Медико-биологическое значение цинка

 

План.

1. Введение.  Положение в периодической системе, нахождение в природе, история открытия.
1. Положение в периодической системе, строение атома.
2. Нахождение в природе.
3. История открытия.
2. Основная часть. Получение, свойства цинка, медико-биологическое значение и применение в медицине.
1. Получение цинка.
2. Физические свойства цинка.
3. Химические свойства цинка.
4. Медико-биологическое значение цинка и его соединений.
5. Применение соединений цинка в медицине.
3. Заключение.

 

I. Введение. Положение в периодической системе, нахождение в природе, история открытия.

Положение в периодической системе, строение атома. Порядковый номер цинка в периодический системе – 30. Молярная масса элемента равна 65,39 г/моль. Его электронная формула следующая:

₃₀Zn 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²

Это значит, что в нейтральном атоме цинка содержится 30 электронов, заряд ядра атома цинка также равен 30. Цинк расположен в четвертом периоде системы – в атоме цинка есть четыре электронных слоя, на которых расположены электроны. Цинк расположен во второй группе периодической системы. В атоме цинка полностью заполняется 3d-подуровень на котором теперь находится 10 электронов. Цинк принадлежит к побочной подгруппе II группы. Поскольку цинк расположен во второй группе периодической системы, то он относится к металлам. В химических реакциях он будет проявлять металлические свойства. для металлов более приемлема отдача электронов. Поэтому цинк может отдавать два электрона с - подуровня. Поэтому цинк будет проявлять степень окисления +2. В связи с экранированием 3d-подуровня и его заполненностью, электроны с него не будут принимать участие в химических процессах и поэтому цинк будет проявлять только степень окисления равную +2.

Нахождение  в природе. По содержанию в земной коре цинк занимает 23-е место среди других элементов (0,01%). Обычно цинковые руды – полиметаллические. Наиболее распространенный минерал цинка — сфалерит, или цинковая обманка ZnS, входит в состав многих сульфидных руд. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы цинка: цинковый шпат ZnCO₃, цинкит ZnO, каламин 2ZnO·SiO₂·Н₂O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька. Казахстан славится своими запасами полиметаллических руд. Основные месторождение свинцово-цинковых руд расположены в Жезказганской области, на Рудном Алтае и в Южном Казахстане. Цинк выпускают металлургические заводы Риддера, Усть-Каменогорска и Шымкента.

История открытия. Сплав цинка с медью — латунь — был известен еще в Древней Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.). Долгое время не удавалось выделить чистый цинк. В 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в XVII в. Латинское название zincum переводится как «белый налет». Происхождение этого слова точно не установлено. Предположительно, оно идет от персидского «ченг», хотя это название относится не к цинку, а вообще к камням. Слово «цинк» встречается в трудах Парацельса и других исследователей 16—17 вв. и восходит, возможно, к древнегерманскому «цинко» — налет, бельмо на глазу. Общеупотребительным название «цинк» стало только в 1920-х годах.

 

II. Основная часть. Получение, свойства цинка, медико-биологическое значение и применение в медицине.

Получение цинка. Цинк в природе как самородный метал не проявляется. Цинк добывают из полиметаллических руд, содержащих 1-4% Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают селективной флотацией, получая цинковые концентраты (50-60% Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO₂ расходуется на производство серной кислоты:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂↑

От ZnO к Zn идут двумя путями. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200-1300°С:

ZnO + С → Zn + CO↑.

Образующиеся  при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала  восстановление проводили только в  ретортах из обожженной глины, обслуживаемых  вручную, позднее стали применять  вертикальные механизированные реторты  из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

Основной способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой:

ZnO + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂O

 Получаемый  сульфатный раствор очищают от  примесей (осаждением их цинковой  пылью) и подвергают электролизу  в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом.

2ZnSO₄ + H₂O → 2Zn + 2H₂SO₄ + O₂↑

Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых  его ежесуточно удаляют (сдирают) и  плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

Физические  свойства цинка. Цинк – металл синевато-белого цвета с сильным металлическим блеском. Во влажном воздухе этот блеск исчезает из-за образования оксидной пленки. Цинк – металл средней твердости. Его плотность 7,13 г/см³. Чистый металл довольно пластичен и может быть прокатан в тонкую фольгу. Технический цинк при обычной температуре является хрупким, но при 100-150°С он становится пластичным и его можно прокатывать в листы и вытягивать в проволоку. Выше 200°С он опять становится хрупким и его можно растереть в порошок, как и при очень низких температурах. Цинк легко плавится (температура плавления 419,4°С) и принадлежит к числу летучих металлов (температура кипения 905,7°С).

Химические  свойства цинка. Типичный амфотерный металл. Стандартный электродный потенциал −0,76 В, в ряду стандартных потенциалов расположен до железа.

На воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

2Zn + O₂ → 2ZnO.

Оксид цинка  реагирует как с растворами кислот:

ZnO + 2HNO₃ → Zn(NO₃)₂ + H₂O

так и щелочами:

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + Н₂О,

Цинк обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑,

Zn + H₂SO_4(разб.) → ZnSO₄ + H₂↑

и растворами щелочей:

Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑,

образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей  очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO₄.

При нагревании цинк реагирует с галогенами с  образованием галогенидов ZnHal₂. С фосфором цинк образует фосфиды Zn₃P₂ и ZnP₂. С серой и ее аналогами — селеном и теллуром — различные халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe₂ и ZnTe.

С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно  не реагирует. Нитрид Zn₃N₂ получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600°C.

