Применение неметаллов в медицине кратко

Обновлено: 04.07.2024

Сера является жизненно важным элементом для живых организмов, является составной частью белка. Он способствует нейтрализации в организме ядовитых веществ, роста хрящевой и костной тканей, кожи, волос, ногтей. Вместе с другими компонентами участвует в формировании структуры соединительной ткани. Обеспечивает ее эластичность, улучшает проницаемость клеточных мембран. Дефицит серы может привести к нарушению синтеза инсулина. Кожа становится сухой, морщинистой, появляются трещины, наступает раннее старение организма. Серу используют для извлечения серной кислоты, изготовление резины из каучука, производства спичек, черного пороха, лекарственных препаратов.

Азот используют для наполнения электролампочек, создания инертной среды при сварке металлов, в вакуумных установках, глубокого охлаждения и замораживания, добыча аммиака, азотной кислоты, нитратов.

Фосфор в организме является источником энергии. В промышленности для создания моющих средств, для смягчения воды. Фосфорорганические соединения для борьбы с сорняками. Фосфиды – как полупроводники. Образование красок (грунтовка). Белый фосфор для производства авиабомб, снарядов, раньше изготавливали статуэтки, в часах, добыча Н3РО4, добыча твердого сплава фосфористой бронзы. Красный фосфор для изготовления спичек, дымовых завес, фосфорорганических соединений, полимеров, против коррозии, полупроводников, для уничтожения насекомых.

Углерод. Алмаз для сверления твердых пород, изготовления шлифовальных дисков, резцов, сверл, резки стекла. В приборостроении, радиотехнике, изготовлении ювелирных изделий (бриллианты). Графит для изготовления огнеупорных тиглей, синтетических алмазов, масел, электродов, труб, теплообменников, грифелей для карандашей. В ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Уголь для выплавки чугуна и стали, производство черного пороха, красок, для поглощения газов, очистки их. Активированный уголь – в медицине в качестве адсорбента, для изготовления противогазов, как катализатор, для очистки сахара от примесей, улавливания ценных органических растворителей.

Адсорбция – это способность некоторых веществ (в частности углерода) удерживать на своей поверхности частицы других веществ.

Сажа для изготовления лаков, красок, туши, резины (как наполнитель), ленты для печатных машин, гуталина. Кокс в качестве топлива в доменном процессе, восстановитель в металлургии. Изготовление электродов, легированных сталей.

Хлор для обеззараживания воды, для производства хлорной извести, органических растворителей, средств защиты растений от болезней и вредителей.

Кремний в электронике и электротехнике для изготовления диодов, фотоэлементов, транзисторов, сплавов. Кремний оксид широко используется в строительстве, для производства цемента, керамики, стекла. Кварц очень мало расширяется при нагревании, поэтому кварцевый посуду, раскаленный добела, не трескается, если его погрузить в холодную воду. Кварц используют в изготовлении мониторов компьютеров, линз телескопов, хрустальные изделия, зеркала, в радиотехнике, оптике, в ювелирном деле.

Водород является сырьем для химической и нефтехимической промышленности, как экологически чистое топливо.

В периодической системе 22 элемента являются неметаллами. Самыми распространенными макроэлементами являются:

Кислород. В организме человека кислород можно обнаружить в составе белков, жиров, углеводов, гормонов, ферментов и других биологических веществ. Он принимает участие в реакциях обмена веществ в организме, в процессах разложения погибших животных и отмерших растений. Кислород широко используется в медицине: применяется при лечении сердечно-сосудистых, инфекционных заболеваний, а также злокачественных опухолей. Он может оказывать снотворное действие и возбуждать центральную нервную систему. Озон обеззараживает воду и воздух, вызывает гибель бактерий, грибов, вирусов. Образует озоновый слой Земли, который задерживает вредное для всего живого ультрафиолетовое излучение солнца.

Углерод. Составляет основу жизни на Земле. Обеспечивает построение всех живых организмов и их жизнедеятельность. В биологических молекулах углерод образует цепи полимеров и прочно соединяется со всеми макроэлементами. Участвует практически во всех биохимических процессах. Окисляется под действием кислорода до воды и углекислого газа, во время этого процесса выделяется энергия. В организм человека попадает с пищей, а выводится с выдыхаемым воздухом (в виде углекислого газа) и мочой (в виде мочевины).

Из углерода образованы основные виды топлива на Земле – природный газ, нефть, каменный уголь.

