.

Deși apele uzate conțin de obicei mai mulți cationi metalici, nu este posibil să se folosească o metodă specifică de precipitare pentru a elimina fiecare dintre aceștia. Prin urmare, apa uzată este de obicei tratată cu hidroxid de calciu (lapte de var), preparat din var de gradul III; în acest caz, are loc precipitarea simultană a cationilor de metale grele sub formă de hidroxoli, hidroxizi și carbonați. S-a stabilit că prin depunerea în comun a mai multor metale se obțin rezultate mai bune decât cu depunerea separată a fiecăruia dintre metale. Acest lucru se datorează formării de cristale mixte și adsorbției ionilor metalici pe suprafața fazei solide.

Pentru a crește gradul de epurare a apelor uzate care conțin metale grele, se propune, după precipitarea hidroxizilor acestora cu var la pH - 8,5 și separarea precipitatului, să se introducă în apele uzate limpezite o soluție în cantitate de 5-30 de ori mai mare decât norma stoichiometrică. După separarea nămolului, apele uzate cu un conținut scăzut de ioni de metale grele pot fi returnate în sistemul de alimentare cu apă în circulație.

Tratarea apelor uzate cu reactivi alcalini face posibilă reducerea conținutului de metale grele din soluție la valori comparabile cu MPC pentru corpurile de apă sanitară. Cu toate acestea, atunci când este necesară o curățare mai profundă, de exemplu, cu deversare directă în apele de pescuit, curățarea cu reactivi alcalini nu dă efectul dorit.

O purificare mai profundă a metalelor grele se realizează prin tratarea apelor uzate cu sulfură de sodiu. Acest lucru se datorează faptului că solubilitatea sulfurilor de metale grele este mult mai mică decât solubilitatea oricăror alți compuși puțin solubili - hidroxizi și carbonați.

Pirita poate fi folosită pentru a îndepărta cantități mici de ioni de metale grele. Procesul poate fi realizat prin filtrarea apei uzate prin pirita granulară sau prin introducerea directă a pulberii în apa reziduală. Pe lângă pirită, în acest scop poate fi utilizată orice altă sulfură metalică netoxică, al cărei produs de solubilitate este mai mare decât produsul de solubilitate al sulfurei metalului extras din apa uzată.

Întrucât hidroxizii și sulfurile metalelor grele formează sisteme coloidale stabile, pentru a intensifica procesul de depunere a acestora în apele uzate este necesară introducerea de coagulanți și floculanti. Particulele coloidale de sulfuri au o sarcină negativă, prin urmare, electroliții cu cationi cu încărcare multiplă sunt utilizați pentru a coagula sulfurile - de obicei sulfați de aluminiu sau ferici. La coagularea hidroxizilor este necesar un electrolit cu anioni cu încărcare multiplă, deoarece particulele coloidale sunt încărcate pozitiv. Ionii de sulfat sunt buni coagulanți ai hidroxizilor. În plus față de coagularea electroliților, în practică este adesea folosită coagularea reciprocă a soluțiilor coloidale cu sarcini de particule opuse. Pentru a accelera procesul de coagulare se folosesc floculanti, in principal poliacrilamida. Adăugarea lui într-o cantitate de 0,01% în greutate substanță uscată crește viteza de precipitare a hidroxizilor metalici de 2-3 ori.

Schema epurării chimice a apelor uzate din ioni de metale grele cu separarea precipitațiilor este prezentată în fig. 1,59.

Dezavantajul acestui tratament este formarea unei cantități mari de nămol greu de deshidratat. În plus, apa purificată conține o cantitate mare de săruri de calciu, așa că este dificil să o folosești în alimentarea cu apă circulantă. Pe baza acesteia se propune tratarea scurgerii dupa decantarea succesiva cu clorura de calciu si soda. În acest caz, are loc co-precipitarea carbonaților metalici cu carbonatul de calciu. Precipitatele cristaline rezultate de carbonați metalici au un volum mic și se deshidratează ușor. În același timp, apa este dedurizată, ceea ce face posibilă utilizarea acesteia în sistemul de alimentare cu apă în circulație.

Purificarea compușilor de arsenic. Concentrația maximă admisă de arsen în corpurile de apă este de 0,05 mg/l. Reactiv, sorbție, electrochimic, extracție și alte metode sunt utilizate pentru tratarea apelor uzate din arsen. Alegerea metodei depinde de forma arsenicului dizolvat, compoziția, aciditatea și alți indicatori ai apei.

Pentru purificarea unor cantități mari de apă cu conținut ridicat de arsen, metoda precipitării sale chimice sub formă de compuși puțin solubili (arseniați și arseniți de metale alcalino-pământoase și grele, sulfuri și trioxid de arsen) și-a găsit aplicație practică.

Laptele de var este utilizat pe scară largă pentru a îndepărta compușii de arsenic care conțin oxigen. În acest caz, în funcție de compoziția apei uzate și de condițiile de tratare (pH, temperatură, consum de reactiv), precipită arseniații și arseniții de diferite compoziții. Prezența ionilor de metale grele în apele uzate crește gradul de purificare din arsen, deoarece. are loc precipitarea arseniaţilor şi arseniţilor acestor metale.

Din soluții puternic acide, arsenul este precipitat cu sulfură de sodiu, hidrogen sulfurat. Purificarea apelor uzate sulfurate-alcaline din arsen, care face parte din anionii tiosărurilor, se realizează cu sulfat de fier (sulfat feros).

Compușii de arsenic pentavalent sunt îndepărtați din apele uzate mai bine decât cei trivalenti. În plus, depozitarea sedimentelor care conțin arsenic pentavalent este mai ieftină, deoarece este mai puțin toxic și mai puțin solubil. Pe baza acestui fapt, compușii trivalenți de arsen sunt oxidați la arsen pentavalent înainte de precipitare. Ca agenți de oxidare se folosesc înălbitorul, clorul, pasta de hipoclorit, peroxidul de hidrogen, acidul azotic, ozonul, piroluzitul etc.

