BIOGENNÍ PRVKY Ročníková práce Školní rok 2016 / 2017 Autor: Vít Skoták, 9. B Konzultantka: Mgr. Jana Janáková
Obsah 1. Úvod... 4 4 2. Obecný základ... 5 2.1. Výskyt... 5 2.2. Dělení... 5 3. Vlastnosti... 6 3.1. Uhlík... 6 3.2 Vodík... 9 3.3 Kyslík... 10 3.4 Dusík... 12 3.5 Fosfor... 13 3.6 Síra... 15 4. Závěr... 17 5. Resumé... 17 6.Použitá literatura:... 18 6.1 Z internetu:... 18 6.2 Z knihy, enciklopedie, časopisu:... 19 7. Použité obrázky... 19 2
Prohlášení Prohlašuji, že jsem ročníkovou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury. Ve Sloupě dne 25. 5. 2017 Vít Skoták 3
1. Úvod Předmět své ročníkové práce jsem si vybral, protože jedním z mých mnohých koníčků je chemie. Baví mě číst chemicky zaměřenou literaturu, dívat se na dokumenty či videa nebo dělat jednoduché pokusy. Minulý rok jsem se zúčastnil soutěže s názvem Hledáme nejlepšího Mladého chemika ČR a v celostátním kole jsem skončil na 5. místě. Avšak chemie je rozsáhlý obor. Proto bylo třeba si vybrat méně obsáhlé téma, a tak jsem si po diskusi se svou konzultantkou zvolil téma biogenní prvky. Ve své práci nepíši o všech, neboť jejich celý výčet by byl příliš dlouhý. Píši pouze o těch nejvýznamnějších. Úvodní obrázek: 5. místo v soutěži Hledáme nejlepšího Mladého chemika ČR 4
2. Obecný základ Biogenní prvky jsou ty prvky, bez nichž by nemohl probíhat metabolismus živých organismů. Podílí se na veškerém životě na Zemi tzv. prvky nezbytné pro život. 2.1. Výskyt Vyskytují se ve všech živých organizmech a to v průměrném zastoupení: uhlík (C): 29% kyslík (O): 50% vodík (H): 10% dusík (N): 2,7% fosfor (P): 0,4% síra (S): 0,75% Kromě svého významu v živé přírodě mají tyto prvky význam i v neživé přírodě např. síra a kyslík jsou součástí rud. 2.2. Dělení Biogenní prvky dělíme podle jejich zastoupení na makrobiogenní prvky tzv. makroelementy a mikrobiogenní tzv. mikroelementy. Makrobiogenní prvky: zastoupení 0,05% a výš uhlík, vodík, kyslík, dusík, síra, fosfor, sodík Mikrobiogenní prvky: zastoupení nižší než 0,05% železo, mangan, zinek, měď můžeme v nich dále rozlišit: stopové prvky (např.: jód, molybden, selen,...) užitečné prvky - požadavek na ně je specifický neužitečné prvky - organismy je přijímají nechtěně 5
3. Vlastnosti 3.1. Uhlík Uhlík je prvek, který tvoří základ všech organických sloučenin a tím i všech živých organizmů na této planetě. Jeho sloučeniny jsou také jedním ze základů naší energetiky, kde jejich zdrojem jsou především fosilní paliva. Je rovněž hlavní součástí ropy, jež má obrovské množství využití. Je přítomen také v nerostech (uhličitany, hydrogenuhličitany) a tvoří dvě přírodní formy uhlíku diamant a grafit. Obr. 1 surový diamant Obr. 3 grafit Obr. 2 krystalová struktura diamantu Obr. 4 krystalová struktura grafitu Chemické vlastnosti: Ve svých sloučeninách se uhlík vyskytuje v mocenství +II, +IV a -IV. Díky své schopnosti tvořit dlouhé řetězce spojených atomů tvoří obrovské množství sloučenin (uvádí se asi 9,8 milionů, počet neustále roste). V organických sloučeninách je čtyřvazný. 6
Biogenní sloučeniny: Uhlík je základním stavebním prvkem všech biogenních sloučenin. Jejich přehled je uveden v následující tabulce: Sloučenina Popis Význam Sacharidy Uhlovodíky s nejméně třemi uhlíky, obsahující karbonylové (CO) a hydroxylové (OH) skupiny dělí se na mono- ; di- a poly- sacharidy hlavní zdroj energie pro živočichy (monosacharidy a disacharidy), stavební látky rostlin (polysacharidy) Tuky (lipidy) nejčastěji estery vyšších mastných kyselin a alkoholu glycerolu Aminokyseliny sloučeniny s různě dlouhým a strukturovaným