ГУМАНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Металлы в  жизни человека

( интегрированный урок химии и экологии )

Преподаватель: Байтулесова А.А.

г. Шемонаиха 2008

Цель данного урока:  расширить кругозор учащихся,  повысить познавательный интерес к изучению предмета,  формировать экологическое мировоззрение, расширить знания об элементах жизни, о загрязняющем действии тяжелых металлов, закрепить знания о химических элементах, обобщить знания учащихся о металлах, значении в жизнедеятельности человека, токсическом  действии металлов на организм человека, учить четко и грамотно выражать свои мысли, максимально использовать знания, полученные при изучении других предметов – биологии,  географии, математики, истории, физики и  экологии (устанавливать межпредметные связи).

Оборудование:  раздаточный материал (тексты о металлах), маркеры, мультимедийный проектор, ватманы, фишки.

ХОД УРОКА

1.Организационный этап. Приветствие.

Другого ничего в природе нет
Ни здесь, ни там, в космических глубинах:
Все – от песчинок малых до планет –
Из элементов состоит единых.
Как формула, как график трудовой,
Строй менделеевской системы строгий.
Вокруг тебя творится мир живой,
Входи в него, вдыхай, руками трогай.

(С. Щипачев «Читая Менделеева)

 2.Целеполагание и актуализация.  

Учащиеся делятся на  дифференцированные группы по 5 человек.                                                                                                                                                

     Хотя большинство элементов являются металлами, природа использует в качестве материала для строительства живых организмов главным образом неметаллы (прежде всего углерод, азот, фосфор и кислород). 99%  всех атомов металлов в организме человека составляют такие элементы, как натрий, калий, магний и кальций. Они присутствуют в организме как в виде твердых соединений (например,  в костях и зубах), так и в растворах (например  в плазме крови, межклеточных жидкостях). Натрий и калий участвуют в поддержании осмотического давления, передаче нервных импульсов. Нарушение в организме магниево-кальциевого равновесия вызывает рахит. Многие d-металлы присутствуют в организме человека в следовых количествах. В крови взрослого человека обнаружены ионы цинка, марганца, железа, кобальта, меди. Ионы металлов входят в состав ферментов, которые являются катализаторами биохимических процессов.

  Количественная оценка токсичности металлов – сложная проблема. Из-за разнообразия совместных эффектов взаимодействия различных компонентов биологических систем почти невозможно определить границы допустимых и опасных концентраций. Также бесконечно разнообразны сами живые организмы. Действительно пища одного человека может быть ядом для другого.

 Многие металлы полезные в естественных природных концентрациях, становятся токсичными при более высоких или более низких концентрациях.

    Токсичность многих металлов зависит от того, в составе каких соединений они поступают в организм. Например, растворимые соли бария (нитрат, хлорид, ацетат и др.) чрезвычайно ядовиты - смертельная доза при приеме внутрь составляет около 0,4-0,5 г (в пересчете на барий). А труднорастворимое соединение бария ВаSO₄ практически не ядовито и широко используется в медицинской практике как контрастное средство при рентгенологическом исследовании пищевода, желудка и кишечника.

  Загрязнение окружающей среды металлами, как правило, велико вблизи крупных производственных комплексов, особенно при наличии химических производств. Несбалансированное содержание микроэлементов в ландшафте способно вызывать различные заболевания у людей. Так, никель способствует появлению раковых новообразований, возможны воспаления кожи, легочные повреждения. Кобальт увеличивает количество эритроцитов (полицитемия),  медь – цирроз печени, а титан и цирконий действуют на систему верхних дыхательных путей и могут снижать содержание гемоглобина.

   Металлы, наиболее опасные для жизнедеятельности организмов – ртуть, свинец, кадмий, таллий, бериллий, меньше распространены в земной коре. Таким образом  природа вводит естественную защиту от негативного влияния данных металлов на живые организмы за счет их малой доступности. Однако интенсивная хозяйственная деятельность человека привела  к поступлению значительных количеств этих металлов в биосферу, что представляет серьезную угрозу для здоровья людей.