Piroluzitul, un material natural constând în principal din dioxid de mangan, este utilizat pe scară largă pentru oxidarea arsenului trivalent. Într-un mediu acid, procesul decurge după cum urmează:

Mod de oxidare optim: consumul de MnO2 este de patru ori fata de cel stoichiometric, aciditatea solutiei este de 30-40 g/l de acid sulfuric, temperatura este de 70-80 0C, timpul de oxidare este de 3 ore.

După oxidarea arsenului, acesta este precipitat sub formă de arsenit de mangan cu neutralizare cu hidroxid de calciu (lapte de var) la pH = 6-9. Sedimentul este apoi filtrat și îngropat în șanțuri etanșe.

Efluentul cu o concentrație scăzută de arsen este oxidat prin filtrarea apei printr-un strat de piroluzit. Precipitarea se efectuează cu lapte de var în prezența ionilor de fosfat.

Pe lângă capacitatea de oxidare, piroluzitul are proprietăți de sorbție. Valoarea capacității sale de sorbție pentru trei și, respectiv, pentavalent arsenic este de 12,6 și 29,9 mg / l. Odată cu creșterea pH-ului soluției, cantitatea de arsen absorbit pe piroluzit și capacitatea sa de oxidare scad. În medii acide (pH< 1) сорбционная способность падает, а окислительная возрастает.

Alți cationi și anioni prezenți în apa uzată, fiind absorbiți pe piroluzit, îi înrăutățesc capacitatea de oxidare.

Capacitatea de oxidare a dioxidului de mangan scade treptat ca urmare a sorbției și colmației suprafeței boabelor de piroluzită. Pentru activare, piroluzitul este tratat cu acid sulfuric concentrat sau sodă caustică. Acidul desorbește mai puțin arsenul, dar dizolvă mai complet nămolul format pe suprafața piroluzitului.

Curățarea sărurilor de fier. În apele naturale, conținutul de fier variază între 0,01 și 26 mg/l. În plus, fierul se găsește în apele uzate din industriile chimică, metalurgică, construcții de mașini, prelucrarea metalelor, petrochimice, textile, chimio-farmaceutice și alte industrii. Când conținutul de fier este mai mare de 1 mg/l, apa devine maronie. Când o astfel de apă se deplasează prin conducte, compușii de fier și bacterii de fier sunt depuse pe pereții lor, reducând secțiunea transversală a conductei.

În rezervoare, MPC-ul sărurilor de fier în termeni de Pe2+ este de 0,5 mg/l. În același timp, în unele industrii, apa de proces și apa în circulație nu trebuie să conțină mai mult de 0,05 mg/l de compuși de fier, de exemplu, în producția de capron, nailon, celofan, mătase naturală și viscoză, film, electronice, semiconductori și etc. Pentru aceste industrii este necesară purificarea profundă a apelor naturale și uzate din compușii de fier.

Pentru îndepărtarea fierului din apă se utilizează aerarea, metodele cu reactivi, electrodializa, adsorbția și osmoza inversă.

În procesul de aerare, fierul feros este oxidat în fier feric. Reacția de oxidare într-o soluție apoasă se desfășoară conform schemei:

Sau in total:

În prezența ionilor de hidrocarbonat în apă, oxidarea fierului feros și hidroliza fierului feric se desfășoară conform reacției:

Oxidarea a 1 mg de fier feros consumă 0,143 mg de oxigen. Pentru a asigura o viteză mare de reacție chimică, conținutul de oxigen din apă ar trebui să fie de 0,5-0,9 mg per 1 mg de fier.

Procesul de aerare se realizează într-un turn de răcire cu ventilație. În cazul în care este necesară îmbogățirea apei cu oxigen și îndepărtarea unei părți din monoxidul de carbon liber, se folosesc turnuri de răcire cu duză de cordon, care sunt scuturi de placă. Pentru o estimare aproximativă a dimensiunii turnului de răcire, se poate proceda de la următoarele: consum de apă la 1 m2 de suprafață a turnului de răcire 40 mg, consum de aer 7 mg apă. Utilizarea unei alte duze este nepractică, deoarece. poate apărea înfundarea cu compuși de fier.

După aerare, este necesar să se separe precipitatul de hidroxid de fier. În acest scop se folosesc procese de sedimentare și filtrare. Precipitatul de hidroxid de fier poate fi folosit pentru prepararea vopselelor sau pentru purificarea gazelor din hidrogen sulfurat.

În procesul de precipitare a hidroxidului de fier, precipitatul de Fe(OH)3 amfoter este compactat în hematită Fe2O3: 2Fe(OH)3= Fe2O3+3H2O.

Cu un conținut ridicat de fier în apă, acesta nu poate fi îndepărtat complet prin metoda de aerare, prin urmare se folosesc metode cu reactivi. În acest scop se utilizează clor, clorat de calciu (clor), permanganat de potasiu, ozon, oxid de calciu (var), carbonat de sodiu (sodă) etc.. Reactivii se dozează în apă înaintea decantatoarelor sau a rezervoarelor de decantare.

Când interacționează cu clorul, are loc următoarea reacție:

Viteza acestei reacții crește odată cu creșterea pH-ului. Oxidarea a 1 mg de fier feros consumă 0,64 mg de Cl;. În cazul utilizării cloratului de calciu, acesta se folosește sub formă de soluție 1-2%, care se dozează direct în apa uzată. Oxidarea fierului feros cu permanganat de potasiu are loc conform ecuației:

Dacă fierul este conținut în apă sub formă de compuși organici sau particule coloidale, se folosește ozonarea. În același timp, este necesară 1 parte de masă de ozon pentru 1 parte de masă de fier.

Purificarea compușilor de mangan. Compușii de mangan se găsesc în apele uzate din industria metalurgică, inginerie și chimică. La o concentrație de mangan mai mare de 0,05 mg/l, apa se întunecă. Unele industrii impun cerințe stricte cu privire la conținutul de mangan din apă (hârtie, textil, copiere a filmelor, fibre sintetice, materiale plastice).

