Биологическая роль химических элементов

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №4 имени Героя Советского Союза
Хусена Борежевича Андрухаева»
а.Мамхег, Шовгеновский район, Республика Адыгея

Исследовательская работа

по химии

«Биологическая роль химических элементов»

Работа

ученицы 8 класса

Набоковой Самиры Айдамировны

Руководитель

учитель химии и биологии

Хуажева Нафисет Каплановна

2019 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

I. Введение …………………………….…………………………………………3

II. Алхимические символы элементов…..…………………………………….5

III. Биологическая роль химических элементов……………………………….8

IV. Заключение………………………………………………………………….14

V. Список литературы…………………………………………….……………..15

VI. Приложения ………………………………………………………………..16

I. Введение

По химическому составу клетки разных организмов и даже клетки, выполняющие различные функции в одном многоклеточном организме, могут существенно отличаться друг от друга. В то же время разные клетки включают в себя практически одни и те же химические элементы. Сходство элементарного химического состава клеток разных организмов доказывает единство живой природы. Вместе с тем нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был, бы найден в телах неживой природы. Это указывает на общность живой и неживой природы.

Из всех известных в настоящее время элементов таблицы Менделеева более половины обнаружено в составе клетки, т.е. это практически все элементы, присутствующие на нашей планете в сколько-нибудь значительном количестве. В то же время распределение этих элементов в клетках неравномерно.

Актуальность исследования: здоровый человек может успешно развиваться, как творческая личность. Современные условия предъявляют повышенные требования к здоровью и интеллектуальным возможностям молодежи. Изучение и выявление факторов дефицита элементов позволяет осуществлять профилактику заболеваний, связанных с недостатком или избытком элементов в организме человека.

Проблема исследования: слабая информированность обучающихся о биологической роли химических элементов.

Новизна исследования заключается в том, что практическая часть данного направления проводится в школе впервые.

Объект исследования: химические элементы (углерод, кальций, фтор, йод, калий, натрий).

Предмет исследования: биологическая роль химических элементов.

Цель: выяснить биологическую роль наиболее распространенных химических элементов и использовать эту информацию для формирования у обучающихся ценностного отношения к своему здоровью.

Задачи:

• Определить группу наиболее встречающихся на нашей планете химических элементов и выяснить их биологическое значение.
• Выяснить важно ли сочетание и пропорциональное соотношение химических элементов при попадании в организм.
• Оформить полученную информацию в виде стенда в кабинете химии.
• Выступить с данной информацией на научно-практической конференции по химии для учащихся 8-11 классов образовательных организаций.

Гипотеза исследования: многие химические элементы имеют определенное значение для живых организмов, но для большинства элементов, как недостаток, так и избыток оказывает вредное воздействие на организм.

Тип работы:  информационный (химия и биология)

Методы исследования:

• Аналитическое (сбор информации)
• Творческое (создание стенда)
• Представительское (создание презентации, выступление на научно-практической конференции по химии для учащихся 8-11 классов образовательных организаций).

Участники:  обучающиеся 8- 11 классов.

Результат: повышение информированности  обучающихся о биологической роли химических элементов.

 «Читая Менделеева»

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.

С.Щипачев

II. Алхимические символы элементов

Алхимия (позднелатинское alchemia, alchimia, alchymia) восходит к греческому chemeia от арабского cheo (лью, отливаю), что указывает на связь алхимии с искусством плавки и литья металлов. Другое толкование происхождения слова «Алхимия» – от египетского иероглифа «хми», означавшего черную (плодородную) землю, в противовес бесплодным пескам. Этим иероглифом обозначался Египет, место, где, возможно, возникла алхимия, которую часто называли «египетским искусством». Впервые термин «алхимия» встречается в рукописи Юлия Фирмика, астролога 4 века.

Важнейшей задачей алхимики считали превращение (трансмутацию) неблагородных металлов в благородные (ценные), в чем собственно и заключалась главная задача химии до 16 столетия. Эта идея базировалась на представлениях греческой философии о том, что материальный мир состоит из одного или нескольких «первоэлементов», которые при определенных условиях могут переходить друг в друга. Задачей средневековых алхимиков было приготовление двух таинственных веществ, с помощью которых можно было бы достичь желанного облагораживания (трансмутации) металлов.

Наиболее важный из этих двух препаратов, который должен был обладать свойством превращать в золото не только серебро, но и такие, например, металлы, как свинец, ртуть и т.д., носил название философского камня, красного льва, великого эликсира (от араб. аль-иксир – философский камень). Он также именовался философским яйцом, красной тинктурой, панацеей и жизненным эликсиром. Это средство должно было не только облагораживать металлы, но и служить универсальным лекарством; раствор его, так называемый золотой напиток, должен был исцелять все болезни, омолаживать старое тело и удлинять жизнь. Другое таинственное средство, уже второстепенное по своим свойствам, носившее название белого льва, белой тинктуры, имело способность превращать в серебро все неблагородные металлы.

Родиной алхимии считается Древний Египет. Алхимики вели начало своей науки от Гермеса Трисмегиста (он же египетский бог Тот), и поэтому искусство делать золото называлось герметическим. Свои сосуды алхимики запечатывали печатью с изображением Гермеса – отсюда выражение «герметически закрытый». Существовало предание, что искусству обращать «простые» металлы в золото ангелы научили земных женщин, с которыми вступили в брак, о чем рассказано в «Книге Бытия» и «Книге пророка Еноха» в Библии. Это искусство было изложено в книге, которая называлась «Хема». Арабский ученый аль-Надим (10 век) полагал, что родоначальником алхимии был Гермес Великий, родом из Вавилона, поселившийся в Египте после Вавилонского столпотворения. Существовали греко-египетская, арабская и западно-европейская школы алхимии.

Основой всех алхимических теорий является теория четырех элементов. Эта теория была подробна разработана греческими философами, такими как Платон и Аристотель. Согласно учению Платона Вселенная была создана Демиургом из одухотворенной Первичной материи. Из нее он создал четыре элемента: огонь, воду, воздух и землю. Аристотель добавил к четырем элементам пятый – квинтесенцию. Именно эти философы, по сути, и заложили фундамент того что принято называть алхимией.

Триада алхимиков – сера, соль и ртуть. Особенностью теории единства серы, ртути и соли являлась идея макро и микрокосмоса. То есть человек в ней рассматривался как мир в миниатюре, как отражение Космоса со всеми присущими тому качествами. Отсюда и значение элементов: Сера – Дух, Ртуть – Душа, Соль – тело. Таким образом и Космос и человек состоят из одних и тех же элементов – тела, души и духа. Если сравнить эту теорию с теорией четырех элементов то можно увидеть, что Духу соответствует элемент огня, Душе элемент воды и воздуха, а Соли элемент земля.

Сера и ртуть рассматриваются как отец и мать металлов. При их соединении образуются различные металлы. Сера обуславливает изменчивость и горючесть металлов, а ртуть твердость, пластичность и блеск. Идея единства (всеединства), была присуща всем алхимическим теориям. На основе ее алхимик начинал свою Работу с поиска первовещества. Идея единства всего сущего символически изображалась в виде уробороса (гностического змея) – змея пожирающего свой хвост – символа Вечности и всей алхимической Работы.

Точных сведений о происхождении слова «элемент» нет. Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита -1, т, п, t. Прочтя их, мы получим «эль», «эм», «эн», «те». Этим подчеркивается, что как все слова состоят из букв, так и все тела сложены из элементов. Мы с вами, всё, что нас окружает, — это комплексы различных химических элементов. О них-то и пойдет речь на нашей конференции.

III. Биологическая роль химических элементов

. В периодической системе Д.И.Менделеева насчитывается 118 элементов, 87 из них обнаружены в организме человека. По количественному содержанию они делятся на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Макроэлементы – это углерод, кислород, водород и азот, а также Mg, К, Са, Fe, Na, P, S, C1. Они составляют 99% массы клетки и являются главными компонентами всех органических соединений. Микроэлементы содержатся в клетках в очень малых количествах: от 0,001 до 0,000001%. К ним относятся Zn, Mn, Си, I, F, A1. Но даже те элементы, которые содержатся в ничтожно малых количествах, необходимы для жизни и ничем не могут быть заменены.

Углерод

Углерод - один из самых распространенных элементов в атмосфере Земли и ее недрах. Из ее глубин мы добываем его в виде природного газа, нефти, угля. В простом виде углерод встречается в виде алмаза, графита, карбина. Его содержание в организме составляет 18% от общего веса, то есть более 12 кг. для взрослого. 

Атомы углерода являются структурной основой всех органических соединений, образуя бесконечное множество различных веществ (известно несколько миллионов органических соединений). Органические соединения углерода являются одним из основополагающих факторов жизни на Земле.

Биологической ролью обладают его соединения. Из различных соединений углерода (белки, жиры, углеводы, нуклеотиды, гормоны, амино- и карбоновые кислоты и др.) состоят все ткани организма. Он является структурным компонентом всех органических соединений, его соединения участвуют во всех биохимических процессах, при окислении соединений углерода образуется необходимая для организма энергия. Углерод, подобно кислороду, присутствует во всех продуктах, но особенно богата им пища, в состав которой в большом количестве входят углеводы, а также жиры.

