Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+

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. Welche Elemente zählen zu den Metallen?

Häufigkeit von 3d-Elementen


Häufigkeit von Alkali- und Erdalkalimetallen



• Vorkommen in Form von Ionen• Metalle essentiell für Leben• Schlüsselelement für Leben auf der Erde:

Magnesium• Menschliche Körper benötigt 14 Metalle


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


Definition:

Spurenelemente =

chemische Stoffe, von denen kleinste Mengen (unter 25 mg) vom menschlichen Körper pro Tag benötigt werden, um lebensnotwendige Stoffwechselfunktionen aufrecht zu erhalten.


Strukturfunktion Regel- und Signalfunktion

Struktur-aufbau

Struktur-stabilisierung

Informations-leitung

Gradienten-aufbau

Regulation

Biologische Funktionen von Metallen


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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