Îndepărtarea manganului din apă poate fi realizată prin următoarele metode:

1. tratarea apei cu permanganat de potasiu;
2. aerare combinată cu var;
3. filtrarea apei prin nisip de mangan sau schimbător de cationi de mangan;
4. oxidare cu ozon, clor sau dioxid de clor.

Când apa este tratată cu permanganat de potasiu, se realizează purificarea simultană de mangan și fier. Permanganatul de potasiu este oxidat pentru a forma dioxid de mangan ușor solubil:

În acest proces, 1 mg de KMnO4 oxidează 0,53 mg de Mn+. Cel mai mare efect se obține atunci când apa este tratată cu o doză de 2 mg KMnO4 la 1 mg. Precipitatul de dioxid de mangan este îndepărtat prin filtrare.

Îndepărtarea manganului prin aerare cu alcalinizarea apei este utilizată cu prezența simultană a manganului și a fierului în ea. Când apa este aerată, o parte din dioxidul de carbon este îndepărtată și este saturată cu oxigen atmosferic. Odată cu eliminarea CO2, pH-ul apei uzate crește, ceea ce contribuie la accelerarea proceselor de oxidare și hidroliză a fierului și parțial manganului cu formarea de hidroxizi.

Manganul divalent este lent oxidat la oxigen tri- și tetravalent dizolvat în apă. Oxidarea manganului are loc la pH = 9-9,5. Hidroxidul de mangan rezultat precipită sub formă de Mn(OH)3 și Mn(OH)4. Solubilitatea acestor compuși este de 0,01 mg/l, Mn(OH)4 rezultat participând din nou la proces, fiind un catalizator pentru oxidarea manganului.

La pH = 9,5 manganul este îndepărtat aproape complet, la 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.

Manganul divalent poate fi îndepărtat din apă prin oxidarea acestuia cu clor, ozon sau dioxid de clor. Viteza de oxidare a Mn de către clor depinde de pH-ul mediului. La pH = 7, doar 50% Mn2+ este oxidat în 60–90 min. Când este alcalinizat cu var la pH = 8, Mn este oxidat aproape complet. Consumul de Cl2 pentru oxidarea a 1 mg Mn este de 1,3 mg. În prezența sărurilor de amoniu în apă, consumul de clor crește.

Dioxidul de clor si ozonul la pH=6,5-7 oxideaza Mn2+ in 10-15 minute. Oxidarea a 1 mg Mn2 consumă 1,35 mg ClO2 sau 1,45 mg O3. Cu toate acestea, utilizarea acestor oxidanți necesită construirea unor instalații complexe, deci practic nu sunt utilizați.

Manganul poate fi îndepărtat din apă prin oxidare biochimică. Procesul se desfășoară după cum urmează. Pe nisipul filtrului este semănat un tip special de bacterii consumatoare de mangan, care absorb manganul din apă în cursul activității lor vitale. Bacteriile muritoare formează pe boabele de nisip o masă poroasă cu un conținut ridicat de oxid de mangan, care servește ca catalizator pentru procesul de oxidare.

Manganul poate fi îndepărtat din apă folosind un schimbător de cationi de mangan, care este preparat prin trecerea soluțiilor de clorură de mangan și permanganat de potasiu prin orice schimbător de cationi sub formă de sodiu. În acest caz, au loc următoarele reacții:

unde Me este cationul Na+ sau K+.

În aceste procese, permanganatul de potasiu oxidează manganul cu formarea de oxizi de mangan, care se depun sub formă de peliculă pe suprafața boabelor de cationit. În timpul regenerării, pelicula este restaurată cu o soluție de permanganat de potasiu.

Dintre metodele luate în considerare, cea mai eficientă este tratamentul cu permanganat de potasiu. Nu necesită echipament sofisticat și este simplu controlat.

Ionii metalici cu valență variabilă (Fe2+, Cu+, Mo3+ etc.) joacă un rol dublu în organismele vii: pe de o parte, sunt cofactori necesari pentru un număr mare de enzime și, pe de altă parte, reprezintă o amenințare pentru viața celulară, deoarece în prezența lor se formează radicali hidroxil și alcoxi foarte reactivi:

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

RUN + Men+ > 10* + OH" + Me(n+|>+.

Prin urmare, compușii chelați (din grecescul „chelat” - „gheara de crab”) care leagă ionii metalici cu valență variabilă (feritina, hemosiderina, transferinele; ceruloplasmină; acizii lactic și uric; unele peptide) și împiedică astfel implicarea lor în reacțiile de descompunere a peroxidului. este o componentă importantă a apărării antioxidante a organismului. Se crede că chelatorii sunt principalii în protejarea proteinelor serice și a receptorilor celulari de oxidare, deoarece în fluidele intercelulare nu există sau este slăbită semnificativ descompunerea enzimatică a peroxizilor care pătrund bine prin membranele celulare. Fiabilitatea ridicată a sechestrării ionilor metalici cu valență variabilă cu ajutorul compușilor chelatori este evidențiată de faptul dezvăluit de grupul lui Thomas V. O'Halloran (celulele de drojdie au fost folosite ca model) că concentrația de ioni de cupru * liberi în citoplasmă nu depășește 10 - 18 M - aceasta este cu multe ordine de mărime mai mică de 1 atom de Cu per celulă.

Pe lângă chelatorii „profesioniști” cu capacitate mare de legare a ionilor, există așa-numiții „chelatori de fier activați de stres oxidativ”. Afinitatea acestor compuși pentru fier este relativ scăzută, dar în condiții de stres oxidativ, aceștia sunt oxidați în mod specific, ceea ce îi transformă în molecule cu o puternică capacitate de legare a fierului. Se crede că acest proces de activare locală reduce la minimum potențiala toxicitate din organism a „chelatorilor puternici” care pot interfera cu metabolismul fierului. Unii chelatori, cum ar fi metalotioneinele, în organismele mamifere leagă atomii de metale grele (Hn, Cb, III,...) și participă la detoxifierea lor.

