Распространённость химических элементов в живой и неживой природе, химическая роль микро-, макроэлементов в организме человека

Разагулова Гульназиф Бершимбаевна учитель химии КГУ «СОШ №13»
город Сарань, Карагандинской области

Распространённость химических элементов в живойи неживой природе, химическая роль микро-, макроэлементов
в организме человека
Сценарий урока химии 8 класса по теме «Распространённость химических элементов в живой и неживой природе, химическая роль микро-, макроэлементов в организме человека» с использованием активных методов преподавания и обучения позволит учащимся установить общие закономерности содержания химических элементов в природе и определить биологическую роль химических элементов в организме человека.
п/п Основные цели и результаты обучения
Формы работы, используемые при активном обучении
(ГР, ПР,ИР) Результаты обучения
Как вы будете вовлекать всех учеников в классе (талантливых, одаренных) Оценивание включая оценивание для обучения (ОдО) Как вы установите, что все ученики научились тому, что Вы запланировали и ожидали от них
1. Ученик должен:
вспомнить характеристику химического элемента Индивидуальная работа.
Стратегия «Мозговой штурм»
Задание 1. Составить кластер «Химические элементы» (Что мы знаем о химических элементах?) Вспомнили основные характеристики химического элемента
Диалог, возможность для всех учащихся высказаться. Стратегия
«Похвала» По ответам учащихся.
2. - понять общие закономерности содержания химических элементов в природе; биологическую роль химических элементов в организме человека. Работа в группе
Стратегия «Карусель»
Задание 2
Составить концепт-карту по подготовленной информации:
1ГР: «Распространенность ХЭ в природе»
2 ГР: «Распространенность ХЭ в живой природе»
3ГР: «Биологическая роль макроэлементов»
4ГР: «Биологическая роль микроэлементов» Поняли закономерности в содержании ХЭ в природе; биологическую роль химических элементов в организме человека Работа в группе: А-слушает, спрашивает, консультируется, выполняет задание;
В- предлагает пути решения задачи, объясняет и работает по выполнению задания;
С - проявляет лидерские качества, берет на себя инициативу, распределяет материал на подтемы, консультирует
при составлении концепт-карты. Стратегия «Светофор»
«Две звезды и одно пожелание» («Карусель»)
«Похвала» По результатам наблюдений за работой в группе, по результатам взаимооценивания, по продукту деятельности учащихся –концепт-карте.
3. - размышлять о необходимости знаний о химических элементах и их влиянии на здоровье человека Индивидуальная работа
Задание 3. Обсуждение вопросов
1.Почему на уроке химии мы так много говорим о биологии?
2.Есть ли среди ваших близких люди с заболеваниями, вызванными дефицитом или избытком макро- и микроэлементов?
3Как вы думаете, чем может быть вызван дефицит или избыток макро- и микроэлементов в твоём организме?
Рефлексия Выразили своё отношение и сделали выводы о взаимосвязи живой и неживой природы; о необходимости знанийо влиянии ХЭ на живые организмы и ответственного отношения к собственному здоровью. Через вопросы разного уровня, учащиеся:
А - высказывает свое мнение, В,С –выражают свое мнение, аргументируют. Есть возможность проявить свой талант при формулировании выводов, подведении итогов Стратегия «Похвала»
«Оцени себя на уроке»
Урок
1.интересно
2.скучно
3.безразлично
Я на уроке
1. работал
2. отдыхал
3. помогал другим
Итог
1. понял материал
2. узнал больше, чем знал
3. не понял
По ответам учащихся, по уровню аргументации,
через рефлексивный лист
Приложение 1. Распространенность элементов в природе.
ПСХЭ Д.И. Менделеева дает первоначальные необходимые сведения о строении атомов элементов и об их химических свойствах. Однако остается неясным, как химические элементы распространены в природе. Среднее относительное содержание каждого элемента, выраженное в атомных или массовых процентах, называют его распространенностью или кларком. Такое название было предложено А.Е. Ферсманом в честь американского геохимика Ф.У. Кларка, который в 1889 г. вычислил распространенность элементов в земной коре.
Рассматривая нахождение химических элементов на Земле, обычно принимают во внимание 3 сферы «неживой» природы: атмосферу, гидросферу, литосферу и 4 сферу – биосферу. По Вернадскому «биосфера – это определённо организованная среда, переработанная жизнью и космическими излучениями, и приспособлена к жизни». В.И. Вернадский считал, что качественный состав химических элементов в земной коре и в живых организмах очень близок.
В природе известно лишь 89 химических элементов, т.к. №№ 43, 85, 87 и 93-109 получены искусственно в результате ядерных реакций. Главная особенность распространения химических элементов установлена – это огромная контрастность кларков. Величины кларков литосферы различаются в миллиарды раз: от 47 % для кислорода до 7х10-8 для рения (еще ниже содержание радия, протактиния и некоторых других элементов). Контрастность распространения химических элементов станет особенно наглядной, если расположить все элементы в ряд по их кларкам. Тогда окажется, что почти половина твердой земной коры состоит из одного элемента – кислорода (кларк 47 %). Иначе говоря, земная кора – это «кислородная сфера», кислородное вещество. На втором месте стоит кремний (29,5 %), на третьем – алюминий (8,05). В сумме они составляют 84,55 % твердой земной коры. Если к этому числу добавить еще железо (4,65), кальций (2,96), калий (2,5), натрий (2,5), магний (1,87), титан (0,45), то получим 99,48 %, т.е. практически почти всю земную кору. На долю остальных 80 % элементов приходится менее 1 % массы литосферы.
В каждой сфере Земли можно выделить несколько наиболее распространенных химических элементов. Основную массу литосферы, как уже отмечалось выше, составляют три элемента (кислород, кремний и алюминий), живых организмов – три (кислород (кларк весовой 70 %), углерод (18 %), водород (10,5 %), гидросферы – два (кислород (85,77 %) и  водород (10,73 %), атмосферы – два (азот (75,31 %) и кислород (23, 01%). На долю всех остальных химических элементов приходится в земной коре 0,97 %, в живых организмах – 1,5 %, в гидросфере – 3,5 %, в атмосфере – 1,68 %.
Закономерности распространения химических элементов в ландшафтах нашли отражение в периодической системе Д.И.Менделеева. Наиболее распространены те элементы, которые имеют небольшие порядковые номера. Например, первые 26 элементов таблицы составляют 99,74 %. Преобладают элементы с четными порядковыми номерами (86  %). Повышенной распространенностью характеризуются элементы в области порядковых номеров 22 (титан) – 28 (никель). Содержания химических элементов зависят от строения их атомного ядра, а их миграция – от строения электронных оболочек, определяющих химические свойства элементов.
Все элементы по величине среднего содержания в земной коре делятся на основные, редкие и рассеянные. Основные элементы (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний, водород, кларк их больше единицы) широко распространены в породах и минералах, иногда концентрируются в месторождении. Элементы с низкими кларками (примерно менее 0,01-%) называются редкими. Элементы, которые обладают и низкими кларками и малой способностью образовывать минералы, называют рассеянными. В зависимости от химических свойств элементов они встречаются в природе в разных формах (в виде простых веществ или различных соединений).
Приложение 2. Распространенность химических элементов в живой природе.
Живое вещество несравненно сложнее неживого - оно способно обмениваться веществом с окружающей средой и строить свой организм из поступающих внутрь веществ. Живые вещества способны размножаться - строить подобные себе организмы из поступающих в их организм веществ.
Жизнедеятельность всех живых систем проявляется во взаимодействии молекул различных веществ. Каждая клетка человеческого тела содержит химические элементы, которые участвуют в различных химических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность человека
Определение кларков (среднее относительное содержание каждого элемента, выраженное в атомных или массовых процентах) живого вещества затруднено тем, что очень сильны колебания химического состава разных систем. Неодинакова и концентрация химических элементов в различных тканях организма.
Движение химических элементов в живой организм из окружающей среды обусловлено следующими факторами:
- нахождение химического элемента в природе в доступной форме;
- способность организма поглощать элемент и выводить его из организма (существует баланс);
- способность накапливать элемент.
Таким образом, живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов. В составе живого вещества найдено более 70 элементов. Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% - на неорганические. Элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами. Для 30 элементов биогенность установлена. Поскольку основную массу живых организмов составляет вода, основными составляющими органических соединений являются кислород (О) и водород (Н). К основным элементам также относятся углерод (С) и азот (N). Именно эти четыре химических элемента представляют собой основу жизни и их называют биогенными (органогенными) элементами.
