Metale tranzitionale

Metale tranzitionale

Metalele tranzitionale alcatuiesc grupele IIIB (3), IVB (4), VB (5), VIB (6), VIIB (7), VIIIB (8), VIIIB (9), VIIB (10), IB (11) si IIB (12) situate intre grupele IIA (2) si IIIA (13). Se caracterizeaza prin prezenta orbitalilor d sau f, partial ocupati cu electroni, ceea ce permite impartirea lor in metale tranzitionale d si metale tranzitionale f.

Tranzitionalele de tip d sunt dispuse in patru serii, si au configuratia electronica a stratului de valenta (n-1)d¹¹⁰ns².

Elementele tranzitionale f formeaza doua serii de cate 14 elemente numite lantanide si respectiv, actinide. Configuratia ultimului strat electronic este (n-2)f¹¹⁴(n-1)d¹ns².

Elementele tranzitionale sunt metale tipice, prezinta luciu metalic si duritate superioara metalelor din grupele principale, sunt bune conducatoare de caldura si electricitate (cel mai bun conducator termic si electric este argintul, urmat de cupru), au temperaturi de fierbere si de topire mari.

Reactivitatea chimica a metalelor tranzitionale variaza semnificativ. In general, primele elemente ale fiecarei serii formeaza mai usor compusi stabili comparativ cu ultimele elemente, care sunt mai putin reactive.

Metalele tranzitionale din grupa IIB (12) zinc (Zn), cadmiu (Cd), mercur (Hg), care au substraturile d si s complet ocupate cu electroni, functioneaza ca elemente divalente. Majoritatea elementelor tranzitionale prezinta mai multe stari de valenta. Cu exceptia elementelor din grupa IB (11), cupru (Cu are +I si +II), argint (Ag are +I si mai rar +II), aur (Au are +I si +III), valoarea maxima a starii de oxidare a elementelor tranzitionale este data de numarul grupei din care fac parte (notatia cu cifre romane).

Unele dintre elementele tranzitionale reactioneaza cu oxigenul, conducand la obtinerea de oxizi care functioneaza uneori ca o pelicula protectoare (Cr, Ni, Co), iar alteori actioneaza continuu (Fe), conducand la faramitarea metalului. Metalele nobile (Au, Ag, Pt, Pd) nu reactioneaza cu oxigenul, fiind atacate numai de agenti oxidanti puternici, cum ar fi apa regala (amestec de acizi clorhidric si azotic concentrati, in raport de 3/1).

Oxizii si hidroxizii metalelor tranzitionale au caracter bazic in stari de oxidare mici, caracter amfoter in stari de oxidare medii si caracter acid in stari de oxidare superioare.

Metalele tranzitionale reactioneaza cu nemetalele, rezultand compusi ionici, care prezinta numeroase particularitati. Compusii ionici ai metalelor tranzitionale au proprietati paramagnetice (prezinta magnetizatie proportionala si de acelasi sens cu intensitatea campului magnetic in care se afla).

Elementele tranzitionale formeaza compusi de coordinatie, care sunt combinatii complexe stabile. In aceste combinatii, cationii sunt de multe ori ioni complecsi, in care ionii metalelor tranzitionale sunt inconjurati de un anumit numar de molecule sau ioni care se numesc liganzi. Multi dintre compusii de acest tip sunt colorati datorita posibilitatilor de tranzitie a electronilor d care determina capacitatea de a absorbi in spectrul vizibil la anumite lungimi de unda.

Compusii coordinativi sunt importanti din punct de vedere biologic, deoarece reprezinta structuri ideale pentru stocarea oxigenului, agenti de transfer ai electronilor, catalizatori sau medicamente.

Considerand elementele tranzitionale in ordinea din tabelul periodic, evidentiem rolul unora dintre ele in organismele vii.

Titanul se pare ca are efecte benefice minore in organismele vegetale.

Vanadiul este un microelement important pentru unele specii animale si vegetale. In cazul organismelor animale, vanadiul este implicat in dezvoltarea oaselor. La anumite specii, deficienta in vanadiu conduce la incetinirea procesului de crestere, precum si la deteriorarea procesului de reproducere. La plante, literatura de specialitate mentioneaza implicarea vanadiului in procesele de crestere, precum si in cel de biosinteza a clorofilei la algele verzi unicelulare (Meisch, Benzschawel, 1978). Se sugereaza, de asemenea, posibilitatea ca vanadiul sa inlocuiasca molibdenul in procesul de fixare a azotului pe cale microbiologica (Singht et al., 1969).

Cromul este un element care are influente benefice in cantitati extrem de mici, atat in cazul plantelor, cat si al animalelor, fiind implicat in metabolismul glucozei. In cazul organismului uman, o forma biologic activa a cromului, a carei structura nu este deocamdata cunoscuta, determina, odata cu cresterea continutului de glucoza din sange, sporirea efectelor insulinei (Vincent, 2000). Organismul uman utilizeaza cromul, ca ultramicroelement, drept stimulator al activitatii miocardului si cresterii masei musculare in general.

