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Experimentalvortrag Anorganische Chemie
„Metalle in Lebewesen“
Birgit Schubert
Ca2+
Gliederung
1. Allgemeine Einführung
2. Metalle in Lebewesen
2.1 Calcium
2.2 Blei
2.3 Eisen
2.4 Magnesium
3. Schulrelevanz
4. „Zusammenfassung“
1. Allgemeine Einführung
1. Welche Elemente zählen zu den Metallen?
Häufigkeit von 3d-Elementen
1. Allgemeine Einführung
Häufigkeit von Alkali- und Erdalkalimetallen
1. Allgemeine Einführung
2. Metalle in Lebewesen
• Vorkommen in Form von Ionen• Metalle essentiell für Leben• Schlüsselelement für Leben auf der Erde:
Magnesium• Menschliche Körper benötigt 14 Metalle
2. Metalle in Lebewesen
Die 14 essentiellen Metalle für den menschlichen Körper
Metall m [g]/70 kg Person
Metall m [g]/ 70 kg Person
Ca 1000 Sn 0,02
K 140 V 0,02
Na 100 Cr 0,014
Mg 25 Mn 0,012
Fe 4,2 Mo 0,005
Zn 2,3 Co 0,003
Cu 0,072 Ni 0,001
2. Metalle in Lebewesen
Definition:
Spurenelemente =
chemische Stoffe, von denen kleinste Mengen (unter 25 mg) vom menschlichen Körper pro Tag benötigt werden, um lebensnotwendige Stoffwechselfunktionen aufrecht zu erhalten.
2. Metalle in Lebewesen
Strukturfunktion Regel- und Signalfunktion
Struktur-aufbau
Struktur-stabilisierung
Informations-leitung
Gradienten-aufbau
Regulation
Biologische Funktionen von Metallen
2. Metalle in Lebewesen
Versuch 1:
Calciumnachweis in Knochen
2.1 Calcium
Auswertung:
Ca5(PO4)3OH(s) + H3O+(aq) 5 Ca2+
(aq) + 3 PO43-
(aq) + 2 H2O
CH3COOH(aq) + NH4+
(aq) + OH-(aq) NH4
+(aq) + CH3COO-
(aq) + H2O
Ca2+(aq) + C2O4
2-(aq) CaC2O4(s)
weiß
2.1 Calcium
Calcium
• Element der 2. Gruppe• Tagesbedarf ~ 1000 mg• Nahrungsquellen: Milchprodukte,
Hülsenfrüchte, Eier
2.1 Calcium
• Hauptfunktionen im Körper:
- Knochen- und Zahnbildung
- Nerven- und Muskelfunktion
- Blutgerinnung
- Konstanthaltung des Ca2+-Spiegels im Blut
• Mangelerscheinungen:
- Vermindertes Wachstum, Verlust von Knochensubstanz
2.1 Calcium
• Knochen aus Ca5(PO4)3OH
• Hart, schwer löslich • Menschliche Körper: ~ 9 kg, davon ca. 1kg
Ca2+ und 2,5 kg PO43-
• Rest: H2O, Collagen, Na+, K+, Fe3+, Pb2+
• Pb2+-Gehalt im Knochenspiegel:
heute ~ 2 ppm früher bis zu 100 ppm
2.1 Calcium
Demonstration 1:
Giftige Wirkung des Bleis
2.2 Blei
Auswertung
• Je größer Pb2+-Konzentration, desto geringer Zellzahl
• Chlorophyllsynthese gehemmt
verminderte
Grünfärbung
2.2 Blei
mit Pb2+
Blei
• Element der 14. Gruppe• MAK-Wert: 0,1 mg/m3
• Folgen einer Bleikontamination:
Anfangsstadium:
Müdigkeit, Erbrechen, Gewichtsverlust, Kopfschmerzen
2.2 Blei
Höheres Vergiftungsstadium:
Darmkoliken, Nervosität, Nierenschäden, Schädigung des ZNS, Anämie, Bleisaum am Zahnfleisch, Schädigung der Fertilität
• Retentionszeiten:
im Blut/weichem Gewebe: ~ 1 Monat
in Knochen: ~ 30 Jahre
2.2 Blei
Versuch 2:
Hemmung der α-Amylase
2.2 Blei
Auswertung:
Amylose
α-Amylase
mK+(aq)
+ mI3- (aq) + (C6H10O5)n(aq) mK+
(aq) + "(I3
-)m……. (C6H10O5)n(aq)“ intensivblau
2.2 Blei
O
H
H
HO
H
OHHH
OH
O
H
O
H
HO
H
OHHH
OH
O
H
O
H
HO
H
OHHH
OH
n
O
H
HO
H
HO
H
OHHH
OH
O
H
O
H
HO
H
HO
OHHH
OHn
Auswertung:
+ Pb2+(aq)
C
C
C
H
H
H
S
+H3N
O O-
Pb + H+(aq)
+ Pb2+(aq)
C
C
C
O O-
H+H3N
H
H
S
Pb
S C
H
H
C
C
H
OO-
NH3+ + 2 H+
(aq)
2.2 Blei
C
C
C
H
H
H
+H3N
SH
O-
O
O
(aq)(aq)
(aq)
2.3 Eisen
• Element der 8. Gruppe• Tagesbedarf Frauen: ~ 14-28 mg,
Männer: ~ 5-9 mg• Im Knochenmark 75% des Fe• Nahrungsquellen: Fleisch, Kakao, Eier,
Getreide, Kaviar
2.3 Eisen
EisenproteineHämproteine Nichthämproteine
Eisenporphin-proteine
Funktionen Fe-S-Proteine
Funktionen
Hämoglobin Tier. O2-Transport Ferredoxine e--Transfer
Myoglobin Tier. O2-Speicherung Nitrogenasen N2-Red zu NH3
Cytochrome e--Transport Fe-Proteine FunktionenOxygenasen Oxygenierg. mit O2 Ferritine Tier. Fe-Transport
Oxidasen O2-Red Transferrine Fe-Speicherung
Peroxidasen Ox mit H2O2
Katalasen H2O2-Disproportionierg.
2.3 Eisen
• Krankheit vermehrte Fe-Speicherung:
- im Gehirn: degenerative Krankheiten- im Pankreas, Leber, Milz, Herz:
Hämochromatase- Krebserkrankungen
verminderte Fe-Speicherung/Aufnahme: - Anämie, Thalassämie- geschwächte Immunabwehr
2.3 Eisen
Versuch 3:
Atmungskette
2.3 Eisen
Fe
Atmungskette2.3 Eisen
SCyst
-2
+2
+3+2
+3
-1 -1-2
Auswertung
1. Ox.: 2 Cyst-SH 2 e- + 2 H+ + Cyst-S-S-Cyst
Red.: 2 Fe3+ + 2 e- 2 Fe2+
2. Ox.: 2 Fe2+ 2 Fe3+ + 2 e-
Red.: ½ O2 + 2 e- O 2-
Gesamt: 2 Cyst-SH + ½ O2 Cyst-S-S-Cyst + H2O
2 e- 2 e-
0
2.3 Eisen
OX Red/OX Red
-2 0 -2-1 -1
blauviolett
- Fe(III)- Komplex
- oktaedrisch umgeben
von 2 Cystein
2.3 Eisen
Versuch 4:
Enzymatische Wirkung der Katalase
2.3 Eisen
Auswertung
• Enzymatisch katalysierte Disproportionierung
2 H2O2(aq) 2 H2O + O2(g)
+1 -1 +1 -2 0
Red
Ox
<Katalase>
2.3 Eisen
Häm Chlorophyll
2.3 Eisen
Fe
Phytyl
Mg
2.4 Magnesium
• Element der 2. Gruppe• Tagesbedarf ~ 200 mg
überschüssiges abführend• Nahrungsquellen: Getreide, grünes
Blattgemüse• Funktionen im Körper:
- Baustein von Enzymen - Regulation des Stofftransportes durch
Membranen - ZA des Chlorophylls
2.4 Magnesium
Versuch 5 :
Magnesiumnachweis
2.4 Magnesium
Auswertung
H+
Mg2+ +MgMg
2.4 Magnesium
Auswertung
• Nachweis mit Titangelb:
H3C
N
C
S
SO3Na
N
NN
H
SO3Na
CH3
N
S
C
Mg2+ + hellroter NS
2.4 Magnesium
Demonstration 2:
Dünnschichtchromatographie
2.4 Magnesium
Auswertung
Laufstrecke Substanz Laufstrecke Fließmittelfront
-Typische Rf-Werte:
Carotin: 0,82
Chlorophyll a: 0,61
Chlorophyll b: 0,45
Rf =
Carotine
Phaeophytin
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Xanthophylle
2.4 Magnesium
3. Schulrelevanz
• 8: Trennverfahren für Stoffgemische
Chromatographie
Katalysatoren• 10: Aufbau und Funktion von Böden
• 11/1: Redoxreaktionen• 12/1: Kohlenstoffverbindungen und funkt.
Gruppen
12/2: Technisch und biologisch wichtige Kohlenstoffverbindungen
3. Schulrelevanz
12/2: Enzyme: Aufbau und Bedeutung in Stoffwechselprozessen
Kohlenhydrate: Photosynthese (Energiestoffwechsel und Zellatmung)
• 13/1: Enzymkinetik: Bedeutung im Stoffwechsel
13/2: Wahlthema Komplexchemie
Nahrungsmittel und deren Abbau im Körper
Umweltchemie: chemische Untersuchung von Stoffen im Alltag (Ionen/Moleküle);
Chromatographische Verfahren
3. Schulrelevanz
„4. Zusammenfassung“
Paracelsus (1493-1541):
„Was ist das nit gifft ist?Alle ding sind gifft/ und nichts ohn gifft/allein die dosis macht das ein dingkein gifft ist.“
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
• 7/1 Bau einer Zelle einer grünen Pflanze• 7/2 Bedeutung des Lichtes für grüne Pflanzen:
Experimentelles Arbeiten, Nachweisreaktionen für Stärke
Bedeutung der Photosynthese für das Leben auf der Erde und unsere Ernähung: Nachweisreaktionen für Zucker, Stärke, Fett, Eiweiße
• 9/1 Aufnahme und Verarbeitung von Informationen im Nervensystem, Schädigung des Nervensystems durch Gifte, Drogen
3. Schulrelevanz
Biologie
• 9/2 Blut und Immunsystem: Blutgerinnung,
O2-Bindung an Hämoglobin
• 11 Membrane, Katalyse (Enzyme), Transportmechanismen
• 12/1 DNA,RNA: Bausteine
12/2 Übersicht über Stoffwechselzusammenhänge: Energieaufnahme Photosynthese, Zellatmung
Regulation Versuche zur Enzymwirkung• 13/1 Signalübertragung und Verrechnung:
Nervenzellen, Ruhepotential, Aktionspotential
3. Schulrelevanz
Charakteristische Eigenschaften
• Metallischer Glanz• Elektrische Leitfähigkeit• Wärmeleitfähigkeit• Duktilität
2) Einführung in die Metalle
Erklärung der Eigenschaften
• Elektrische Leitfähigkeit:
- Metallgitter• Metallischer Glanz:
- Elektronengas• Duktilität:
- Erhalt der Bindungskräfte• Wärmeleitfähigkeit:
- Energiezufuhr Energieweitergabe
2) Einführung in die Metalle
Einteilung der Metalle2) Einführung in die Metalle
Nach Reaktivität Nach Dichte
Edle Unedle Leichte Schwere
Bsp.: Cu, Ag, Au, Pt
Bsp.: Na, Zn, Mg, Ca
Bsp.: Al, Mg, Na, Ca
Bsp.: Pb, Hg, Cr, Fe
Heutige Verwendung des Bleis
• In manchen Ländern noch als Antiklopfmittel im Benzin
• Bleifarben: PbCrO4 Chromgelb
PbCrO4 . PbO Chromrot
Pb(OH)2 . 2 PbCO3 Bleiweiß
• Bleiakkumulatoren
5)1 Blei
7)2 DC von Chlorophyll und Phaeophytin
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