В самородном виде в природе существуют две аллотропные модификации углерода: графит и алмаз. Они различаются строением кристаллических решеток и, следовательно, свойствами. Алмаз используется для обработки твердых металлов, для шлифования, резки и гравировки стекла, а также в качестве ювелирных украшений. Графит используют в карандашной промышленности, при изготовлении электродов, некоторых красок, в ядерных реакторах для замедления нейтронов.

аминокислот, а, следовательно, пептидов и белков
нуклеиновых кислот, нуклеотидов и, соответственно, ДНК и РНК;
гормонов (инсулин, тироксин, адреналин);
гемоглобина — участвует в транспортировке кислорода;
нейромедиаторов, которые осуществляют передачу нервных импульсов.

Нехватка азота возникает при несбалансированном питании (дефицит белков и витаминов). Это ведет к нарушению обмена веществ, мышечной дистрофии, иммунодефициту, депрессии, гиподинамии.

При избытке белка нарушается работа почек и печени.

В природе сера встречается в самородном виде.

Выбор способа получения вещества зависит от того, в каком виде встречается в природе химический элемент, который образует данное вещество. Это в полной мере относится и к выбору способа получения неметаллических простых веществ.

Некоторые неметаллы встречаются в природе в свободном виде. Такие неметаллы, как кислород \(O_2\), азот \(N_2\), инертные газы — \(He\) и др., серу \(S\), алмаз \(C\) и графит \(C\), можно выделить из смесей или очистить от примесей, используя физические методы.

Химически активные неметаллы встречаются в природе только в виде соединений. В первую очередь это относится к галогенам: фтору, хлору, брому и иоду.

Химически менее активные неметаллы в природе встречаются как в самородном виде, так и в составе химических соединений.

Например, серу можно найти как в самородном состоянии, так и в виде соединений — сульфидов и сульфатов.

Рис. \(2\). Распространение серы природе. Слева направо: самородная сера \(S\), пирит \(FeS_2\) и гипс CaS O 4 ⋅ 2 H 2 O

Из химических соединений неметаллические простые вещества получают химическими методами в ходе различных химических превращений.

Сначала при пониженной температуре и повышенном давлении воздух сжижают. Затем, используя перегонку (дистилляцию), из жидкого воздуха получают азот N 2 , кислород O 2 и аргон Ar . В ходе перегонки первым испаряется азот (при температуре \(–196\) °C), потом — аргон (при \(–186\) °C) и последним — кислород (при температуре \(–183\) °C).

Аналогично от нелетучих примесей отделяют встречающуюся в природе самородную серу. Для этого руду нагревают выше \(+450\) °C, и пары кипящей серы \(S\) конденсируют.

Химические методы получения неметаллов связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых неметаллические химические элементы могут как повышать, так и понижать степень окисления.

Например, хлор \(Cl_2\) в промышленности получают путём электролиза раствора хлорида натрия \(NaCl\). При пропускании постоянного электрического тока через раствор этого вещества протекает химическая реакция:

Для того чтобы получить кремний \(Si\), в промышленности в электрических печах прокаливают смесь песка \(SiO_2\) с коксом \(C\). При этом протекает химическая реакция:

Лабораторные способы получения неметаллов также связаны с проведением окислительно-восстановительных реакций. Чаще всего это либо реакции разложения, либо реакции замещения.

Например, кислород \(O_2\) в лабораторных условиях можно получить путём разложения пероксида водорода \(H_2O_2\). Протекает реакция разложения:

Водород \(H_2\) в лаборатории можно получить, используя цинк \(Zn\) и соляную кислоту \(HCl\). Протекает реакция замещения:

Поскольку свойства неметаллов чрезвычайно разнообразны, эти вещества находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства.

Такие неметаллы, как сера \(S\), азот \(N_2\), фосфор \(P\) и хлор \(Cl_2\), используются в качестве сырья для получения кислот и другой продукции.

Сажа \(C\) служит пигментом в производстве лаков и красок, а также пигментом и наполнителем в производстве пластмасс и резин

Активированный уголь \(C\) есть почти в каждой домашней аптечке. Точно так же, как иодная тинктура — спиртовой раствор иода \(I_2\).

Жидкий азот \(N_2\) используют не только для хранения биологического материала, но и в косметической медицине

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён обобщению ранее изученной информации о неметаллах, выделены их общие черты и особенности каждой группы неметаллов. Рассмотрены свойства и применение важнейших неметаллов: углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода, серы, фтора и хлора.

Адсорбент – твёрдый пористый материал, способный задерживать на своей поверхности молекулы и ионы.

Валентность – способность атома образовывать определённое число химических связей при образовании молекул.

Восстановительные свойства – способность атома отдавать электроны.