Molibdenul este un microelement care functioneaza drept cofactor pentru enzime care catalizeaza transformari chimice importante. In organismul uman, molibdenul este cofactor pentru trei enzime: sulfitoxidaza, care este implicata in metabolismul aminoacizilor cu sulf, xantinoxidaza, care catalizeaza scindarea nucleotidelor si care contribuie la capacitatea antioxidanta a singelui, si aldehidoxidaza, cu rol in metabolismul medicamentelor si toxinelor (Beedham, 1985). Pentru plante, molibdenul este un ultramicroelement util, in special drept cofactor enzimatic (nitratreductaza, nitrogenaza, xantinoxidaza). Este, de asemenea, cunoscut ca element care influenteaza pozitiv procesul de fotosinteza si, ca urmare, de biosinteza a clorofilei si pigmentilor carotenoidici, precum si acumularea proteinelor in frunze.

Manganul, care poate sa apara in sistemele biologice in mai multe stari de oxidare, este un microelement important si util, atat animalelor, cat si plantelor. In cazul organismelor animale, manganul are rol important in anumite procese fiziologice, drept constituent al unor enzime si activator al altora, enzime cu rol important in metabolismul carbohidratilor, aminoacizilor si colesterolului (Nielsen, 1999). De exemplu, superoxid dismutaza Mn-dependenta este principala enzima antioxidanta din mitocondrii, cele mai vulnerabile organite celulare la stresul oxidativ. Manganul are rol de cofactor al multor enzime implicate in metabolismul organismelor vegetale, participa la reactiile de oxido-reducere, impreuna cu zincul, cuprul si fierul activeaza biosinteza clorofilei, favorizeaza acumularea azotului in nodozitatile radiculare de la plantele leguminoese, participa la intensificarea procesului respirator etc. (Zamfirache, 2005). Lipsa sau slaba aprovizionare a plantei cu mangan are drept consecinta diminuarea rezistentei radacinilor la infectii patogene (Marschner, 2002).

Fierul este un micronutrient cu rol major in celulele organismelor vii. In organismul uman este component esential a sute de proteine complexe, enzime si sisteme enzimatice (Fairbanks, 1999; Beard et Dawson, 1997). Astfel, catalaza si peroxidaza sunt enzime Fe-dependente, cu rol important in indepartarea unor specii reactive de oxigen, iar ribonucleotid reductaza este implicata in sinteza ADN-ului. Fierul participa la oxidarea carbohidratilor, proteinelor si lipidelor prin intermediul citocromilor (specii alcatuite dintr-un complex cu fier, denumit hem, si o proteina) din calea transportoare de electroni. De asemenea, participa la transportul (prin intermediul hemoglobinei) si stocarea (in molecule numite mioglobina) oxigenului in sangele si tesuturile mamiferelor.

In plante, fierul este absorbit sub forma de ioni (Fe²⁺ sau Fe³⁺), utili in procesele oxido-reducatoare, datorita capacitatii lor de a trece reversibil dintr-o stare de oxidare in alta. Este implicat in biosintezele clorofilei si pigmentilor carotenoidici si in procesele de fotosinteza si de fixare a azotului. Fierul este activator unor enzime si, de asemenea, intra in structura unor enzime si proteine complexe.

Cobaltul este un microelement esential pentru multe specii animale si vegetale. El, intra in structura cobalaminei, vitamina B₁₂, esentiala pentru metabolismul carbohidratilor, lipidelor si proteinelor, vitamina care este un complex de coordinare al cobaltului, in care ionul metalic este inconjurat de un ligand cu sase atomi donori (Cojocaru, 1996). Vitamina B₁₂, si implicit, cobaltul sunt importante pentru functionarea normala a celulelor, sustin vitamina C in indeplinirea rolului sau, previn deteriorarea nervilor prin contributia la formarea tecii protective a acestora etc.

Pentru plantele superioare, cobaltul este un element indispensabil datorita rolului sau de stimulator al cresterii (Milica et al., 1982). Ca si manganul, cobaltul este necesar formarii nodozitatilor radiculare fixatoare de azot atmosferic si, in special in cazul leguminoaselor, participa sub forma ionica sau de chelati la intensificarea activitatii unor enzime specifice nodozitatilor (Zamfirache, 2005).