Железо

Железо – один из самых распространенных элементов в природе. В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию. Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в неокисленном состоянии.

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

В организме человека содержится 4,2 г железа. Оно сосредоточено в эритроцитах, мышцах и костях. При его недостатке возникает железодефицитная анемия, сопровождающаяся усталостью и апатией.

Железом богаты продукты ярко пигментированные: свекла, хурма, гранаты, красная икра, яблоки, печень, мясо (говядина), зеленые листья овощей.

Кальций

Кальций в виде металла (в переводе с латинского означает известь) — был выделен в 1808 г. Это один из самых распространенных химических элементов на Земле (почти 3,5% массы земной коры). В природе в свободном состоянии он не встречается, так как обладает большой химической активностью. Много кальция содержится в осадочных породах. Гидроксид кальция (известковая вода) используется в лабораториях для определения углекислого газа.

Мел, мрамор, известняк - хорошие строительные материалы. Их используют для постройки и отделки зданий, при создании скульптур. Однако мрамор — прочный строительный материал — разрушается под действием кислотных дождей. Строительный материал, используемый человеком, является строительным материалом и самого человека.

Фосфат кальция составляет основу скелета человека. Наглядный пример этого — декальцинированная кость, которую можно завязать в узел.

Кальций — основной компонент зубов, при его дефиците возникают проблемы: кариес, пульпит, выпадение зубов. Ионы кальция — активаторы многих ферментов, поэтому его недостаток приводит к нарушению жизненно важных процессов в клетке. Без кальция невозможно сокращение мышечного волокна. Кальциевые соли серной кислоты служат важной составной частью минерального питания растений.

Потребность взрослых людей в кальции составляет 0,8 г в сутки, детей - 1,4 г в сутки. Это количество кальция можно усвоить, введя в пищевой рацион 1 л молока, или 150 г творога, или 1 яйцо. Кальций содержится также в гречневой крупе, капусте, черной смородине, апельсинах.

Фосфор

Фосфор открыл X е н н и н г Б р а н д в 1669 г. В переводе с латинского фосфор означает светоносный. В земной коре на долю фосфора приходится 0,1% (по массе). Он входит в состав минералов фосфорита и апатита. Существуют 3 аллотропные модификации фосфора — красный, черный, белый. Белый - химически неустойчив, от сотрясения воздуха самовозгорается.

Черный фосфор - полупроводник. Красный — используют для производства спичек, фосфорных удобрений и кормовых добавок для животных. Ничто живое не может обходиться без фосфора.

В живых организмах фосфор присутствует в костях, мышцах, тканях мозга и нервах. В организме взрослого человека содержится примерно 4,5 г фосфора. Почти все важнейшие физиологические процессы связаны с превращением фосфорсодержащих веществ. Из фосфора строятся собиратель и носитель энергии аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), рибонуклеиновые, дезоксирибонуклеиновые кислоты (РНК, ДНК), отвечающие за передачу наследственных свойств. Фосфор необходим детям для построения костной ткани. Он также участвует в функционировании клеточных мембран и помогает поддерживать рН среды внутренних жидкостей.

Продукты, богатые фосфором, - это рыба, сваренная с костями, рыбные консервы, морепродукты, яйца.

Фтор

Фтор в свободном виде получил в 1866 г. французский химик А н р и М у а с с а н, за что ему была присуждена Нобелевская премия. Многие пытались получить фтор, но или погибали или получали тяжелые увечья. В переводе с греческого, «фторос» - разрушающий, он очень активен, в нем горит даже вода: 2F0 + 2Н2О = 4HF + О,.

Конечно же, из-за своей активности фтор в свободном виде не встречается, а существует главным образом в минералах, например в флюорите (плавиковом шпате).

 Простое вещество фтор - очень ядовитый газ. Без этого элемента человеческий организм существовать не может.    

 Фтор участвует в построении зубной эмали и костей, и при его недостатке происходит их разрушение.

Чтобы повысить количество фтора в организме, нужно употреблять морскую пищу, фторированную воду и чистить зубы зубной пастой, содержащей фтор.

Йод

Элемент йод мало распространен на Земле. Йод в виде простого вещества был получен в 1811 г. французом К у р т у а, а название свое получил за цвет паров (греч. «иодэс» — «фиолетовый»).

Йод в твердом виде — это серое вещество с металлическим блеском. Йод применяется в медицине и для получения высокочистых металлов, например циркония. Элемент йод необходим организму человека.

Человек не может жить без йода. Его недостаток в воде и пище резко снижает выработку гормона тироксина щитовидной железы. Под регулирующим действием тироксина находятся мышечное возбуждение, биение сердца, аппетит, пищеварение, работа мозга и даже темперамент человека. Хронический недостаток йода вызывает серьезные нарушения обмена веществ и такие болезни, как Базедова, или зобная, гипотиреоз. В древности были зарегистрированы случаи, когда щитовидная железа разрасталась до таких размеров, что ее нужно было везти на тележке перед собой. Диетологи. В горных районах, где наблюдается особый дефицит йода, обязательно применение йодированной соли для приготовления пищи. Нам же с вами надо не забывать о морепродуктах, особенно о морской капусте. Суточная потребность в йоде для школьника и взрослого человека 130—200 мкг. В 100 г рыбы пикши содержится 416 мкг йода, в 100 г лосося — 216 мкг. Йода много в фейхоа и хурме, он есть в хлебе (8,5 мкг йода в 100 г), овсе, рисе.

Калий и натрий

Элементы калий и натрий — представители семейства щелочных металлов, из-за своей активности они не могут находиться в природе в виде простых веществ. Самые распространенные минералы, содержащие эти элементы, — галит, или каменная соль (NaCI), сильвин (КСI) и сильвинит (NaCbKCI). Каменную соль добывают открытым способом на озерах Эльтон и Баскунчак. Даже летом эти озера покрыты соляной коркой «льда». Калий — составная часть макроудобрений. Человек тоже не может обходиться без этой «сладкой парочки».

Пока клетка жива, различие в концентрации ионов калия и натрия между клеткой и межклеточной средой стойко удерживается. От концентрации солей внутри и вне клетки зависит интенсивность обмена веществ в тканях. Калий обеспечивает водный баланс, сердечную деятельность, метаболизм углеводов и белков. Он концентрируется в мышечной и костной тканях, в крови. Недостаток калия (менее 100 г в организме взрослого человека) приводит к нарушению сократительных свойств сердечной мышцы и при увеличении нагрузки на организм может наступить внезапная смерть из-за аритмии сердечных сокращений.

Натрий сосредоточен в крови, мышечной и костной тканях. Он отвечает за передачу нервного импульса. При дефиците натрия (менее 140 г) появляются такие симптомы, как головная боль, слабость, ухудшение памяти, потеря аппетита.

Так как натрий участвует в минеральном обмене всех живых организмов и не содержится в достаточном количестве в пище, то человек вынужден употреблять с пищей поваренную соль (хлорид натрия). Однако и недостаточное, и избыточное потребление поваренной соли вредно для человека. Ее суточная потребность для взрослых, живущих в умеренном климате, составляет 9 г, а для людей, живущих в жарком климате 15—20 г.

Калий содержится в таких продуктах, как бананы, сухофрукты, апельсиновый сок, картофель.

IV. Заключение

Для организма человека важно постоянство содержания многих элементов. Часто недостаток или избыток какого-либо элемента может вызвать различные заболевания. Некоторые живые организмы способны накапливать определенные химические элементы. Элементы, входящие в состав организма, могут быть составными частями молекул разнообразных неорганических и органических соединений, либо находиться в форме ионов: катионов и анионов.

Важно также взаимное влияние обмена одного элемента на обмен другого. Так, например фосфор и кальций должны попадать в организм в определенном соотношении. Если  фосфора попадает больше, то это способствует вымыванию кальция из костей и др. последствиям.

Здоровье на 25% зависит от наследственности и медицины, а на 75% - от образа жизни, который вы будете вести.

Результат работы:

• Нашли и обобщили информацию о биологической роли химических элементов.
•  Создали презентацию о биологической роли химических элементов и выступили с ней на научно-практической конференции по химии для учащихся 8-11 классов образовательных организаций (Приложение 1).
• Оформили стенд в кабинете химии (Приложение 2).

V. Список литературы

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 2001. -679 с.
2. Биология. Энциклопедический словарь школьника / Сост. П. Кошель - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2000.
3. Ресурсы сети Интернет:

http://www.smed.ru 

http://www.proza.ru/2012/03/13/2103

4. Учебник: Химия: 8 класс: учебник для учащихся общеобразовательных организаций/ Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.  - М.: Вентана-Граф, 2015.-256с.
5. Учебник: Химия: 8 класс: учебник для учащихся общеобразовательных организаций/ Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.  - М.: Вентана-Граф, 2015.-256с.

VI. Приложения

Приложение 1

Приложение 2