experimentalvortrag anorganische chemie „metalle in lebewesen“ birgit schubert ca 2+
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Experimentalvortrag Anorganische Chemie
„Metalle in Lebewesen“
Birgit Schubert
Ca2+
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Gliederung
1. Allgemeine Einführung
2. Metalle in Lebewesen
2.1 Calcium
2.2 Blei
2.3 Eisen
2.4 Magnesium
3. Schulrelevanz
4. „Zusammenfassung“
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1. Allgemeine Einführung
1. Welche Elemente zählen zu den Metallen?
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Häufigkeit von 3d-Elementen
1. Allgemeine Einführung
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Häufigkeit von Alkali- und Erdalkalimetallen
1. Allgemeine Einführung
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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
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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
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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
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Strukturfunktion Regel- und Signalfunktion
Struktur-aufbau
Struktur-stabilisierung
Informations-leitung
Gradienten-aufbau
Regulation
Biologische Funktionen von Metallen
2. Metalle in Lebewesen
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Versuch 1:
Calciumnachweis in Knochen
2.1 Calcium
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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
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Calcium
• Element der 2. Gruppe• Tagesbedarf ~ 1000 mg• Nahrungsquellen: Milchprodukte,
Hülsenfrüchte, Eier
2.1 Calcium
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• 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
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• 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
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Demonstration 1:
Giftige Wirkung des Bleis
2.2 Blei
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Auswertung
• Je größer Pb2+-Konzentration, desto geringer Zellzahl
• Chlorophyllsynthese gehemmt
verminderte
Grünfärbung
2.2 Blei
mit Pb2+
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Blei
• Element der 14. Gruppe• MAK-Wert: 0,1 mg/m3
• Folgen einer Bleikontamination:
Anfangsstadium:
Müdigkeit, Erbrechen, Gewichtsverlust, Kopfschmerzen
2.2 Blei
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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
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Versuch 2:
Hemmung der α-Amylase
2.2 Blei
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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
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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)
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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
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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
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• 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
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Versuch 3:
Atmungskette
2.3 Eisen
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Fe
Atmungskette2.3 Eisen
SCyst
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-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
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blauviolett
- Fe(III)- Komplex
- oktaedrisch umgeben
von 2 Cystein
2.3 Eisen
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Versuch 4:
Enzymatische Wirkung der Katalase
2.3 Eisen
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Auswertung
• Enzymatisch katalysierte Disproportionierung
2 H2O2(aq) 2 H2O + O2(g)
+1 -1 +1 -2 0
Red
Ox
<Katalase>
2.3 Eisen
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Häm Chlorophyll
2.3 Eisen
Fe
Phytyl
Mg
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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
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Versuch 5 :
Magnesiumnachweis
2.4 Magnesium
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Auswertung
H+
Mg2+ +MgMg
2.4 Magnesium
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Auswertung
• Nachweis mit Titangelb:
H3C
N
C
S
SO3Na
N
NN
H
SO3Na
CH3
N
S
C
Mg2+ + hellroter NS
2.4 Magnesium
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Demonstration 2:
Dünnschichtchromatographie
2.4 Magnesium
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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
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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
![Page 39: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/40.jpg)
„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.“
![Page 41: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/41.jpg)
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
![Page 42: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/42.jpg)
• 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
![Page 43: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/43.jpg)
• 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
![Page 44: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/44.jpg)
Charakteristische Eigenschaften
• Metallischer Glanz• Elektrische Leitfähigkeit• Wärmeleitfähigkeit• Duktilität
2) Einführung in die Metalle
![Page 45: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/45.jpg)
Erklärung der Eigenschaften
• Elektrische Leitfähigkeit:
- Metallgitter• Metallischer Glanz:
- Elektronengas• Duktilität:
- Erhalt der Bindungskräfte• Wärmeleitfähigkeit:
- Energiezufuhr Energieweitergabe
2) Einführung in die Metalle
![Page 46: Experimentalvortrag Anorganische Chemie „Metalle in Lebewesen“ Birgit Schubert Ca 2+](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022051401/56649d5d5503460f94a3c743/html5/thumbnails/46.jpg)
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
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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
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7)2 DC von Chlorophyll und Phaeophytin