Nichelul este un microelement care, in forma disponibila din punct de vedere biologic, stimuleaza metabolismul animal si vegetal, fiind un metal cheie in activitatea unor enzime. Cercetari efectuate pe anumite animale (pui de gaina, sobolani) supuse unei diete lipsite de nichel au evidentiat faptul ca acestea prezinta probleme de sanatate, in special legate de proasta functionare a ficatului. De asemenea, multi oameni de stiinta considera nichelul un micronutrient indispensabil sanatatii omului, deoarece are efecte benefice asupra functionarii ficatului si rinichilor, precum si asupra sistemelor osos si nervos. In cazul organismelor vegetale, nichelul este component al unor enzime, cum ar fi ureaza sau hidrogenaza. Este cunoscut, de asemenea, rolul sau stimulator in procesele de crestere la orz si tomate ( Burzo et al., 1999).

Cuprul participa la functionarea normala a organismelor vii. In cazul organismelor animale, unde exista ca microelement sub forma ionilor cuprosi si cuprici, cuprul este legat intr-o varietate de proteine cu functii metabolice specifice, cum ar fi proteinele de transport (ceruloplasmina sau Cu-albumina), proteinele de depozitare (metalotioneinele) sau metaloenzimele care contin cupru (cuproenzime, cum ar fi citocrom oxidaza, superoxid dismutaza, tirozinaza, dopamin-hidroxilaza, lizil-oxidaza. Cuprul indeplineste functii antioxidante in diferite tesuturi si fluide, ca urmare a faptului ca este component al Cu-Zn superoxid dismutazei si ceruloplasminei, precum si datorita abilitatii sale de a accepta si ceda cu usurinta electroni (Linder et Hazegh-Azam, 1996).

Cercetari recente evidentiaza faptul ca acest element este asociat cu metabolismul lipidic si este implicat in mecanismele protective impotriva cancerului, precum si in mentinerea sanatatii cardiovasculare, prin intarirea sistemului imunitar (Gissen, 1994). Este important, de asemenea, in functionarea sistemului nervos central, deoarece un numar de reactii esentiale pentru functionarea normala a creierului si sistemului nervos sunt catalizate de enzime cupru-dependente. Cuprul participa la functionarea mecanismelor de protectie a organismelor animale de efectele daunatoare ale unor substante chimice. Alaturi de vitamina C, mentine elasticitatea vaselor de sange si pielii si, de asemenea, participa la producerea de substante care regleaza presiunea sanguina si pulsul.

In cazul plantelor, este un element cu rol catalitic in procesele de oxidoreducere, intervine in biosinteza clorofilei pe care, in plus, o protejeaza de degradarea timpurie, intra in structura unor enzime (ascorbat oxidaza) si stimuleaza activitatea altora (polifenoloxidaza).

Zincul este un microelement esential pentru organismele vii. Este bioconstituent al unor metaloenzime (carboxipeptidaza, fosfataza alcalina, lactatdehidrogenaza, glutamatdehidrogenaza, aminopeptidaza, ADN-polimeraza , ARN-polimeraza, Zn-Cu superoxiddismutaza), precum si cofactor, in sensul de "efector metabolic", cu rol activator al unor alte enzime (arginaza, enolaza, oxalacetatdecarboxilaza, izomeraza, aldolaza). De asemenea, intervine in actiunea unor hormoni, cum ar fi insulina sau hormoni gonadotropi hipofizari. La om, unde concentratia normala de zinc este de 0,003%, carenta acestui element favorizeaza aparitia si dezvoltarea TBC-ului, iar excesul activeaza declansarea bolii canceroase.

Zincul este un element indispensabil pentru plante. Este cofactor al unor enzime (carbonic anhidraza, alcooldehidrogenaza, fosfataza alcalina, hexokinaza etc.), precum si de stimulator al activitatii altora (peroxidaza, catalaza, enolaza, arginaza etc.). De asemenea, acest element este implicat in activitatea fotosintetica a plantelor, in biosinteza triptofanului si acidului indolilacetic (auxina), in reglarea metabolismelor glucidic, proteic, al unor vitamine, al acizilor nucleici, precum si in procesele pe care le implica fixarea azotului la plantele leguminoase (Zamfirache, 2005).

Cadmiul nu este cunoscut, in general, ca avand functii biologice. Studii experimentale recente evidentiaza rolul acestui element in metabolismul unui organism marin care traieste intr-un mediu tipic, sarac in zinc (Thalassiosira weissflogii). Este vorba de studiul unei anhidraze carbonice Cd-dependente (Lane et Morel, 2000)

Wolframul (tungsten) are rol biologic limitat, deoarece este utilizat de un numar mic de enzime care fac parte din familia aldehidferedoxin-oxidoreductaza (Kletzin et Adams, 1996). Aceste enzime, care au drept cofactor wolframul, catalizeaza interconversia aldehidelor la carboxilati. In plus, cercetari recente considera ca gliceraldehid-3-fosfatferedoxin-oxidoreductaza, enzima care apartine acestei famili, este implicata in glicoliza (Mukund et Adams, 1995).