Mai multe despre subiectul CHELATORI DE IONI METALICI CU VALENȚĂ VARIABILĂ:

1. NovikA. A., Ionova T.I.. Linii directoare pentru studiul calității vieții în medicină. Ediția a II-a / Ed. acad. RAMS Yu.L. Shevchenko, - M.: CJSC „OLMA Media Group” 2007, 2007
2. CAPITOLUL 3 UTILIZAREA TERAPEUTICĂ A FRECVENȚEI MEDII ȘI ÎNALTE AC
3. Test cu modificarea poziției corpului (test ortostatic)
4. Spectrul de activitate farmacologică a sărurilor metalelor grele

A fost studiat efectul ionilor de metale grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) asupra rezistenței membranei eritrocitelor din sânge ale unei persoane sănătoase și a diverșilor pacienți. S-a stabilit că ionii de metale grele duc la o scădere a stabilității membranei eritrocitelor din sânge. Scăderea rezistenței eritrocitelor depinde de concentrația și durata expunerii la ionii metalici: cu cât concentrația și timpul de expunere sunt mai mari, cu atât densitatea eritrocitelor scade mai mult. La examinarea bolilor (pneumonie acută, tumoră tiroidiană, diabet zaharat), există o scădere a rezistenței eritrocitelor din sângele pacienților la hemoliza acidă. Rata hemolizei acide scade în eritrocitele din sângele pacientului în comparație cu eritrocitele din sângele unei persoane sănătoase, în funcție de natura bolii. Datele obținute ne permit să considerăm că modificarea compoziției fizico-chimice a eritrocitelor, care se manifestă prin inconsecvența rezistenței acestora, este o consecință a deteriorării membranei eritrocitelor atunci când sunt expuse la ioni de metale grele.

eritrocite

ioni de metale grele

1. Big D.V. Studiul distribuției metalelor între diferitele fracții ale sângelui în timpul expunerii la Zn, Cd, Mn și Pb in vitro // Probleme actuale ale medicinei de transport. - 2009. - V.18, nr 4. – S. 71–75.

2. Gitelzon M.I. Eritrogramele ca metodă de analiză clinică a sângelui / M.I. Gitelzon, I.A. Terskov. - Krasnoyarsk: Editura Filialei Siberiei a Academiei de Științe a URSS, 1954. - 246 p.

3. Novitsky VV, Tulburările moleculare ale membranei eritrocitelor în patologii de geneză diferită sunt o reacție tipică a contururilor corpului problemei / aspirație // Buletinul de Medicină Siberiană. - 2006. - V.5, nr 2. – P. 62–69.

4. Okhrimenko S.M. Efectul triptofanului asupra unor indicatori ai metabolismului azotului la șobolani sub stres oxidativ cauzat de sărurile irtut de cobalt // Buletinul Universității Dnepropetrovsk. Biologie, Ecologie. - 2006. - V.2, Nr. 4 - S. 134-138.

5. Trusevici M.O. Studiul hemolizei eritrocitelor sub influența metalelor grele. Ecologie umană și probleme de mediu în perioada post-Cernobîl // Materiale ale republicii. științific conferințe. - Minsk, 2009. - P. 50.

6. Tugarev A.A. Influența cadmiului asupra caracteristicilor morfofuncționale ale eritrocitelor: autor. dis. ... dr. biol. Științe. - M., 2003. - 28 p.

7. Davidson T., Ke Q., Costa M. Transport of Toxic Metals by Molecular/Ionic Mimicry of Essential Compounds. – În: Manual de toxicologie a metalelor / ed. De G.F. Nordberg și alții. – ed. 3d. – Acad. Presa. – Londra/New York/Tokyo, 2007. – pp. 79–84

Recent, s-a acordat multă atenție studiului efectului ionilor de metale grele asupra stabilității eritrocitelor umane.

Ținta principală a toxicității metalelor grele este membrana biologică.

Eritrocitul este un model universal pentru studierea proceselor care au loc în membrana celulară sub acțiunea diferiților agenți. Un studiu detaliat al modificărilor parametrilor morfofuncționali ai eritrocitelor sub influența diverșilor stimuli chimici pe care îi întâlnește o persoană în procesul de relații naturale cu natura face posibilă stabilirea mai completă a posibilelor consecințe și determinarea celor mai eficiente modalități de corectare a acestora. influența factorilor de mediu și chimici de mediu. Efectul toxic al diverșilor compuși ai metalelor grele se datorează în principal interacțiunii cu proteinele corpului, de aceea se numesc otrăvuri proteice. Un astfel de metal este cadmiul.

A.A. Tugarev a propus un set de criterii informative pentru evaluarea efectului toxic al ionilor de cadmiu asupra parametrilor morfofuncționali ai eritrocitelor din sângele periferic uman și animal.

D.V. Large a studiat distribuția metalelor între diferitele fracții de sânge în timpul expunerii la Zn, Cd, Mn, Pb in vitro. Autorul a confirmat datele din literatură privind legarea primară predominantă a metalelor din sânge la albumină. După capacitatea de penetrare, metalele studiate au fost distribuite Cd > Mn > Pb > Zn.

Învelișul exterior al celulelor sanguine este bogat în grupe funcționale capabile să lege ionii metalici.

Rolul biologic al legării secundare a metalelor este foarte divers și depinde atât de natura metalului, cât și de concentrația și timpul de expunere a acestuia.

În lucrările lui S.M. Okhrimenko a arătat o creștere a gradului de hemoliză a eritrocitelor după administrarea sărurilor de CaCl și HgCl2 la animale.

Ionii de cobalt sunt capabili să inițieze direct peroxidarea lipidelor (LPO), să înlocuiască fierul din hem și hemoproteine, în timp ce mecanismul de acțiune al mercurului este de a lega grupele SH ale tiolilor proteici și neproteici. Triptofanul pre-administrat limitează parțial creșterea hemolizei spontane a eritrocitelor cauzată de introducerea clorurii de cobalt. Absența unui astfel de efect în cazul introducerii clorurii de mercur în organism indică prezența unui alt mecanism, aparent asociat cu afinitatea ridicată a ionilor de mercur pentru grupele tio de proteine ​​membranare.