uhlíkovým řetězcem, na němž jsou nejdůležitější skupiny aminová (-NH 2 ) a karboxylová (- COOH) Bílkoviny více aminokyselin spojených peptidovou vazbou Nukleové nukleové kyseliny jsou původem blízké kyseliny proteinům Vitamíny různě stavěné sloučeniny, dělí se na rozpustné v tucích a ve vodě zásobárna energie, stavební prvek živočišných buněčných stěn tvoří bílkoviny mají různé funkce: stavební, enzymy, hormony, zásobní látky... zodpovídají za reprodukci, způsobují odlišnost druhů, ovlivňují dědičnost důležité pro správnou funkci organismů 7
Obr. 5 glukóza (hroznový cukr) - monosacharid Obr. 6 sacharóza (řepný cukr) - disacharid Obr. 7 schéma bílkoviny - barevně jednotlivé aminokyseliny 8
3.2 Vodík Je nejrozšířenější prvek ve vesmíru, tvoří 75% veškeré vesmírné hmoty, ale na Zemi má zastoupení jen asi 0,88%. Tvoří dvouatomové molekuly H 2, je součástí všech kyselin a hydroxidů. Jeho nejrozšířenější sloučeninou je voda. Vodík je to velmi důležitá průmyslová surovina. Používá se ke ztužování tuků, výrobě kovů, sváření, řezání kovů atd Poslední dobou se také zkoumá využití vodíku v energetice pomocí termonukleární fůze. Kdy z atomů deuteria (isotop vodíku s jedním neutronem 2 1 H) a tritia (isotop vodíku se dvěma neutrony 3 1 H) vzniká atom helia 4 2 He a velké množství energie. Obr.8 schéma fůze deuteria a tritia Obr.9 Zlatá Haná k namazání přiklad rostlinného ztuženého tuku Chemické vlastnosti: Je to bezbarvý, hořlavý plyn. Se vzduchem tvoří výbušnou směs (katastrofa vzducholodi Hindenburg v roce 1937). Vodík se ve sloučeninách vyskytuje v mocenství I a +I. Je schopen tvořit zvláštní druh vazby tzv. vodíkový můstek kdy je přitahován i k atomům se kterými není poután klasickou chemickou vazbou. Z kyselin se ve vodě odštěpuje a vzniká oxoniový kation H 3 O +. V organických sloučeninách je jednovazný. 9
Biogenní sloučeniny: Společně s uhlíkem tvoří všechny organické sloučeniny, tudíž tvoří i všechny biogenní sloučeniny. Velký význam pro život mají ale některé jeho anorganické sloučeniny: Voda látka, bez které by život na Zemi nemohl existovat. Tvoří vnitřní prostředí všech organismů. Zajímavostí je, že led je lehčí jak voda což umožňuje přežití vodních organismů během zimy. Čpavek (amoniak) ve formě amidové (-NH 2 ) skupiny je přítomen ve všech bílkovinách. Vzniká mikrobiálním rozkladem organických zbytků a je důležitou součástí dusíkového cyklu v přírodě. 3.3 Kyslík Je nejrozšířenější prvek na Zemi a třetí nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Kyslík rovná se život, bez něj by nebyl možný život vyšších organismů. Tvoří dvouatomové molekuly O 2 a vytváří velké množství sloučenin. V průmyslu nalézá využití při výrobě a sváření kovů, výrobě kyselin (H 2 SO 4, HNO 3 ) a některých organických látek. V medicíně se používá při operacích a traumatických stavech. V kosmonautice kapalný kyslík slouží jako okysličovadlo do raketových motorů při letech kosmických lodí. Chemické vlastnosti: Kyslík se vyskytuje převážně v mocenství -II. Slučuje se s každým prvkem a vytváří oxidy (O -II ). Dále tvoří mnoho kyselin (kyselin sírová H 2 SO 4, kyselina dusičná HNO 3, kyselina uhličitá H 2 CO 3 ). V organických sloučeninách je kyslík dvojvazný a tvoří tzv. kyslíkaté deriváty. 10
Biogenní sloučeniny: Alkoholy - uhlovodíky s hydroxylovou skupinou -OH. Nejdůležitější glycerol, který s mastnými kyselinami tvoří tuky. Obr. 10 glycerol Karboxylové kyseliny - uhlovodíky s karboxylovou skupinou -COOH. aminokyseliny a mastné kyseliny. Tvoří Obr. 11 kyselina glutamová Obr. 12 kyselina palmitová Obr. 13 molekula tuku 11
3.4 Dusík Dusík je bezbarvý plyn, který tvoří 78% zemské atmosféry. Vyrábí se destilací ze zkapalněného vzduchu a má mnoho průmyslových využití. Haber-Boschovým procesem se z něj vyrábí čpavek, z něhož se vyrábí hnojiva a kyselina dusičná. Ta se využívá k výrobě plastů, léků, výbušnin (nitroglycerin - dynamit, TNT - trinitrotoluen). Dalším jeho využitím je chlazení, protože kapalný dusík má teplotu okolo -196 C. Chemické vlastnosti: Vyskytuje se v mocenství -III až V. Jeho vazba v molekule N 2 je nejsilnější známou chemickou vazbou. S kovy tvoří nitridy, s nekovy vytváří oxidy, halogenidy a kyseliny (nejdůležitější dusičná HNO 3 ), s vodíkem tvoří čpavek (NH 3 ). V organické chemii je trojvazný. Biogenní sloučeniny: Amidy - uhlovodíky s NH 2 (NH) skupinou, součást každé aminokyseliny, tudíž je ve všech bílkovinách. Tvoří i nukleonové kyseliny - DNA Obr. 14 bílkovina Amanitin - jed muchomůrky zelené (Amanita phalloides) 12
3.5 Fosfor Fosfor (zastarale kostík, latinsky Phosporus = světlonoš) je pevná látka, která má tři různé modifikace: bílý fosfor, červený fosfor a černý fosfor. Bílý fosfor tvoří molekuly P 4. Je nejreaktivnější a také nejnebezpečnější. Na vzduchu dochází k samovznícení, jeho páry ve tmě světélkují. Je používán jako zbraň hromadného ničení v podobě fosforových pum. Zanechává velké, špatně hojitelné a často smrtelné popáleniny. Obr. 15 bílý fosfor Obr. 16 krystalová struktura bílého fosforu Červený fosfor se připravuje zahřátím bílého fosforu v inertním prostředí na 250 C. je prekursorem všech sloučenin fosforu, protože je méně reaktivní, tudíž zde nehrozí riziko úrazu. Obr. 17 červený fosfor Obr. 18 krystalová struktura červeného fosforu 13
Černý fosfor vzniká zahříváním červeného fosforu pod tlakem za teploty přes 400 C a používá se k výrobě polovodičů typu N. Má kovové vlastnosti. Obr. 19 černý fosfor Obr. 20 krystalová struktura černého fosforu Nejdůležitější sloučeninou fosforu je kyselina trihydrogenfosforečná H 3 PO 4. Vyrábí se spalováním fosforu ve vzduchu a vodní páře. Nalézá využití při zpracování ropy, přidává se do některých nealkoholických nápojů např.: Coca-Cola a je hlavní složkou odrezovačů. Chemické vlastnosti: Fosfor se vyskytuje v mocenství -I, III, V, VI. Reaguje s kyslíkem za vzniku dimerních oxidů P 4 O 6 a P 4 O 10. Slučuje se i se sírou a halogeny za vzniku různých sulfidů a halogenidů. Biogenní sloučeniny: V organizmech se vyskytuje hlavně v kostech a zubech ve formě hydroxyapatitu Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) 2. Důležitou funkci má sloučenina ATP (adenosintrifosfát), hlavní složka DNA a RNA. ATP se taky účastní metabolismu cukrů a tuků. ATP je transportér energie pro buněčné procesy. Celé lidské tělo každou minutu rozloží asi 1 gram ATP. V extrémních případech samozřejmě potřeba ATP roste. Bylo spočítáno, že svaly maratonského běžce za přibližně dvě hodiny běhu spotřebují (rozloží) kolem 60 kg ATP, každá molekula ATP je ve svalech totiž mnohokrát recyklována. 14
Obr. 21 molekula ATP 3.6 Síra Síra je pevná žlutá látka. Elementární síra je využívaná ve farmacii a při vulkanizaci kaučuku. Jako velmi perspektivní se jeví využití síry v nových lithium síro-uhlíkových akumulátorech. V minulosti spotřebovala značné množství síry výroba černého střelného prachu. Mnohem větší význam mají sloučeniny síry. Kyselina sírová je jednou z nejdůležitějších chemikálií tzv. krev průmyslu. Využívá se v ohromném počtu chemických výrob. Soli kyseliny sírové se nazývají sírany např.: síran vápenatý - sádra, nebo síran měďnatý - modrá skalice a další. Chemické vlastnosti: Síra se vyskytuje v mocenství -II, IV a VI. S kovy vytváří sulfidy a s vodíkem sulfan (sirovodík). S kyslíkem tvoří oxid siřičitý a sírový, kyselinu siřičitou a sírovou. V organické chemii je síra dvojvazná. Biogenní sloučeniny: Síra je součástí dvou esenciálních aminokyselin metioninu a cysteinu, které se nacházejí ve většině bílkovin. Cystein vytváří strukturu bílkoviny tím, že tvoří tzv. disulfidické můstky. 15
Obr. 22 aminokyselina cystein Obr. 23 aminokyselina methionin Obr. 24 disulfidický můstek mezi molekulami cysteinu 16
4. Závěr Ve své ročníkové práci na téma biogenní prvky jsem se zabýval tzv. makroelementy. Ty tvoří většinu hmoty v organismech. Probral jsem, jak se tyto prvky využívají v průmyslu a jaké jsou jejich chemické vlastnosti. Také jsem se zabýval biogenními sloučeninami, ve kterých se daný prvek vyskytuje v organismech nejvíce. Cílem mé práce bylo představit vám, z čeho se skládá všechen život na naší planetě. Nakonec bych ještě rád poděkoval mojí konzultantce, paní učitelce Mgr. Janě Janákové 5. Resumé I chosed biogenic elements for my coursework. I focused on the major ones that make up most of all mass in living organisms. I discussed use of biogenic elements in industry and their chemical properties. I wrote about biogenic compounds which contain given element most. I enjoyed writing this coursework, because I already know a lot of information about this topic. But still I learned something new and interesting. 17
6.Použitá literatura: 6.1 Z internetu: Heslo "Biogenní prvky" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/biogenn%c3%ad_prvky Heslo "Uhlík" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/uhl%c3%adk PDF soubor "Biogenní prvky" na adrese: www.eprojekt.gjs.cz/services/downloader.ashx?id=2948 Heslo "Co je biogenní prvek" na internetové stránce: http://www.priroda.cz/slovnik.php?detail=260 Článek stopové prvky na internetové stránce: https://www.celostnimedicina.cz/stopove-prvky.htm Heslo "Beilsteinova databáze" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/beilsteinova_datab%c3%a1ze http://ucebnicechemie.wz.cz/index.php?prvek=uhlik Heslo Vodík na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/vod%c3%adk http://ucebnicechemie.wz.cz/index.php?prvek=vodik www.mojechemie.cz Heslo Kyslík na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/kysl%c3%adk http://www.prvky.com/8.html Heslo Dusík na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/dus%c3%adk http://www.prvky.com/7.html Heslo Fosfor na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/fosfor http://www.prvky.com/15.html Heslo Síra na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia: https://cs.wikipedia.org/wiki/síra http://www.prvky.com/16.html 18
6.2 Z knihy, encyklopedie, časopisu: ROBERT WINSTON, To je pěkný chaos, 2008, s. 42;46 JIŘÍ BANÝR PAVEL BENEŠ A KOLEKTIV, Chemie pro střední školy, 1995, s. 46;47, kap. 3. Prof. RNDr. Jiří Vacík a kolektiv Chemie I, pro I. ročník gymnazií, 1989 7. Použité obrázky Úvodní obrázek: 1url.cz/ptjg6 Obr.1 : 1url.cz/otGr2 Obr.2 : 1url.cz/QtGro Obr.3 : 1url.cz/ttGrB Obr.4 : 1url.cz/0tGrp Obr.5 : 1url.cz/wtG8Y Obr.6 : 1url.cz/LtG8c Obr.7 : 1url.cz/ItG89 Obr.8 : 1url.cz/otGx3 Obr.9 : 1url.cz/atGxV Obr.10 : 1url.cz/EtTdF Obr.11 : 1url.cz/HtTd3 Obr.12 : 1url.cz/4tTdV Obr.13 : 1url.cz/4tjgP Obr.14 : 1url.cz/NtTdk Obr.15 : 1url.cz/QtTdT Obr.16 : 1url.cz/ttTdj Obr.17 : 1url.cz/CtTdD Obr.18 : 1url.cz/ZtTd4 Obr.19 : 1url.cz/itTdh Obr.20 : 1url.cz/NtTdC Obr.21 : 1url.cz/ntTdZ Obr.22 : 1url.cz/rtTdU Obr.23 : 1url.cz/6tTdI Obr.24 : 1url.cz/AtTd 19