В водных растворах  ионы цинка Zn²⁺ образуют аквакомплексы [Zn(H₂O)₄]²⁺ и [Zn(H₂O)₆]²⁺.

Медико-биологическое  значение цинка и его соединений. Цинк – один из наиболее важных биологически активных элементов и необходим для всех форм жизни. Тело взрослого человека содержит около 2 г цинка. Хотя цинксодержащие ферменты присутствуют в большинстве клеток, его концентрация очень мала и поэтому довольно поздно стало понятно, насколько важен этот элемент. Необходимость и незаменимость цинка для человека была установлена 100 лет тому назад. Роль цинка в жизнедеятельности организма обусловлена, в основном, тем, что он входит в состав более 40 важных ферментов. Они катализируют гидролиз пептидов, белков, некоторых эфиров и альдегидов. Наибольшее внимание привлекают два цинксодержащих фермента: карбоксипептидаза А и карбоангидраза.

Карбоксипептидаза А катализирует гидролиз концевой пептидной  связи в белках в процессе пищеварения. Она имеет относительную молекулярную массу около 34000 и содержит атом цинка, тетраэдрически координированный с  двумя гистидиновыми атомами азота, карбоксильным атомом кислорода глутаматного остатка и молекулой воды. Точный механизм ее действия до конца не ясен, несмотря на интенсивное изучение модельных систем, однако принято считать, что первой стадией является координация концевого пептида к атому цинка.

Карбоангидраза  была первым из открытых цинксодержащих ферментов (1940), она катализирует обратимую  реакцию превращения диоксида углерода в угольную кислоту. В эритроцитах  млекопитающих прямая реакция (гидратация) протекает при поглощении диоксида углерода кровью в тканях, а обратная реакция (дегидратация) идет, когда диоксид углерода затем высвобождается в легких. Фермент увеличивает скорости этих реакций примерно в миллион раз. Относительная молекулярная масса фермента составляет около 30 000. Почти сферическая молекула содержит один атом цинка, расположенный в глубоком «кармане» белка, где есть и несколько молекул воды, расположенных в таком же порядке, как во льде. Атом цинка координирован тетраэдрически с тремя имидазольными атомами азота и молекулой воды. Точные детали действия фермента не установлены, однако кажется вероятным, что координированная молекула Н₂О ионизируется с образованием Zn–OH^–, а нуклеофил ОН^– затем реагирует с атомом углерода в СО₂ (который может удерживаться в правильном положении водородными связями двух его атомов кислорода) с образованием НСО3^–. В отсутствие фермента данная реакция требует высокого рН. Роль фермента заключается в создании подходящего окружения внутри белкового «кармана», которое способствует диссоциации координированной молекулы воды при рН=7.

Позднее была установлена  функция цинка в белках, отвечающих за распознавание последовательности оснований в ДНК и, следовательно, регулирующих перенос генетической информации в ходе репликации ДНК. Эти белки с так называемыми «цинковыми пальцами» содержат 9 или 10 ионов Zn²⁺, каждый из которых, координируясь с 4 аминокислотами, стабилизирует выступающую складку («палец») белка. Белок обертывается вокруг двойной спирали ДНК, при этом каждый из «пальцев» связывается с ДНК. Их расположение совпадает с последовательностью оснований в ДНК, что обеспечивает точное распознавание.

Цинк участвует  в углеводном обмене с помощью  цинксодержащего гормона – инсулина. Только в присутствии цинка действует  витамин А. Этот элемент необходим для формирования костей. Кроме того, он проявляет антивирусное и антитоксическое действие.

Цинк влияет на вкус и обоняние. Из-за нехватки цинка, необходимого для полноценного развития плода, многие женщины в первые 3 месяца беременности жалуются на капризы вкуса и обоняния.

Считается, что  существует определенная связь между  умственными и физическими способностями  человека и содержанием цинка  в его организме. Так, у хорошо успевающих студентов в волосах  содержится больше цинка, чем у студентов отстающих. У больных ревматизмом и артритом наблюдается понижение уровня цинка в крови.

Дефицит цинка  может быть вызван нарушением деятельности щитовидной железы, болезнями печени, плохим усвоением, недостатком цинка  в воде и пище, а также слишком большим количеством фитина в продуктах питания (фитин связывает цинк, затрудняя его усвоение). Алкоголь также понижает уровень цинка в организме, особенно в мышцах и плазме крови.

Цинк необходим  организму в количестве 10–20 мг в  день, однако лекарствами восполнить недостаток цинка очень трудно. В естественных сочетаниях цинк содержится только в пище, что и определяет его усвояемость. Наиболее богаты цинком мясо, печень, молоко, яйца.

В организме  существует конкуренция между цинком и медью, а также железом. Поэтому, употребляя богатую цинком пищу, следует дополнить диету пищей, богатой медью и железом. Нельзя применять цинк вместе с селеном, так как два этих элемента взаимодействуют друг с другом и выводятся из организма.

Применение  соединений цинка в медицине. В фармакологии и медицине  используют  многие  соединения  цинка.  Со  времен Парацельса до наших  дней  в  фармакопее  значатся  глазные  цинковые  капли (0,25%-ный раствор ZnSO₄). Как присыпка издавна применяется цинковая  соль стеариновой кислоты. Феносульфат цинка - хороший  антисептик.  Суспензия,  в которую  входят  инсулин,  протамин  и  хлорид  цинка  -  новое  эффективное средство против диабета, действующее лучше, чем чистый инсулин. И вместе с тем многие соединения цинка, прежде  всего  его  сульфат  и хлорид, токсичны.