M.O. Trusevich a studiat efectul metalelor grele (cloruri de Co, Mn, Ni, Zn) la concentrații finale de la 0,008 la 1 mM. Pe baza rezultatelor obținute, autorii au concluzionat că toate metalele grele în concentrații de peste 0,008 mM au un efect toxic asupra rezistenței membranei eritrocitare, excluzând concentrațiile de 0,04 mM. Pentru clorura de Zn, s-a observat o scădere a nivelului de hemoliză a eritrocitelor la o concentrație de 0,04 mm.

Materiale și metode de cercetare

În această lucrare, am studiat efectul metalelor grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) asupra stabilității membranei eritrocitelor din sânge la o persoană sănătoasă și la diverși pacienți (diabet zaharat, tumoră tiroidiană, pneumonie acută).

Pentru experimente s-a folosit sânge prelevat de la un deget. S-au colectat 20 mm3 de sânge în 2 ml de ser fiziologic.

Eritrograma a fost construită după metoda eritrogramelor acide propusă de Gitelson și Terskov.

Pentru a monitoriza cinetica hemolizei, a fost folosit un colorimetru fotoelectric KFK-2. Concentrația de eritrocite a fost luată ca standard, a cărei densitate optică în aceste condiții a fost de 0,700.

Rezultatele cercetării
si discutia lor

Soluții de metale grele (cloruri de Pb, Co, Zn) au fost adăugate la suspensia de eritrocite la concentrații finale de la 10–5 până la 10–3 M. Probele rezultate au fost incubate timp de 10–60 de minute. Apoi a fost determinată densitatea optică a eritrocitelor în funcție de concentrația și timpul de expunere la ionii de metale grele. În plus, a fost studiată cinetica hemolizei acide a eritrocitelor din sângele unei persoane sănătoase și din sângele pacienților, în funcție de concentrația ionilor de metale grele. Se știe că, în funcție de vârsta unei persoane, rezistența membranei celulelor roșii din sânge se modifică. În acest sens, s-a luat în considerare vârsta la prelevarea sângelui.

S-a stabilit că ionii de metale grele utilizați afectează rezistența membranei eritrocitelor, ceea ce se exprimă într-o modificare a densității acestora din urmă. De exemplu, densitatea unei suspensii de eritrocite expuse ionilor de Pb2+ la o concentrație de 10-3 M timp de 60 de minute scade cu 90%, iar sub influența ionilor de Co2+ și respectiv Zn2+ cu 70, respectiv 60% (timp de acțiune). 60 minute, concentrație 10-3 M), în timp ce densitatea suspensiei de eritrocite netratate cu ioni nu se modifică.

Astfel, s-a constatat că densitatea suspensiei de eritrocite variază în funcție de concentrația și durata expunerii la ionii de metale grele - cu cât concentrația și timpul de expunere sunt mai mari, cu atât scăderea densității eritrocitelor este mai mare.

Dintr-o eritrogramă care caracterizează hemoliza acidă a eritrocitelor la o persoană sănătoasă, se poate observa că la debutul hemolizei la al 2-lea minut, durata hemolizei a fost de 8 minute, maxim 6 minute. Viteza hemolizei acide a sângelui se modifică sub acțiunea ionilor de metale grele. Deci, dacă comparăm eritrogramele probelor de sânge care au fost expuse la ioni de Pb2+ (concentrație 10-3 M, timp de expunere 30 minute), atunci putem observa că hemoliza durează în medie 4 minute, iar distribuția maximă a eritrocitelor este de 2 minute. ; comparativ cu ionii Pb2+ și Co2+, ionii Zn2+ au un efect slab, iar hemoliza acidă durează 6,5 minute, maxim 4 minute (Fig. 1, 2).

Lucrarea prezentată a studiat și cinetica hemolizei acide a eritrocitelor din sânge la pacienții cu diabet zaharat, tumoră tiroidiană și pneumonie acută. După cum se poate observa din datele obținute, în sângele pacienților cu pneumonie și tumori tiroidiene se constată o acumulare în grupul de eritrocite cu rezistență scăzută, rezistență medie și o scădere a numărului de eritrocite cu rezistență mare. Și la pacienții cu diabet zaharat, eritrograma sângelui din partea dreaptă este crescută. Aceasta indică o creștere a nivelului de eritropoieză din sânge.

Efectul ionilor de metale grele utilizați în muncă asupra eritrocitelor din sângele pacienților este diferit (Fig. 3, 4, 5). De exemplu, ionii de Zn2+ au un efect puternic asupra eritrocitelor unui pacient cu pneumonie acută și o tumoare a glandei tiroide în comparație cu eritrocitele unei persoane sănătoase. Datele noastre au fost confirmate de rezultatele studiilor efectuate la pacienți cu tumori maligne de diferite localizări, unde au fost relevate încălcări pronunțate ale compoziției proteinelor (o scădere a conținutului de polipeptide cu greutate moleculară mare cu o creștere simultană a proporției cu greutate moleculară mică. proteine), și s-a demonstrat, de asemenea, că ionii de Zn2+ se leagă în principal la proteinele cu greutate moleculară mică. Sub influența ionilor Pb2+ asupra eritrocitelor pacienților, se observă o deplasare a întregii eritrograme spre stânga, prin urmare, întreaga masă de eritrocite își pierde stabilitatea.

Orez. 1. Eritrograma de sânge a unei persoane sănătoase după expunerea la ioni de Co2+:
Timp de expunere 30 min P< 0,5

Orez. 2. Eritrograma sângelui unei persoane sănătoase după expunerea la ionii de Zn2+:
1 - control; 2 - 10-5M; 3 - 10-4 M; 4 - 10-3M.
Timp de expunere 30 min P< 0,5

Datele obținute ne permit să considerăm că modificarea compoziției fizico-chimice a eritrocitelor, care se manifestă prin variabilitatea rezistenței acestora, este o consecință a leziunii membranei eritrocitelor atunci când sunt expuse la ioni de metale grele. Efectul ionilor de metale grele (Pb2+, Co2+, Zn2+) depinde de concentrație, de durata expunerii acestora și de starea anterioară a sănătății umane.

Orez. 3. Eritrograma sanguină a pacienților cu pneumonie după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu pneumonie; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+(10-5 M).
Timp de expunere 30 min P< 0,3

Orez. 4. Eritrograma sanguină a pacienţilor cu tumoră tiroidiană
după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu o tumoare a glandei tiroide; 2 - Co2+ (10-5 M); 3 - Zn2+ (10-5 M); 4 - Pb2+ (10-5 M). Timp de expunere 30 min P< 0,4

Orez. 5. Eritrograma sanguină a pacienților diabetici după expunerea la ioni de metale grele:
1 - sângele pacienților cu diabet; 2 - Zn2+ (10-5 M); 3 - Co2+ (10-4 M); 4 - Pb2+(10-3 M).
Timp de expunere 30 min P< 0,3

Recenzători:

Khalilov R.I.Kh., doctor în științe fizice și matematice, cercetător principal al Laboratorului de Radioecologie al Institutului de Probleme de Radiații al Academiei Naționale de Științe a Azerbaidjanului, Baku;

Huseynov T.M., doctor în științe biologice, șef al Laboratorului de biofizică ecologică al Institutului de fizică al Academiei Naționale de Științe a Azerbaidjanului, Baku.

Lucrarea a fost primită de redactori pe 17 septembrie 2012.

Link bibliografic

Peste 25% din toate enzimele conțin ioni de metal puternic legați sau sunt active numai în prezența lor. Pentru a studia funcțiile ionilor metalici se folosesc metodele de cristalografie cu raze X, rezonanță magnetică nucleară (RMN) și rezonanță paramagnetică electronică (EPR). Combinat cu informații despre formare și dezintegrare

Enzime metalice și enzime activate de metal

Metaloenzimele conțin o anumită cantitate de ioni metalici care au semnificație funcțională și rămân asociate cu molecula de enzimă în timpul purificării acesteia. Enzimele activate de metale leagă pe acestea din urmă mai puțin puternic, dar pentru activitatea lor necesită adăugarea de metale în mediu. Astfel, distincția dintre metaloenzime și enzimele activate de metal se bazează pe afinitatea unei enzime date pentru „propriul” ion metalic. Mecanismele bazate pe participarea ionilor metalici la cataliză sunt aparent similare în ambele cazuri.

Complexe triple enzimă-metal-substrat

Pentru complexele ternare (cu trei componente), inclusiv un centru catalitic, un ion metalic (M) și un substrat (S) cu o stoichiometrie de 1:1:1, sunt posibile patru scheme diferite de formare:

În cazul enzimelor activate de metale se realizează toate cele patru scheme. Pentru metaloenzime, formarea unui complex este imposibilă, altfel nu ar putea reține metalul în timpul procesului de purificare (sunt sub formă). Pot fi formulate trei reguli generale.

1. Majoritatea (dar nu toate) kinazele (-transferazele) formează complexe cu un substrat de punte, cum ar fi nucleozidul-M.

2. Fosfotransferazele care folosesc ca substrat piruvatul sau fosfoenolpiruvatul, alte enzime care catalizează reacțiile care implică fosfoenolpiruvatul, precum și carboxilaza formează complexe cu metalul punte.

3. O enzimă dată poate fi capabilă să formeze un tip de complex de legătură cu un substrat și un alt tip cu altul.

Complexe de enzime cu punte (M-Enz-S)

Metalele din complexele cu o enzimă de punte par să joace un rol structural, menținând o conformație activă (glutamin sintaza este un exemplu), sau formează o punte cu un alt substrat (ca în piruvat kinaza). În piruvat kinaza, ionul metalic joacă nu numai un rol structural, ci reține și unul dintre substraturi (ATP) și îl activează:

Complexe de substrat cu punte

Formarea de complexe triple cu un substrat de punte, care se observă în timpul interacțiunii enzimelor cu trifosfații nucleozidici, este aparent asociată cu deplasarea metalului din sfera de coordonare, care este înlocuită cu ATP.

Substratul se leagă apoi de enzimă, formând un complex triplu:

În reacțiile de fosfotransferază, se crede că ionii metalici activează atomii de fosfor și formează un complex rigid polifosfat-adenină în conformația corespunzătoare, care este inclus în complexul activ cu patru componente.

Complexe metalice de punte

Datele cristalografice, precum și analiza structurii primare, arată că un reziduu de histidină este implicat în legarea metalelor în centrii activi ai multor proteine ​​(exemple sunt carboxipeptidaza A, citocromul c, rubredoxina, metmioglobina și methemoglobina; vezi capitolul 6). Etapa limitativă în formarea complexelor Enz-M binare (cu două componente) este în multe cazuri deplasarea apei din sfera de coordonare a ionului metalic. Activarea multor peptidaze de către ionii metalici este un proces lent care durează câteva ore. Această reacție lentă

cel mai probabil, constă într-o rearanjare conformațională a complexului binar Enz-M, conducând la formarea unei conformații active. Acest proces poate fi reprezentat astfel:

Rearanjare cu formarea unei conformații active (Enz:

În cazul metaloenzimelor, formarea unui complex ternar cu un metal de punte ar trebui să aibă loc prin adăugarea unui substrat la un complex binar:

Rolul metalelor în cataliză

Ionii metalici pot participa la fiecare dintre cele patru tipuri cunoscute de mecanisme prin care enzimele accelerează reacțiile chimice: 1) cataliza generală acido-bazică; 2) cataliză covalentă; 3) convergența reactanților; 4) inducerea stresului în enzimă sau substrat. Pe lângă ionii de fier, care funcționează în proteinele care conțin hem, ei sunt cel mai adesea implicați în cataliza enzimatică, deși alți ioni (de exemplu) joacă, de asemenea, un rol important în activitatea unor enzime.

Ionii metalici, ca și protonii, sunt acizi Lewis (electrofili) și pot forma o legătură cu liganzii lor printr-o pereche de electroni comună. Ionii metalici pot fi considerați și „superacizi” deoarece sunt stabili în soluție neutră, poartă adesea o sarcină pozitivă (> ​​1) și sunt capabili să formeze legături. În plus (spre deosebire de protoni), metalele pot servi ca o matrice tridimensională orientând principalele grupuri ale unei enzime sau substrat.

Ionii metalici pot funcționa ca acceptori de electroni pentru a forma legături sau, activând electrofili sau nucleofili (cataliza generală acido-bazică). Metalele pot activa nucleofilii donând electroni sau pot acționa ca nucleofili înșiși.

Tabelul 9.1. Exemple care ilustrează rolul ionilor metalici în mecanismul de acțiune a enzimelor

Sfera de coordonare a metalului poate asigura contactul între enzimă și substrat (apropiere) sau, prin formarea de chelați, poate pune enzima sau substratul într-o stare tensionată. Ionul metalic poate masca nucleofilul, prevenind reacțiile secundare. În sfârșit, este posibil controlul stereochimic al cursului unei reacții enzimatice, care este asigurat de capacitatea sferei de coordonare a metalului de a juca rolul unei matrice tridimensionale care ține grupurile de reacție în orientarea spațială dorită (Tabelul 9.1).

LITERATURĂ

Crane F. Hidrochinona dehidrogenaze, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 439.

Fersht A. Enzyme Structure and Mechanism, Ed. a 2-a, Freeman, 1985.

Kraut J. Serine proteazele: Structura și mecanismul de cataliză, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 331.

Mildvan A. S. Mecanismul de acțiune a enzimelor, Annu. Rev. Biochem., 1974, 43, 357.

Purich D.L. (ed.) Cinetica și mecanismele enzimelor. Părțile A și B. În: Methods in Enzymology, Voi. 63, 1979; Vol. 64, 1980, Presa Academică.

Wimmer M.J., Rose I. A. Mecanismele reacțiilor de transfer de grup catalizate de enzime, Annu. Rev. Biochem., 1978, 47, 1031.

Wood H.G., Barden R.E. Enzime de biotină, Annu. Rev. Biochem., 1977, 46, 385.

Conceptul de metale ale vieții. sodiu și potasiu. Structura atomilor și caracteristicile de hidratare a cationilor, care determină conținutul acestora în mediul extracelular și intracelular.

Metalele Vieții- zece elemente: K, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo. Ponderea lor în organism este de 2,4%. Toate metalele vitale din organism sunt fie sub formă de cationi liberi, fie sunt ioni - agenți de complexare asociați cu bioliganzi. Ele iau un rol activ în metabolism.

sodiu și potasiu sunt elemente ale grupului IA. Atomii elementelor acestui grup au un electron în stratul exterior la subnivelul s, pe care au tendința de a-l dona în compuși unui partener, formând monocationi simetrice stabile cu configurația electronică a celui mai apropiat gaz nobil.

Datorită stabilității structurii electronice și densității scăzute a sarcinii pozitive de pe suprafața cationilor Na + și K +, locuitorii lor atomici liberi de la nivelul exterior nu pot interacționa eficient cu perechile singure de electroni ale celor mai apropiate molecule de apă. , datorită cărora sunt reținute în învelișul de hidratare al cationului doar electrostatic. Prin urmare, cationii de sodiu și potasiu nu suferă hidroliză în mediu apos și practic nu prezintă tendință de formare a complexului.

Principala diferență în proprietățile cationilor de sodiu și potasiu se datorează diferenței de densitate a sarcinii pozitive de pe suprafața lor: cationul Na + are unul mai mare, astfel încât câmpul său electrostatic reține mai puternic moleculele de apă. Ca rezultat, cationul de sodiu este caracterizat de hidratare pozitivă, în timp ce cationul de potasiu este caracterizat de hidratare negativă. Acest lucru, potrivit lui Slesarev Valery Ivanovich, poate explica de ce cationii Na + și K + din sistemele vii sunt antagoniști și de ce cationii de potasiu sunt preponderent o componentă a intracelulare, iar cationii de sodiu - fluide intercelulare.

Concentrația de ioni K + în interiorul celulei este de aproximativ 35 de ori mai mare. Decat in afara acestuia, iar concentratia ionilor de Na + in lichidul extracelular este de 15 ori mai mare decat in interiorul celulei. Pentru implementarea multor procese biologice importante, este necesar să se mențină în mod constant o astfel de distribuție neuniformă a acestor ioni, care necesită energie, deoarece transferul ionilor prin membrană trebuie să aibă loc în raport cu gradientul concentrațiilor lor. Acest lucru se realizează cu ajutorul unei pompe de potasiu-sodiu, care, datorită energiei de hidroliză a unei molecule de ATP, elimină trei cationi Na + din celulă și trimite doi cationi K + în celulă. Datorită dezechilibrului sarcinilor electrice transferate, suprafața interioară a membranei este încărcată negativ, iar cea exterioară este încărcată pozitiv.

O concentrație mare intracelulară de ioni de K asigură în primul rând presiunea osmotică în interiorul celulei, activarea sistemelor enzimatice pentru sinteza proteinelor pe ribozomi și oxidarea carbohidraților. În eritrocite, ionii K participă la activitatea sistemelor tampon de hemoglobină și oxihemoglobină și activează astfel enzima anhidrază carbonică a monoxidului de carbon.

Ioni K+ și Na+ Activati adenozin trifosfataza (ATP - aza) a membranelor celulare, care furnizează energie pentru pompa de potasiu-sodiu. Acești ioni au un impact semnificativ asupra activității sistemului nervos central (SNC). Un exces de ioni de Na + în celulele cortexului cerebral provoacă depresie, adică. inhibarea activității sistemului nervos central. Un exces de cationi K în aceste celule, dimpotrivă, excită sistemul nervos central, provocând o stare maniacale.

Manual: 338–341.

Magneziul și calciul, structura atomilor și caracteristicile de hidratare a ionilor lor. Formele de existență, localizarea și rolul cationilor de magneziu și calciu în organism. Reacția de formare și distrugere a țesutului osos și funcțiile acestuia.