Вулканизация – процесс взаимодействия каучука с серой или другими вулканизирующими агентами, в результате которого образуется единая пространственная сетка молекул, повышается прочность и твёрдость материала.

Галогены – простые вещества, типичные неметаллы, имеющие молекулярное строение, двухатомные молекулы. В периодической таблице элементов находятся в VIIA группе. Являются сильными окислителями.

Доменная печь – большая вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна и ферросплавов из железорудного сырья.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи – образование химической связи двумя атомами, один из которых (донор) предоставляет в общее пользование неподелённую пару электронов, а другой (акцептор) – свободную атомную орбиталь.

Карбиды – бинарные соединения металла и углерода, в которых углерод имеет отрицательную степень окисления.

Карборунд – карбид кремния SiC, обладает высокой твёрдостью, используется для шлифования.

Конвертер – вид печи для выплавки стали из расплавленного чугунного лома и шихты путём продувки техническим кислородом для окисления углерода.

Криолит – гексафторалюминат натрия Na₃[AlF₆], используется в производстве алюминия для снижения температуры расплава.

Неметаллы – простые вещества, не проявляющие металлических свойств, имеющие большое сродство к электрону, высокие значения относительной электроотрицательности, способные проявлять окислительные свойства.

Окислительные свойства – способность атома притягивать к себе электроны.

Относительная электроотрицательность – количественная характеристика, показывающая способность атома удерживать свои и притягивать чужие электроны.

Пестицид – вещество, используемое в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений, и сорняками.

Плавиковая кислота – раствор фтороводорода в воде, способный реагировать со стеклом и другими кремнийсодержащими материалами.

Промотирование электронов – разъединение (распаривание) пары электронов, в результате которого один из электронов переходит на свободную атомную орбиталь в пределах данного подуровня.

Силициды – бинарные соединения металлов с кремнием, в которых кремний имеет отрицательную степень окисления.

Технический углерод – аморфная тонкодисперсная форма углерода.

Ферросплав – сплавы железа с другими элементами, применяемые для легирования стали.

Фреоны – летучие фтор, хлорсодержащие углеводороды, используемые как хладагенты в холодильной технике. Разрушают озоновый слой Земли.

Фторопласты – вид пластмасс, в которых атомы водорода в углеводородах замещены атомами фтора.

Фуллерены – макромолекулы, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, образованные большим количеством атомов углерода.

Хроматографический анализ – метод обнаружения и количественного определения веществ, основанный на различной способности взаимодействовать с адсорбентом.

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ

Зависимость свойств неметаллов от положения в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева

В периодической таблице элементов Д.И. Менделеева неметаллы сосредоточены в верхней правой части таблицы. В периоде заряд ядра атома увеличивается слева направо, размеры атома при этом уменьшаются. Поэтому неметаллы сильнее удерживают электроны, чем металлы, расположенные в том же периоде. В группе сверху вниз увеличивается число электронных слоёв. Радиус атома при этом возрастает. Способность удерживать электроны снижается. Для неметаллов характерны окислительные свойства, они возрастают слева направо и снизу-вверх. Окислительную способность элемента характеризует величина относительной электроотрицательности. Чем больше это значение, тем сильнее проявляются окислительные свойства. Сильнее всего окислительные свойства выражены у фтора, он не проявляет восстановительных свойств. Все остальные неметаллы могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства.

Строение простых веществ - неметаллов

Простые вещества – неметаллы могут иметь как молекулярное строение, так и немолекулярное. Типичные неметаллы: галогены, кислород, азот, водород – имеют молекулярное строение. В твёрдом состояние такие вещества образуют молекулярную кристаллическую решётку. В нормальных условиях – это газообразные вещества, легкокипящие жидкости или твердые вещества с низкой температурой плавления. Неметаллы бор, кремний и углерод имеют немолекулярное строение, образуют атомные кристаллические решётки, что обусловливает высокую твёрдость и тугоплавкость веществ. Углерод, кремний и бор могут образовывать кристаллы, и встречаются в аморфном состоянии. Кристаллические модификации этих неметаллов очень твёрдые, в химические реакции вступают с трудом. Активность аморфных модификаций этих веществ выше.

Углерод и кремний

Углерод и кремний расположены в IVА группе периодической таблицы элементов, поэтому на внешнем электронном уровне у них по 4 электрона. Электроны с 2s подуровня у атома углерода и с 3s подуровня у атома кремния могут переходить на свободную р-орбиталь, таким образом, максимальная валентность углерода и кремния равна 4. В реакциях с металлами углерод и кремний проявляют окислительные свойства, образуя карбиды и силициды. Углерод способен окислить водород. Более характерными для углерода и кремния являются восстановительные свойства. Оба неметалла окисляются кислородом, галогенами. Кремний растворяется в горячем концентрированном растворе щелочей. С кислотами, кроме плавиковой кислоты, кремний не реагирует. Углерод окисляется азотной и концентрированной серной кислотами.