  Так 5 ноября 1990 года произошла авария на бериллиевом производстве Усть - Каменогорского завода ядерного топлива. В результате аварии образовались пылегазовые облака, которые распространились по территории города, где проживало 420 тыс. человек. Рабочие и жители подверглись воздействию бериллия с концентрацией в 60-890 раз превышающей ПДК.

  Особую опасность представляют глобальные выпадения тяжелых металлов. На континенты Северного полушария выпадают огромные количества таких металлов, как ртуть и свинец: соответственно 100 и 280 тыс. т  в год.

1 этап. «Опорная схема»

Ученикам раздаются тексты. Задание: внимательно прочитать текст; выделить элементы- металлы, необходимые для жизни, и элементы-металлы, опасные для живых организмов. На ватмане изобразить все в виде опорной схемы. Каждая команда должна защитить свою схему.
Железо. В организме взрослого человека содержится 4-5 г железа в виде двух катионов: Fe^2+, Fe^3+.  Это очень немного по сравнению, например с кальцием, которого в организме больше - 1 кг. Но если мы сравним не общее содержание этих элементов, а их концентрацию только в крови, то здесь железа в 5 раз больше, чем кальция. В эритроцитах крови сконцентрирована основная масса железа, входящего в состав организма. Эритроциты содержат гемоглобин, который переносит кислород из легких во все органы и ткани тела. А железо – непременная составная часть гемоглобина.

В организме существует депонированное (запасное) железо в виде высокомолекулярного железосодержащего белка (ферритина), находящегося в клетках печени и селезенки.       Гемоглобин - сложный белок, молекула которого состоит из двух частей: белковой – глобина и железосодержащей – гемма. Эритроцит очень мал – его диаметр всего 7 мк. Но в каждом эритроците 280 млн молекул гемоглобина. А в организме человека циркулирует около 25 триллионов эритроцитов. Также железо входит в состав мышечного белка – миоглобина и в состав многих ферментов. Какая-то часть железа (около 1%) постоянно циркулирует в  плазме – жидкой части крови. Это железо называется транспортным, т.к. здесь оно находится лишь временно  - на пути к тому или иному месту своего использования. Обмен между плазмой крови и лимфой происходит при помощи транспортного белка (трансферрина). Одна молекула трасферрина связывает 2 атома железа. Основной путь обмена железа таков: железо плазмы – железо эритроцитов - гемолиз- железо плазмы.

  Главное «депо» железа – печень: здесь у взрослого мужчины может быть запасено до 1 г железа. В случае потерь крови потребность в железе повышается, оно должно поступить в организм с пищей. При внутривенных инъекциях железо вводится в виде аскорбата, цитрата или коллоидных комплексов с углеводами.

 Небольшая доля железа расходуется на рост покровных тканей организма – кожи, ногтей. Оно входит в состав пигмента, окрашивающего волосы.

Антропогенные источники: сточные воды и шламы металлургического, химического, нефтехимического, фармацевтического, лакокрасочного, текстильного производств; коррозия.

 Токсическое действие: Вдыхание пыли, содержащей соединения железа, приводит к заболеванию легких, снижению секреции желудка,  изменению состава крови, возникновению стоматита, гастрита.

Натрий и калий. Ионы натрия и калия распределены по всему организму человека, причем первые преимущественно  входят в состав межклеточных жидкостей, вторые – внутри клеток. Ионы натрия и калия принимают активное участие во многих процессах функционирования клеток. В организме содержится 250 г калия и 70 г натрия. От концентрации обоих ионов зависит чувствительность (проводимость) нервов и сократительная способность мышечной ткани. Шок при тяжелых ожогах обусловлен потерей ионов калия из клеток. Введение ионов калия способствует расслаблению сердечной мышцы между сокращениями сердца. Хлорид натрия служит источником для образования соляной кислоты в желудке. Гидрокарбонат натрия – буферная соль – поддерживает кислотно-щелочное равновесие в жидких средах организма. Лечение некоторых психических заболеваний основано на замене ионов калия и натрия на ионы лития.