Corpul unui adult conține aproximativ 20 g de cationi de magneziu și 1000 g de calciu. Jumătate din cationii de magneziu și aproape 99% din calciu se află în țesutul osos, restul se află în țesuturile moi. Necesarul zilnic de cationi de magneziu este de aproximativ 0,3 g, calciu - 1 g, iar la femei în timpul sarcinii necesarul de cationi de calciu crește de 3-4 ori.

Magneziul și calciul sunt elemente din grupa IIA a sistemului periodic. Atomii elementelor acestui grup au în stratul exterior doi electroni la subnivelul s (12 Mg: 3s 2; 20 Ca: 4s 2), care tind să cedeze în compuși partenerului.

Diferența de proprietăți ale cationilor de magneziu și calciu într-un mediu apos este asociată cu o diferență în densitatea sarcinii pozitive de pe suprafața lor. Deoarece cationul Mg 2+ are o rază mai mică decât Ca 2+ (66 și respectiv 99), se hidratează mai bine și, în plus, orbitalii atomici liberi de la nivelul exterior, inclusiv orbitalii 3d, sunt capabili să interacționeze cu perechile singure. de electroni ai moleculelor de apă, formând acvacomplexuri 2+ destul de stabile.

Cationul de magneziu este capabil să formeze legături covalente în comparație cu cationul de calciu. În acest sens, cationii de magneziu, spre deosebire de cationii de calciu, sunt capabili de hidroliză:

Mg2+ +H2O⇌ Mg (OH) + + H +

Masa principală de cationi de magneziu, care se află în afara oaselor, este concentrată în interiorul celulelor. Ionii de magneziu joacă un rol important în menținerea presiunii osmotice în interiorul celulelor. Cea mai mare parte a magneziului din sânge este conținută în formă ionizată, adică. sub forma unui ion acvatic (55-60%), aproximativ 30% este asociat cu proteine, iar 10-15% face parte din compuși complecși cu fosfolipide și nucleotide.

Cationii de magneziu sunt unul dintre principalii activatori ai proceselor enzimatice datorită formării complexelor. Deci, ele activează enzimele fosforilării oxidative, replicării ADN-ului și mineralizării osoase.

Spre deosebire de ionii de magneziu, cationii de calciu sunt concentrați predominant în fluidele intercelulare. Metabolismul calciului este controlat de hormonii paratiroidieni și tiroidieni, precum și de vitamina D.

Principala componentă minerală a țesutului osos este hidrogenofosfatul de calciu.

Ca5(P04)3OH (hidroxiapatită). țesutul osos menține concentrația ionilor de Ca 2+ din fluidele biologice la un anumit nivel, deci poate fi considerat ca un tampon de calciu al organismului.

țesut osos compact (materie compactă) - unul dintre cele două tipuri de țesut osos care formează osul. Oferă funcții de susținere, de protecție a osului, servește ca depozit de elemente chimice.

O substanță compactă formează stratul cortical al majorității oaselor. Este mult mai dens, mai greu și mai puternic decât substanța spongioasă. Țesutul osos compact reprezintă aproximativ 80% din greutatea totală a scheletului uman. Unitatea structurală și funcțională primară a substanței compacte este osteonul.

Manual: 341 – 344.

Fier și cobalt, structură atomică și stări de oxidare caracteristice. Acid - proprietăți bazice, redox și complexante ale compușilor acestor metale. Rolul compușilor acestor metale într-un organism viu.

Corpul uman conține aproximativ 5 g de fier și 1,2 mg de cobalt. Majoritatea fierului (70%) este concentrat în hemoglobina sângelui; 14% din cobalt se găsește în oase, 43% în mușchi, iar restul în țesuturile moi. Aportul zilnic de fier este de 10-20 mg, iar cobaltul este de 0,3 mg.

fier și cobalt- elemente ale perioadei a IV-a din grupa VIIIB a sistemului periodic cu configuraţii electronice 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

Cele mai caracteristice stări de oxidare pentru fier și cobalt +2 și +3.

În soluții apoase, cationii Fe2+,Fe3+,Co2+ și Co3+ sunt hidratați pentru a forma complexe acvatice cu șase coordonate.

Fe 2+ este un agent reducător puternic capabil să oxideze chiar și oxigenul atmosferic.

Co 3+ este un agent oxidant atât de puternic încât oxidează chiar și apa:

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

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

Oxizii și hidroxizii de fier și cobalt, indiferent de gradul de oxidare, prezintă proprietăți amfotere slabe cu predominanța proprietăților bazice, mai ales în cazul stării bivalente, când interacțiunea se desfășoară numai cu soluții concentrate de alcaline și la încălzire.

Cationii de fier și cobalt sunt foarte predispuși la formarea complexă. Pentru ei este cel mai probabil număr de coordonareşase:

formare complexă Cationii de fier și cobalt afectează puternic, dar diferit, proprietățile lor redox, în funcție de raportul de stabilitate al complexelor de forme oxidate și reduse cu aceiași liganzi.

formare complexă Co 3+ cu liganzi mai activi decât moleculele de apă îl face stabil în soluții apoase.

Cobalt, unul dintre oligoelementele vitale pentru organism. Face parte din vitamina B 12 (cobalamina). Cobaltul este implicat în hematopoieza, funcțiile sistemului nervos și ficatului, reacții enzimatice. Corpul uman conține 0,2 mg de cobalt pentru fiecare kilogram de greutate umană. În absența cobaltului se dezvoltă acobaltoza.

în organismele vii fier este un oligoelement important care catalizează procesele de schimb de oxigen (respirație). În mod normal, fierul intră în enzime sub forma unui complex numit hem. În special, acest complex este prezent în hemoglobină, cea mai importantă proteină care asigură transportul oxigenului cu sânge către toate organele oamenilor și animalelor. Și el este cel care colorează sângele într-o culoare roșie caracteristică.

Există un grup mare aproximativ 50 de feluri, enzime cu conținut de fier - citocromi, care catalizează procesul de transfer de electroni în lanțul respirator prin modificarea stării de oxidare a fierului Fe 3+ + e -   Fe 2+

Manual: 349 – 352.