Основы строения и свойства бионеорганических соединений

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

М. Н. Иванцова, И. С. Селезнева

ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА  
БИОНЕОРГАНИЧЕСКИХ  
СОЕДИНЕНИЙ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета в качестве учебного пособия
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
49.03.01 «Физическая культура»

И23
Иванцова, М. Н.
Основы строения и свой ства бионеорганических соединений : 
учебное пособие / М. Н. Иванцова, И. С. Селезнева ; Министерст‑
во науки и высшего образования Российской Федерации, Ураль‑
ский федеральный университет. —  Екатеринбург : Изд‑во Урал. 
ун‑та, 2020. — 148 с. : ил. —  Библиогр.: с. 126. — 100 экз. —  ISBN 
978‑5‑7996‑2980‑9. —  Текст : непосредственный.

ISBN 978‑5‑7996‑2980‑9

Учебное пособие включает в себя теоретический материал, связанный 
с изучением простых и сложных бионеорганических веществ, входящих 
в состав организма человека, и их роли в процессе жизнедеятельности 
организма. По каждой теме занятий даются контрольные вопросы для 
самопроверки знаний.
Для студентов бакалавриата 1‑го курса, обучающихся по направлению 
49.03.01 «Физическая культура».
УДК 546(075.8)
ББК 24.1я73

УДК 546(075.8)
ББК 
24.1я73

 
И23

ISBN 978‑5‑7996‑2980‑9 
© Уральский федеральный университет, 2020

Ре ц е н з е н т ы:
кафедра химии и процессов горения
Уральского института Государственной  
противопожарной службы МЧС России
(и. о. начальника кафедры кандидат химических наук  
капитан внутренней службы А. В. Кокшаров);
Е. В. Щегольков, кандидат химических наук,  
старший научный сотрудник лаборатории фторорганических соединений 
Института органического синтеза УрО РАН

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 
6
1. Классификация веществ 
7
2. Металлы и неметаллы 
10
2.1. Общая характеристика металлов и неметаллов 
10
2.1.1. Металлы 
10
2.1.2. Неметаллы 
14
2.2. Содержание и биологическая роль металлов и неметаллов 
в организме человека 
17
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
37
3. Оксиды 
39
3.1. Классификация оксидов 
39
3.2. Номенклатура оксидов 
41
3.3. Графические формулы оксидов 
42
3.4. Физические свойства оксидов 
43
3.5. Химические свойства оксидов 
43
3.5.1. Химические свойства несолеобразующих оксидов 
43
3.5.2. Химические свойства солеобразующих оксидов 
44
3.6. Амфотерные оксиды 
45
3.7. Способы получения оксидов 
46
3.8. Области применения оксидов 
48
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
49
4. Кислоты 
50
4.1. Классификация кислот 
51
4.2. Номенклатура кислот 
53
4.3. Графические формулы кислот 
55
4.4. Физические свойства кислот 
56
4.5. Химические свойства кислот 
56

4.6. Способы получения кислот 
60
4.7. Области применения кислот 
61
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
61
5. Основания 
63
5.1. Классификация оснований 
64
5.2. Номенклатура оснований 
66
5.3. Графические формулы оснований 
66
5.4. Физические свойства оснований 
67
5.5. Химические свойства оснований 
67
5.6. Амфотерные гидроксиды 
68
5.7. Способы получения оснований 
70
5.8. Области применения оснований 
70
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
71
6. Соли 
73
6.1. Классификация солей 
74
6.2. Номенклатура солей 
79
6.3. Графические формулы солей 
80
6.4. Физические свойства солей 
82
6.5. Химические свойства солей 
82
6.6. Способы получения солей 
84
6.7. Области применения солей 
86
6.8. Генетическая взаимосвязь между основными классами 
неорганических соединений 
87
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
88
7. Классификация химических реакций 
90
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
94
8. Общие закономерности химических реакций 
96
8.1. Химическая кинетика 
96
8.2. Влияние различных факторов на скорость  
химической реакции 
99
8.3. Химическое равновесие 
105
8.4. Смещение химического равновесия 
109
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
112
9. Окислительно-восстановительные реакции 
114
9.1. Основные положения теории  
окислительно‑восстановительных реакций 
114

9.2. Методы составления уравнений окислительно‑
восстановительных реакций 
117
9.3. Типы окислительно‑восстановительных реакций 
119
9.4. Влияние основных факторов на протекание окислительно‑
восстановительных реакций 
122
Контрольные вопросы для самопроверки знаний 
124
Библиографический список 
126
Словарь основных терминов и понятий 
127
Ответы на контрольные вопросы для самопроверки знаний 
137
Приложения 
141
Приложение 1. Таблица Менделеева 
142
Приложение 2. Таблица растворимости кислот, оснований, солей 
143 
Приложение 3. Изменение окраски индикаторов  
в зависимости от среды 
144
Приложение 4. Значение pH для некоторых кислот 
145
Приложение 5. Качественные реакции на катионы и анионы 
146

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Основы строения и свойства бионеоргани‑
ческих соединений» адресовано студентам бакалавриата, обучаю‑
щимся по направлению подготовки «Физическая культура», и может 
использоваться при изучении курса «Бионеорганическая химия».
Дисциплина «Бионеорганическая химия» является кореквизитом 
по отношению к дисциплине «Молекулярные основы жизнедея‑
тельности человека» и пререквизитом по отношению к дисциплине 
«Биохимия мышечной деятельности», входящей в модуль «Биохи‑
мические основы спортивной деятельности».
Учебное пособие охватывает круг вопросов, связанных с изуче‑
нием простых и сложных бионеорганических веществ, входящих 
в состав организма человека, и их роли в процессе жизнедеятель‑
ности организма.
Теоретический материал пособия не является повторением 
школьной образовательной программы, в книге концептуально 
излагаются основные идеи, принципы, законы современного есте‑
ствознания, имеющие мировоззренческое значение для современ‑
ной культуры. Данный курс призван расширить представления 
студентов в области бионеорганической химии и биологии, научить 
их работать с литературой и применять теоретические знания для 
получения практических результатов.
В учебное пособие включены теоретические разделы по темам 
занятий. Кроме того, в каждой главе содержатся контрольные во‑
просы, которые могут быть использованы студентами для проверки 
своих знаний в ходе самостоятельной подготовки к лекционным 
и практическим занятиям, а также преподавателями при проведении 
практических занятий и текущего контроля уровня знаний студентов.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ

Классификация веществ предусматривает объединение многочи‑
сленных и разнообразных соединений (в настоящее время известно 
порядка 10 млн соединений) в определенные классы или группы, 
которые обладают сходными свойствами и признаками.
Учебные химические издания и научная литература используют 
международную номенклатуру, разработанную Международным 
союзом теоретической и практической химии (ИЮПАК). В тех‑
нической литературе и лабораторной практике часто применяют 
тривиальные названия, например, едкий натр, сода, соляная кислота, 
медный купорос, олеум.
Все вещества, встречающиеся в природе, можно подразделить 
на индивидуальные химические вещества, которые состоят из ча‑
стиц одного вида, и смеси веществ, состоящие из разных частиц.
Чистые химические вещества, в свою очередь, подразделяются 
на простые и сложные. В настоящее время известно около 500 про‑
стых веществ, с учетом всех аллотропных модификаций элементов. 
Кроме того, простые вещества можно подразделить на металлы 
и неметаллы (рис. 1).
К неметаллам относятся простые вещества, образованные сле‑
дующими химическими элементами:
Элементы 
Формулы неметаллов
Благородные газы 
He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn
Галогены 
F2, Cl2, Br2, I2, At
Халькогены 
O2, S, Se, Te, кроме Po
А также:
азот, фосфор, мышьяк, 
N2, P, As
углерод, кремний, бор, водород 
C, Si, B, H2

Остальные элементы относятся к металлам.
Сложные вещества подразделяются, в свою очередь, на органи-
ческие и неорганические.
Органическими соединениями являются те соединения, в со‑
став которых входит элемент углерод, кроме оксидов углерода, 
угольной кислоты и ее солей —  карбонатов, карбидов, цианидов.
Согласно другому определению, органические соединения —  

это углеводороды и их разнообразные производные.
Сложные неорганические вещества подразделяются на следу‑
ющие основные классы соединений: оксиды, основания (щелочи, 
амфотерные гидроксиды), кислоты и соли (рис. 2).

Рис. 1. Схема классификации химических веществ

Вещества 
(кислород, кальций, хлороводород, толуол, воздух)

Индивидуальные вещества 
(кислород, кальций, 
хлороводород, толуол)

Смеси веществ 
(воздух)

Простые 
(кислород, кальций)
Сложные 
(хлороводород, толуол)

Неорганические 
(хлороводород)
Металлы 
(кальций)

Неметаллы 
(кислород)
Органические 
(толуол)

Однако основания и кислородсодержащие кислоты можно рас‑
сматривать как один класс —  гидроксиды.
Ряд сложных неорганических соединений можно отнести к неос‑

нов ным классам неорганических соединений.

Рис. 2. Схема классификации неорганических веществ

Сложные неорганические вещества

Основания
NaOH, Al(OH)3

Кислоты
HNO3,H2SO4

Оксиды
CaO, N2O5

Соли
KMnO4, Ba3(PO4)2

2. МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

2.1. Общая характеристика металлов и неметаллов

2.1.1. Металлы
К металлам относят элементы, которые проявляют в своих со‑
единениях только положительные степени окисления и в простых 
веществах имеют металлические связи. Металлическая кристал‑
лическая решетка —  решетка, образованная нейтральными ато‑
мами и ионами металлов, связанными между собой свободными 
электронами.
В настоящее время 94 из 118 элементов периодической системы 
химических элементов (таблица Менделеева) (по данным 2019 г., 
всего открыто 127 элементов) являются металлами (см. прил. 1). 
В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе, 
различают металлы главных и побочных подгрупп.
Металлы главных подгрупп —  это непереходные металлы, ко‑
торые характеризуются тем, что в их атомах происходит последо‑
вательное заполнение s‑ и p‑электронных оболочек (табл. 1).

Таблица 1
Металлы главных подгрупп

Непереходные металлы

s‑элементы (Iа и IIа подгруппы)
p‑элементы (IIIа–VIа 
подгруппы)

Щелочные металлы —  Li, Na, K, Rb, Cs, Fr
Щелочно‑земельные металлы —  Be, Mg, 
Ca, Sr, Ba, Ra

IIIа —  Al, Ga, In, Tl
IVа —  Ge, Sn, Pb
Vа —  Sb, Bi
VIа —  Ро

В атомах металлов побочных подгрупп, которые называются 
переходными металлами, происходит заполнение d‑ и f‑оболочек, 
и поэтому их можно разделить на d‑группу и две f‑группы: ланта‑
ноиды и актиноиды.
К переходным металлам относят 38 элементов d‑группы и 28 
металлов f‑группы (табл. 2).

Таблица 2
Металлы побочных групп

Переходные металлы

d‑элементы, группа
f‑элементы

Ib (Cu, Ag, Au)
IIb (Zn, Cd, Hg)
IIIb (Sc, Y, La, Ac)
IVb (Ti, Zr, Hf, Db)
Vb (V, Nb, Ta, Jl)
VIb (Cr, Mo, W, Rf)
VIIb (Mn, Tc, Re, Bh)
VIII (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Rt, Hn, Mt, Db, Jl, 
Rf, Bh, Hn, Mt, Ds, Rg, Cn, Nh, Fl, Mc, Lv, Ts, Og)

14 лантаноидов 
(от Ce до Lu);
14 актиноидов 
(от Th до Lr)

Кроме классической классификации металлов существует также 
техническая классификация металлов. Обычно выделяют следую‑
щие группы:
1) черные металлы (Fe);
2) тяжелые цветные металлы (Cu, Pb, Zn, Ni, Sn, Co, Sb, Bi, Hg, Cd);
3) легкие металлы с плотностью менее 5 г/см3 (Al, Mg, Ca и т. д.);
4) драгоценные металлы (Au, Ag и платиновые металлы);
5) редкие металлы (Be, Sc, In, Ge и некоторые другие).

Химические свойства металлов
Химические свойства металлов определяются их положением 
в таблице Менделеева. Например, металлические свойства в группе 
возрастают с ростом заряда ядра (сверху вниз), что обусловлено 
уменьшением силы взаимодействия между ядром и валентными 
электронами из‑за увеличения радиуса атома и за счет возрастания 

экранирования электронами, которые располагаются на внутренних 
атомных орбиталях.
В периоде же металлические свойства химических элементов 
уменьшаются слева направо, что связано с уменьшением радиуса 
их атомов за счет увеличения заряда ядра и увеличения притяжения 
валентных электронов к ядру.
В химическом отношении атомы всех металлов характеризу‑
ются малой величиной энергии ионизации и малой способностью 
удерживать избыточные электроны (сродство к электрону), что 
приводит к низкой электроотрицательности.
В связи с этим металлы в свободном состоянии являются вос‑
становителями, а в соединениях имеют положительную степень 
окисления.

Общие химические свойства s-, р-, d- и f-металлов
1. Взаимодействие металлов с элементарными окислителями 
(F2, Cl2, O2, N2, S и т. д.). Например, реакция с кислородом, как пра‑
вило, протекает по следующей схеме:

2Me + 0,5n O2 = Me2On,

где n —  валентность металла.

4Li + О2 = 2Li2O.

Щелочные металлы могут реагировать с кислородом (в том числе 
в составе воздуха) при комнатной температуре также с образова‑
нием пероксидов:

3Na + 2О2 = Na2O2 + NaO2.

При нагревании металлов с порошком серы образуются соот‑
ветствующие сульфиды:

Ca + S= CaS.

Большинство металлов реагирует с галогенами, при этом обра‑
зуются галогениды:

6Fe + 3Cl2 = 2FeCl3.