Магний. Ионы магния образуют в клетках организма комплексы с нуклеиновыми кислотами, участвуют в передаче нервного импульса, сокращении мышц, метаболизме углеводов. Магний можно назвать центральным элементом энергетических процессов, вязанных с энергетическим фосфорилированием. Избыток магния играет роль депрессора нервного возбуждения, недостаток – вызывает  тетамию (судороги). Содержание магния в организме около 42 г, повышенное количество его в организме может вызвать  наркотическое состояние.

Кальций. Один из пяти наиболее распространенных элементов в организме человека. Содержание его в организме составляет около 1700 г на 70 кг массы. Ионы кальция участвуют в структурообразовании, сокращении мышц, функционировании нервной системы. От содержания  ионов кальция зависит проницаемость клеточных мембран. Кальций нужен для роста костей и зубов, образования молока у кормящих женщин, регулирования нормального ритма сокращений сердца, а также процесса свертывания крови. Свертывание крови можно ускорить, вводя в организм избыточное количество солей кальция, например при кровотечении. Недостаток кальция в плазме крови  может вызвать судороги и даже конвульсии (сильные судороги всех мышц).

Марганец. Биологическая роль. Содержание марганца в организме человека -10 -4%. Он входит в состав ферментов, активирует многие ферменты, может замещать другие металлы, в частности магний. Он необходим для формирования соединительной ткани и костей, роста организма, репродуктивной функции, эндокринных желез. Недостаток марганца отрицательно влияет на развитие костей. Считается, что в организме человека и животных марганец усиливает эффективность действия витамина С и витаминов группы В. Марганец концентрируется в организме некоторых видов муравьев.

Токсическое действие. Проявляется в поражении легких, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, угнетении функций окислительных митохондрий. Обладает мутагенным и аллергическим эффектом.

Кобальт. Двухзарядный катион кобальта входит в состав важных белковых молекул, активирует действие ряда ферментов. Комплекс трехвалентного кобальта составляет основу витамина В12. Значительный недостаток этого витамина вызывает злокачественную анемию. Полагают, что дефицит кобальта снижает способность организма защищаться от различных инфекций.

Медь. Медь была обнаружена в организмах позвоночных и беспозвоночных животных. Из пищевых продуктов особенно богаты соединениями меди картофель, томаты и свекла. Человеку медь необходима для нормального процесса кроветворения. Образование гемоглобина протекает при обязательном участии меди. В присутствии меди образуются такие необходимые для дыхания клеток вещества, как каталаза, цитохром, аскорбиноксидаза. Потребность взрослого человека в меди составляет 2 мг в день.

Алюминий. Обнаружены достаточно грозные проявления токсичности алюминия: нарушения речи, провалы в памяти, нарушения ориентации, помутнение рассудка, конвульсии, а порой и гибель пациентов  с почечной недостаточностью, проходивших лечение  на аппаратах  гемодиализа (искусственная почка). Все эти симптомы мозгового заболевания, названного «диализная энцефалопатия» исчезли, когда используемую при гемодиализе воду стали предварительно очищать от ионов алюминия.

  Токсичность алюминия явилась неожиданностью для человечества. Алюминиевая посуда не является главным поставщиком алюминия в организм. Обогащение питьевой воды ионами алюминия начинается на водоочистительной станции при обработке ее сульфатом алюминия. Многократное превышение концентрации алюминия над нормой характерно для озерных и речных вод в регионах, подверженных действию кислотных дождей, за счет растворения природных малорастворимых алюмосиликатных пород. Специалисты рекомендуют не злоупотреблять лекарствами, содержащими гидроксид алюминия: противоартритными, противогеморроидальными, понижающими кислотность желудочного сока.

Ртуть.  Большие количества ртути выделяются в биосферу в результате функционирования различных промышленных производств. Ртуть сопутствует в рудах многим цветным металлам. В увлекаемой газами пыли, образующейся при обжиге руд, содержится металлическая ртуть. Также ртутные пары выделяются при обжиге известняков, цементном производстве, сжигании угля, древесины.

Мхи и лишайники способны накапливать ртуть. По цепи питания ртуть может попасть и в организм человека.

 Представляет опасность загрязнение окружающей среды ртутью, содержащейся в сточных водах электролитических ванн получения хлора и гидроксида натрия.(ртуть служит в качестве анода)

 Очень часто отравления ртутью происходят в помещениях при неправильной эксплуатации ртутьсодержащих приборов и устройств (термометры, барометры, манометры).

 Характерными признаками ртутного отравления являются слюнотечение, вялость, бессонница, ослабление памяти, может возникать  общее подавленное состояние и нервное расстройство.

Таллий.  В Интернете в 1995 г. появилось сообщение, что у студентки Пекинского университета внезапно начались головокружения, сильные кишечные спазмы, жгучие боли в ладонях и ступнях. Затем у нее прядями стали выпадать волосы. Родители срочно отправили ее в больницу, но девушка погрузилась в кому. По мнению врачей, головокружения и боли в ладонях и ступнях, а также в суставах указывают на серьезное невралгическое расстройство. Однако пункция позвоночника не выявила никаких отклонений. Анализы на отравление мышьяком и свинцом также оказались отрицательными. Действие какого металла на организм человека связано с выпадением волос? (таллия)

Никель. Биологическая роль. Необходимый человеку микроэлемент. Содержание его в организме - 10 ^-4%. Он входит в состав многих ферментов. Недостаток его приводит к ингибированию ферментов печени, нарушает дыхательные процессы в митохондриях, изменяет содержание липидов в печени. Никель – биологический конкурент меди и железа. При избытке в организме никеля в нем падает содержание меди.

Токсическое действие: Канцероген. Высокий уровень содержания никеля в окружающей среде привел к появлению нового неврологического заболевания - миело-оптико-нейро - питания (Япония). Симптомы: боли в животе, нарушение чувствительности, паралич, падение остроты зрения.

Свинец. Он  известен с давних времен. Глазури, которыми древние покрывали глиняную посуду, - те же соединения свинца. А металлический свинец, начиная со времен Древнего Рима, применяют при прокладке водопроводов. (Известно, что древние римляне употребляли для питья сосуды, а также пользовались водопроводом с применением свинца, что сказалось на вырождении населения империи). В настоящее время перечень областей применения свинца очень широк:  производство электрических кабелей, свинцовых аккумуляторов, химическое машиностроение, атомная промышленность (для защиты от излучения), производство хрусталя, эмалей,  замазок, лаков, спичек, пиротехнических изделий, пластмасс (в качестве стабилизатора), пьезоэлектрических элементов; свинец входит в состав тетраэтилсвинца, который добавляют к бензинам для повышения октанового числа.  Объем современного производства свинца составляет более 2,5 т  в год. В результате производственной деятельности в природные воды ежегодно попадает 500-600 тыс. т свинца, а через атмосферу на поверхность Земли оседает около 400 тыс. т В воздух основная часть свинца (260 тыс.т) выбрасывается с выхлопными газами автотранспорт а, меньшая (примерно 30 тыс.т) – при сжигании каменного угля.

  Результаты хронической токсикации свинцом у людей изучены достаточно подробно. Происходят изменения состояния нервной системы, проявляющиеся в головной боли, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности, в нарушениях сна, ухудшении памяти, мышечной гипотонии, потливости. Токсикация вызывает поражения десен, расстройства кишечника,  заболевания почек и кровеносных сосудов. Недавно ученые США пришли к заключению, что токсикация свинцом - причина агрессивного поведения школьников и снижения их способности к обучению. Полагают, что длительная токсикация организма свинцом,  способствует развитию атеросклероза.

 Меньше всего свинца в бобовых,  больше всего в кабачках. С растительной пищей свинец попадает в организм животных и человека.

 Свыше 90% всосавшегося свинца фиксируется в костях, а также во внутренних органах. При неполноценном питании поступление свинца в кровь увеличивается. Предохраняет от от нарушения работы кроветворных органов и центральной нервной системы прием витаминов С и Е. Высокоэффективным связующим для попавшегося в организм свинца оказался пектин, содержащийся в апельсиновых корках.