Алмазы используют в наконечниках резцов, в свёрлах и для бурения горных пород и в ювелирных украшениях. Графит – в атомной промышленности как замедлитель быстрых нейтронов, из него делают электроды, смазочный материал. Уголь – хороший адсорбент для очистки воздуха и воды. Технический углерод используют как наполнитель при изготовлении шин и как пигмент для чёрной краски. Фуллерены нашли применение в электронной промышленности. Кокс используют в металлургии для восстановления металлов из руды.

Кремний используют как добавку для повышения кислотоупорных свойств сталей. Особо чистый кремний – в электронной промышленности как полупроводник для изготовления транзисторов, выпрямителей переменного тока, фотоэлементов для солнечных панелей. Из кремния производят сверхтвёрдый материал карборунд SiC.

Азот и фосфор

Азот и фосфор расположены в VА группе периодической таблицы элементов, на внешнем уровне у них по 5 электронов. Но у атома азота, расположенного во втором периоде, нет d- орбиталей, поэтому спаренные электроны с 2s подуровня не могут разъединяться. Азот может образовывать три ковалентные связи и одну связь по донорно-акцепторному механизму.

В атоме фосфора электрон с 3s подуровня может переходить на свободную 3d-орбиталь, таким образом, фосфор может образовывать пять ковалентных связей. В молекуле азота N₂ два атома соединены тройной прочной связью, что объясняет большую инертность азота. Азот вступает в реакции только при высоких температурах. Как окислитель азот может реагировать с активными металлами и водородом. В реакции с кислородом азот является восстановителем. Фосфор существует в виде молекул Р₄, имеет четыре аллотропных модификации. Наиболее активным из них является белый фосфор. Окислительные свойства фосфора выражены слабее, чем у азота, поэтому как окислитель он реагирует только с щелочными и щелочноземельными металлами. Восстановительные свойства фосфора выражены сильнее, чем у азота.

Азот – сырьё для синтеза аммиака. Аммиак используется в производстве азотной кислоты и азотных минеральных удобрений. Азотом заполняют электрические лампы, используют для создания инертной среды в химическом синтезе. В хроматографическом анализе азот используют как газ-носитель.

Фосфор используют в органическом синтезе и в производстве фосфидов галлия и индия для светодиодов. Красный фосфор используют в производстве спичек.

Кислород и сера

Кислород и сера находятся в VIA группе периодической таблицы элементов, на внешнем уровне у них по 6 электронов. Кислород расположен во втором периоде, его атом имеет всего два электронных слоя, в составе которых нет d-орбиталей. Спаренные электроны, расположенные на 2s и 2р подуровнях, не имеют возможности для промотирования. Поэтому кислород может образовывать только две ковалентные связи. Спаренные электроны могут принимать участие в образовании связей по донорно-акцепторному механизму. Сера расположена в третьем периоде, во внешнем, третьем слое, есть свободные 3d-орбитали. Поэтому спаренные электроны с 3s и 3р подуровней могут распариваться. Максимальная валентность серы равна шести. Кислород – второй по силе после фтора окислитель среди неметаллов. Он окисляет практически все металлы, многие неметаллы и даже благородные газы. Восстановителем кислород выступает только в реакциях с фтором. В реакциях с активными металлами и водородом сера является окислителем, а в реакциях с кислородом и галогенами проявляет восстановительные свойства.

Кислород применяют для дыхания в авиации и в подводных лодках, в медицине, используют в конвертерном производстве стали, для кислородного дутья в доменных печах, в производстве ферросплавов, выплавке цветных металлов, для резки и сварки металлов. Жидкий кислород используют как окислитель в ракетных двигателях.

Сера – сырьё для производства серной кислоты, сероуглерода, используется для вулканизации каучука в производстве резины и как пестицид в растениеводстве. Серу также используют в производстве спичек.