Такие органические вещества, как белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты преимущественно построены из биогенных элементов, а также серы и фосфора.
В неорганических веществах организма человека обязательно присутствуют 22 химических элемента: Ca, P, O, Na, Mg, S, B, Cl, K, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Cr, Si, I, F, Se, которые являются структурными элементами скелета и мягких тканей, а также факторами, регулирующими основные физиологические функции организма.
По концентрации элементов в организме биогенные элементы делят:
1) макроэлементы;
2) микроэлементы;
3) ультрамикроэлементы.
Элементы, входящие в состав клеток организмов (в %)
макроэлементы микроэлементы ультрамикроэлементыкислород 65-75
углерод 15-18
азот 1,5 -3
водород 8-10
магний 0,02-0,03
калий 0,15-0,4
натрий 0.02-0,03
кальций 0,04-2,00
железо 0,01-0,15
сера 0,15-0,20
фосфор 0,20-1,00 содержатся в очень небольшом количестве: от 0,001 до 0,000001
бор
кобальт
медь
молибден
цинк
ванадий
иодбром
содержание не превышает 0,000001
уран
радий
золото
ртуть
бериллий
селен
цезий
Элементы Содержание, % Количество (в кг) в
расчете на 70 кг массы
Макроэлементы
Кислород 65 45,5
Углерод 18 12,6
Водород 10 7
Азот 3 2,1
Кальций 2 1,4
Фосфор 1,1 0,77
Калий 0,35 0,245
Сера 0,25 0,175
Натрий 0,15 0,105
Хлор 0,15 0,105
Микроэлементы
Магний, железо, марганец, медь, йод, кобальт, цинк, стронций, молибден и др. Менее 0,01 Менее 10 г в сумме
Приложение 3. Биологическая роль макроэлементов.
Макроэлементы, встречаются в организме в количествах, существенно превышающих 0,01% (углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, сера, магний, натрий железо, кальций. Макроэлементы входят в состав основных тканей организма - кости, мышцы, кровь и др.
Макро
элементы Средняя суточная потребность для взрослых Максимальная суточная доза Пищевые источники макроэлементов
мужчины женщины Кальций1000 мг 1000 мг 2500 мг Молоко и молочные продукты
Калий2000 мг 2000 мг 5000 мг Сухофрукты, бобовые, картофель, дрожжи
Натрий 550 мг 550 мг 2300 мг Пищевая соль
Магний 350 мг 300 мг 350 мг Продукты из муки грубого помола, орехи, бобовые, зеленые овощи
Фосфор 700 мг 700 мг 4000 мг Молоко, молочные продукты, мясо, рыба
Железо 10 мг 15 мг 45 мг Бобовые, мясо, грибы, продукты из муки грубого помола
Биологическая роль макроэлементов 
Макроэлементы Биологическое воздействие на организм Возможные заболевания при дефиците макроэлементов
КальцийОбразование костной ткани, формирование зубов, процесс свертывания крови, нервно-мышечная проводимость Остеопороз, судороги, рахит у детей
КалийВажнейший компонент внутриклеточной жидкости; регулирует содержание воды внутри клеток, кислотно-щелочное равновесие; нервно-мышечная проводимость; участвует в синтезе белков и гликогена, активирует работу ряда ферментов Острая невралгия, мышечная дистрофия, паралич мышц, нарушение передачи нервного импульса, нарушение сердечного ритма, нарушение функции почек, эрозивный гастрит, язвенная болезньНатрий Важнейший компонент межклеточной жидкости, поддерживающий осмотическое давление; кислотно-щелочное равновесие; передача нервного импульса Гипотония, тахикардия, мышечные судороги, невралгияМагний Образование костной ткани, формирование зубов; нервно-мышечная проводимость; коэнзим (кофермент) в углеводном и белковом обменах; неотъемлемый компонент внутриклеточной жидкости; участвует в поддержании нормальной функции нервной системы и мышцы сердца, стимулирует желчеотделение, повышает двигательную активность кишечникаМышечные судороги и спазмы, бессонница, хроническая усталость, депрессия, мигрень, зуд,  остеопороз, фибромиалгия, сердечная аритмия, функциональные расстройства органов желчевыводящей системы и заболевания желудочно-кишечного тракта
Фосфор Элемент органических соединений, буферных растворов; образование костной ткани, трансформация энергии Нарушения роста, костные деформации, рахит, остеопороз, депрессия, гемолитическая анемияЖелезо В составе гемоглобина; в составе цитохромов, участников окислительных процессов в клетках Нарушение эритропоэза (образования эритроцитов), анемия, нарушение роста, истощение
Приложение 4. Биологическая роль микроэлементов.
Микроэлементы содержатся в клетках в количестве от 0,001 до 0,00001% (бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, иод, бром).
Микро
элементы Средняя суточная потребность для взрослых Максимальная суточная доза Пищевые источники микроэлементов
мужчины женщины Йод200 мкг 150 мкг 1,1 мг Рыба, устрицы, водоросли, субпродукты, яйца
Кремний5-20 мг 5-20 мг 100 мг Зерна злаковых, корнеплоды, топинамбур, водоросли, отруби, ягоды, зелень
Цинк 10 мг 7 мг 40 мг Зерна злаковых, мясо, субпродукты, молочные продукты
Фтор 3,8 мг 3,1 мг 10 мг Рыба, соя, лесные орехи
Селен 30-70мкг 30-70мкг 300-400 мкг Рыба, мясо, субпродукты, орехи
Медь 1,0-1,5мг 1,0-1,5мг 10 мг Печень, бобовые, морские продукты, продукты
из муки грубого помола
Хром 30-100мкг 30-100мкг 200 мг Мясо, печень, яйца, помидоры, овсяные хлопья, кочанный салат, грибы
Молибден 50-100мкг 50-100мкг 0,6-2 мг Бобовые, злаковые
Марганец 2-5 мг 2-5 мг 11 мг Орехи, зерна злаковых, бобовые, листовые овощи
Биологическая роль микроэлементов 
Микроэлементы Биологическое воздействие на организм Возможные заболевания при дефиците микроэлементов
ЙодВажнейший компонент гормонов щитовидной железы Аутоиммунный тиреоидит, гипотиреоз, замедление развития центральной нервной системы
КремнийВходит в состав скелетных образований - мышечная и костная ткань; соединительные компоненты ткани - коллаген, эластин и мукополисахариды; в крови содержится 3,9 мг/л кремния Раннее развитие атеросклероза, слабость соединительной и костной ткани - заболевания бронхо-легочной системы, связок, хрящей, остеопороз, склонность к переломам; воспалительные заболевания желудка и кишечника
Цинк Компонент (кофактор) более чем ста ферментов; стабильность биологических мембран; заживление ран Нарушение роста, плохое заживление ран, отсуствие аппетита, нарушение вкуса
Фтор Образование зубной эмали, костной ткани Нарушения роста; нарушения процесса минерализации; кариес зубовСелен Существенная часть ферментной системы - глутатион-пероксидазы, защищающей биологические мембраны от повреждающего действия свободных радикалов; функции щитовидной железы; иммунитет Анемия, кардиомиопатия, нарушения роста и образования костной ткани
Медь Механизмы ферментного катализа (биокатализа); перенос электронов; взаимодействие с железом Крайне редко - анемия
Хром Углеводный обмен Изменение уровня глюкозы в крови; симптомы диабетаМолибден Механизмы ферментного катализа (биокатализа); перенос электронов Cклонность к кариесу; крайне редко - нарушение обмена серосодержащих аминокислот; нарушения функций нервной системы
Марганец Механизмы ферментного катализа (биокатализа) Неизвестны
Каждую секунду в человеческом организме происходят сотни тысяч химических реакций - разрушается огромное количество молекул различных веществ, из которых состоит тело, и одновременно синтезируются, т. е. образуются из более простых веществ, новые молекулы. Все сложнейшие химические превращения, которые постоянно происходят в нашем теле, обеспечивают разнообразные ферменты. Значительная часть микроэлементов является жизненно необходимым, т. к. при их отсутствии или недостатке снижается активность ферментов, в состав которых входят данные элементы.