  Свинец является наиболее опасным неорганическим токсином  для организма человека. Отравление свинцом представляет определенную опасность при употреблении в пищу консервированных продуктов, поскольку технология получения многих консервных банок включает операцию пайки швов, для чего наряду с оловом используется свинец.

Кадмий. Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, нарушает процесс образования гликогена в печени, вызывает деформацию скелета, угнетает рост костей, а также вызывает тяжелые боли в пояснице и в мышцах ног, хрупкость костей (например, перелом ребер при кашле). Другие негативные последствия – рак легких и прямой кишки, нарушение функции поджелудочной железы. Поражение почек, снижение содержания в крови железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в водных и наземных растениях (отмечается, например, 20-30-кратное увеличение кадмия в листьях табака).
Химический символ кадмия Сd курильщикам можно считать как аббревиатуру английского Cancer disease – раковое заболевание. Рак легких – вероятный результат длительного воздействия  аэрозоля оксида кадмия, поступающего в альвеолы с табачным дымом. Более четверти кончин онкологических больных происходит от рака легких. Среди заболевших  80-90%- курильщики. Табак – растение, в наибольшей мере аккумулирующий соли кадмия из почвы – до 2 мг/кг. Это во много раз превышает предельно допустимое содержание кадмия в основных продуктах питания (в мг/кг).  В организме кадмий обнаруживают во всех тканях и органах, но больше всего в почках и печени.

 Это не помешало техническому применению кадмия в некоторых отраслях техники 20 века: для создания никель-кадмиевых аккумуляторов и бытовых батареек, аварийных и регулирующих стержней для атомных реакторов. Составной частью входит в сплавы, катализаторы, лазерные материалы, красители, стабилизаторы. Используют кадмий и как антикоррозионное и декоративное покрытие изделий из железа и сталей.

Подводятся итоги, и каждая группа получает баллы за выполнение первого задания.

2 этап. «Решение задач»

ЗАДАЧА 1.

Вавилонский царь Бурнабуриаша был сильно разгневан тем, что получил в подарок от египетского фараона Аменхотепа IV (мужа Нефертити) недоброкачественное золото.

      Вот что мы читаем в его письме: «Когда 20 мин золота положили в печь, получили только 5 мин чистого золота» (мина – древняя счетно-весовая единица, которая составляет 489,6 г).

      Определите, сколько граммов чистого золота получил вавилонский царь, и сколько процентов чистого золота было в подарке.

ЗАДАЧА 2.

На гробнице китайского полководца Чжоа Чжу, похороненного в 316 г, есть металлический орнамент. Когда химики сделали анализ металла, то оказалось, что он имеет следующий состав: 5% магния, 10% меди и 85% алюминия. До сих пор наука не может объяснить, как удалось древним китайцам получить такой сплав. Определите, сколько граммов каждого металла содержится в 20 г сплава.

 ЗАДАЧА 3.

Определите процентное содержание химических элементов в  организме человека массой 70 кг, если он состоит из 45,5 кг кислорода, 12,6 кг углерода, 7 кг водорода, 2,1 кг азота, 1,4 кг кальция, 0,7 кг фосфора и некоторых других элементов.

Подводятся итоги, и каждая группа получает баллы за выполнение первого задания.

 Этап

Викторина «Металлы»

1.      Самый древний сплав (бронза).

2.      Какие металлы можно «зажечь» холодной водой? (щелочные)

3.      Какой  из благородных металлов обладает бактерицидными свойствами? (серебро)

4.      Каким металлом покрывают консервные банки, изготовленные из железа, для предупреждения разрушения железной основы? (олово)

5.      Почему разрезанное яблоко на воздухе темнеет? (двухвалентное железо окисляется до трехвалентного)

6.      В названия каких металлов входят названия животных? (вольфрам, цирконий, мышьяк, менделевий)

7.      Какой элемент является настоящим «гигантом»? (титан)

8.      Какой благородный металл состоит из болотных водорослей? (платина)

9.      Перечислите химические элементы, названные в честь стран и континентов.  (франций, полоний, рутений, галлий, европий, германий, америций)

10.  В название какого элемента входит дерево? (никель)

11.  В названии  каких структурных элементов ядра клетки, содержащих ДНК, входит название химического элемента? (хромосомы - хром)

12.  Переставьте буквы в названии элемента седьмой группы, таким образом, чтобы получилось название леса из молодых елочек (никель-ельник)

13.  Заменив одну букву в названии элемента в семействе актиноидов,  получите название летучей мыши с большими ушами (уран-ушан)

14.  Отбросив три буквы подряд в названии крупного млекопитающего отряда хищных, получите название химического элемента первой группы (медведь – медь)

15.  Элемент, название которого происходит от двух греческих слов, обозначающих «новый» и «близнец» (неодим)

16.  Этот металл входит в состав типографского сплава, его оксид используют как добавку при производстве хрустального стекла, главные потребители этого металла – аккумуляторная и кабельная промышленность. Кроме того, его используют для защиты от рентгеновского излучения (свинец)

17.  Этот металл самый распространённый в земной коре, но из руды его выделили 150 лет назад, и в течение последующих 60 лет он был большой редкостью и ценился дороже золота. В 1854 году стоимость 1 кг этого металла составляла - 1200 рублей, а в 1899 году – 1 рубль. Известно, что из этого металла была сделана погремушка у наследника русского царя (алюминий)

18.  Тяжелый металл, содержащийся в выхлопных газах автомобиля. Его соединение применяют для повышения октанового числа бензина в качестве антидетонатора (свинец)

19.  Ножи с добавкой этого металла режут стекло. Из него изготавливают нити накаливания в электрических лампочках (вольфрам)

20.  В «Географии» древнегреческого ученого Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что это вещество африканские народы ценили в 10 раз дороже золота (железо)

21.  Какой металл вызывает «лихорадку»? (золото)

22.  Какой металл в десятки тысяч раз дороже золота? (радий)

23.  С незапамятных времен притягивала человеческий взор редкая красота этого металла. Его называют «царем металлов» (золото).

24.  В организме человека этого элемента содержится около 3 г, из них примерно 2 г в крови. Первоначально его источником были упавшие на Землю метеориты. В его   честь назвали век (железо).

25.  Металл серебристо-белого цвета. На своей поверхности образует оксидную пленку, по электрической проводимости уступает только меди и серебру. Его называют «крылатым металлом» (алюминий)

26.  Упадок и распад Римской империи, по мнению некоторых ученых, были обусловлены отравлением этим металлом. Во времена Древнего Рима его широко использовали для изготовления кухонной утвари и водопроводных труб. (свинец)

27.  Какой химический элемент, исследованием которого рекомендовал «особо тщательно заниматься» Д.И. Менделеев, носит название планеты Солнечной системы? (уран)

28.  Среди сокровищ египетских пирамид, где золота очень много, ученые нашли несколько украшений из этого металла. Они назвали его «вааепере»- родившийся на небе». (железо)

29.  Удивительный металл, который чрезвычайно стоек и в то же время совместим с тканями человека, незаменим в восстановительной хирургии. Например, проломы в черепе заменяют пластинами из этого металла, а нитями из этого металла сшивают даже нервы.(титан)

Учитель подводит итоги

– У вас на партах карточки, фамилию писать не обязательно, обведите только выбранный вами ответ.

Сегодня на уроке:

Закончим занятие словами Д.И.Менделеева  «Жить – это значит узнавать». Стремитесь к новым знаниям, открытиям, победам.

Литература

1.Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.А., Кумачев А.И. Экология на уроках химии- Мн.: Изд.ООО «Красикомпринт», 1996

2.Журнал «Экологическое образование в Казахстане» Июль-август № 3, 2008

3. Нурахметов Н.Н., Бекишев К.Б., Заграничная Н.А. Химия – 10 класс, Алматы «Мектеп» 2006

4.Беккерт М. «Железо.Факты и легенды» - М. – Металлургия -1988

5. Черникова Л.П., Бунк Т.А Химия для технических колледжей. – Ростов- на- Дону: «Феникс»,2001

6. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология в вопросах и ответах: Учебное пособие. Ростов-на- Дону: «Феникс»,2002

7. Газета «Первое Сентября - Химия» №22,24-2005, № 2,4,6-2006