Фтор и хлор

Фтор и хлор расположены в VIIA группе периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева. На внешнем уровне у них по семь электронов. Атом фтора, как элемент второго периода, имеет только два электронных слоя, d-орбитали у него отсутствуют. Спаренные электроны с 2s и 2р подуровней не могут разъединяться. Таким образом, у атома фтора всего один неспаренный электрон, в соединениях фтор одновалентен. Хлор находится в третьем периоде, на внешнем, третьем слое есть свободный 3d-подуровень, спаренные электроны с 3s и 3р подуровней могут переходить на свободные 3d-орбитали. Все семь внешних электронов могут оказаться неспаренными. Максимальная валентность хлора равна 7. Фтор и хлор, наиболее яркие представители галогенов, являются сильными окислителями. Фтор может окислить даже кислород и благородные газы. Восстановительные свойства для фтора не характерны. Хлор окисляет большинство металлов, водород, фосфор. Может вытеснять менее активные галогены из их солей. Восстановительные свойства хлор проявляется только в реакциях с фтором, а также в составе некоторых кислородсодержащих соединений.

Фтор используют для производства фторопластов – термостойких, прочных, химически стойких пластмасс, как сырье для получения криолита – вещества, используемого в производстве алюминия. Фтор – основной компонент для синтеза плавиковой кислоты, фреонов CF₂Cl₂, используемые в холодильной технике. В настоящее время фреонам ищут замену, так как они разрушают озоновый слой. Фтор входит в состав многих пестицидов – средств для борьбы с вредителями растений.

В органическом синтезе хлор используют в качестве хлорирующего агента в производстве пластмасс, медикаментов, красителей, для отбеливания ткани, бумаги. На водопроводных станциях с помощью хлора обеззараживают воду. Хлор является сырьём для производства хлороводорода. В исследовательских химических лабораториях хлор используют как окислитель.

На основе закономерностей в изменении свойств элементов в зависимости от их положения в периодической таблице элементов Д.И. Менделеева можно описать свойства и других неметаллов.

ПРИМЕРЫ И РАЗБОР РЕШЕНИЙ ЗАДАЧ ТРЕНИРОВОЧНОГО МОДУЛЯ

1. Расчёт количества продукта в процессе синтеза аммиака

Условие задачи: При производстве аммиака под давлением 15 МПа из 500 л азота получили 890 л аммиака при повышении давления до 25 МПа выход аммиака увеличился на 4,5%. Сколько литров аммиака удалось получить при проведении синтеза при давлении 25 МПа? (Считать, что все объёмы измерены в нормальных условиях). Ответ запишите в виде целого числа.

Шаг первый: запишем уравнение реакции синтеза аммиака из азота и водорода:

Из одного моля азота при 100%-ном выходе образуется 2 моля аммиака.

Шаг второй: найдём объём аммиака, который образуется из 500 л азота при 100%-ном выходе. Для этого составим пропорцию:

Из 1 моль азота (22,4 л при н.у.) образуется 2 моль аммиака 2·22,4 = 44,8 л при н.у.);

из 500 л азота образуется х л аммиака.

х = (500·44,8) : 22,4 = 1000 (л).

Шаг третий: найдём выход аммиака при давлении 15 МПа.

Для этого реально полученный объём аммиака (890 л) разделим на теоретически возможный (1000 л) и умножим на 100%:

η = (890 : 1000)·100 = 89 (%).

Шаг четвёртый: найдём выход аммиака при проведении синтеза под давлением 25 МПа. Для этого к найденному выходу прибавим величину, на которую он возрос:

Шаг пятый: найдём объём аммиака, полученный при проведении процесса под давлением 25 МПа.

Для этого теоретически возможный объём аммиака умножим на выход продукта и разделим на 100%:

V = (1000·93,5) : 100 = 935 (л).

2. Расчёт необходимого количество хлора для обеззараживания воды.

Условие задачи: Для обеззараживания воды, содержащей патогенные микроорганизмы, требуется 2 мг хлора на 1 л воды. Какой объём хлора (м 3 ) в сутки, измеренный при нормальных условиях, требуется на станции водоподготовки, если в хлоратор поступает 200 м 3 воды в час? Станция водоподготовки работает 24 часа в сутки.

Шаг первый: рассчитаем объём воды, который проходит через станцию водоподготовки в сутки. Для этого расход воды в час умножим на 24 часа:

200·24 = 4800 м 3 .

Шаг второй: переведём объём воды в литры:

4800 м 3 = 4,8·10 6 л.

Шаг третий: найдём массу хлора, необходимую для обеззараживания найденного объёма воды.

Для этого расход хлора на 1 л умножим на объём воды:

2·4,8·10 6 = 9,6·10 6 (мг) = 9,6·10 3 (г).

Шаг четвёртый: найдём количество хлора (моль), которое содержится в вычисленной массе хлора.

Для этого найдём молярную массу хлора и разделим массу хлора на его молярную массу:

ν = 9,6·10 3 : 71 = 135,2 (моль).

Шаг пятый: найдём, какой объём занимают 135,2 моль хлора при нормальных условиях.

Читайте также: