ВОЗМОЖНОСТИЭКОЛОГИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ ШКОЛЬНИКОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ: «КАЛЬЦИЙ И ЕГОСОЕДИНЕНИЯ»
Введение
Современнаяэкология – обширный междисциплинарный научный комплекс. Наряду с традиционнойобщей (биологической) экологией, исследующей отношения организмов и условийсреды на уровне популяций, биоценозов и экосистем, этот комплекс включаетприкладную экологию (промышленная, городская сельскохозяйственная, леснаяэкология и т.д.) и социальную экологию (взаимоотношения природы и общества).Столь широкий круг проблем экологии привел к тому, что в школах РоссийскойФедерации нет специального предмета «Экология» и получил распространение такназываемый интегрированный вариант экологического образования. При этомварианте практически все предметы составляют единое образовательное экологическоепространство.
Большая рольв экологическом образовании школьников отводиться химии, так как в основе любыхпроцессов, протекающих в организме и экосистеме, лежат химические реакции. Темболее важна роль химии при оценке влияния человека на конкретные экосистемы ибиосферу в целом. На уроках химии наиболее целесообразно изучать вопросы,связанные с химическим загрязнением окружающей среды, знакомиться с методамимониторинга загрязнения и способами снижения его пагубного влияния на живыеорганизмы, включая человека [1].
Учитель химииможет профессионально обсуждать с учащимися новые малоотходные технологии иметоды очистки жидких стоков и газовых выбросов, а также проблему утилизациитвердых отходов. На уроках химии надо рассматривать биосферные круговоротывеществ и последствия влияния на них человека (усиление парникового эффекта,разрушения озонового экрана, трансграничный перенос загрязняющих веществ икислотные дожди), химизацию сельского хозяйства, проблемы энергетики сиспользованием углеродистых энергоносителей и водорода.
Некоторые изперечисленных вопросов изучаются и в курсах других предметов, входящих вобразовательное экологическое пространство, – биологии, географии, физики.Однако эти неизбежные элементы дублирования материала даже полезны, так какпозволяют учащимся взглянуть на одну и ту же проблему с разных сторон.
Исходя извсего вышесказанного, считаем возможным, представить вашему вниманиюквалификационную работу: «Возможности экологического воспитания школьников приизучении темы: «Кальций и его соединения». Работа позволит сформироватьконкретные химические и экологические знания у учеников. Работаважна иактуальна, так как позволяет представить основной материал, представленныйв школьном учебнике в новом свете, отражающем конкретные экологическиепроблемы, связанные с растущим загрязнением окружающей природной среды,приобретающим поистине глобальные масштабы. Все это не может не отразиться наздоровье человека, на численности и разнообразии популяций, на общем фоне биосферы.
Целью настоящей работыявляется выявление возможностей экологического воспитания школьников на примеревыбранной темы. Немаловажен при этом анализ школьных учебников (тем и заданий,оценка сложности и доступности анализируемого материала), тщательная подготовканеобходимого дополнения к этим темам, внедрение материалов с экологическим содержанием,увеличение числа заданий и тестов, носящих экологический характер, а такжепроведение различных внеклассных мероприятий с экологическим содержанием.
Работавключает в себя: введение, три главы и заключение. Первая глава содержитматериал, характеризующий современные тенденции и пути формированияэкологической культуры школьников, а также излагает основные способы получения ииспользования кальция в промышленности, влияние кальция и его соединений наздоровье человека. Во второй главе рассматривается тема «Кальций и егосоединения» так, как она излагается в школьной программе. Третья глававосполняет недостатки школьного курса через развитие химических знаний посредствомраскрытия экологической проблематики, связанной с выбранной темой.
1. Экологическоеобразование
1.1Современные тенденции: пути формирования экологической культуры
Выживаниечеловечества зависит от его нравственного совершенствования. Сегодня длядальнейшего развития цивилизации становиться очевидной необходимостьформирования экологической культуры на основе ценностей экологической этики.Экологическая культура должна проявляться в социальной активности и гражданскойзрелости личности. Чтобы экологические требования превратились в нормуповедения каждого человека, необходимо с детских лет целенаправленновоспитывать чувство ответственности за состояние окружающей среды, природныймир, его экологическую чистоту. Господствующая сегодня культура отношения людейк природе впервые поставила человечество перед альтернативой: жить комфортно ибогато в экологически нездоровой истощенной среде или ограничивать своипотребности и отдавать часть богатств на поддержание устойчивого развития исоздание экологически здоровой среды. Такое понимание проблемы дает основаниедля рассмотрения экологической культуры в концепции готовности и способностичеловека к самоограничению в потреблении природных ресурсов, к поступкам,соответствующим экологическим нормам и правилам поведения в окружающей среде[2].
Новаяэкологическая культура требует более целостного взгляда на мир, оценки места ироли в нем человека. Содержание общего образования необходимо конструировать вкультурологической парадигме, т.е. вывести детей из господствующего «полязаучивания» в «поле размышления». Составная часть экологической культуры –экологическое мировоззрение. Оно проявляется в системе обобщенных взглядов наотношение людей к окружающей среде. Возникает педагогическая проблемаформирования убежденности в большой важности общечеловеческих экологическихценностей, чем эгоистические интересы отдельных личностей [3].
Человек –единственный вид в биосфере, определяющий ее судьбу на исторически маломотрезке времени, и совершенно очевидно, что необходимо формировать у негомировоззрение, определяющее его поведение. Дальнейшее развитие цивилизацииможет происходить только в согласии с законами природы, при осознании человекомсвоей истинной роли в системе биотической регуляции. Это требует изменениямногих стереотипов поведения, механизмов экономики и социального развития.
Одна изсоциальных технологий, способных обеспечить экологически безопасное развитиестраны – экологическое просвещение. Образованность становиться существеннымфактором личной и государственной безопасности, так как образованный человекспособен снижать уровень социального и экологического риска.
Экологическоеобразование нацеливает на осуществление интегрированного процесса обучения ивоспитания, на разработку образовательных моделей, органично сочетающихпознавательную и ценностную сторону сознания. Современное образование должностроиться на прочном естественнонаучном и гуманитарном фундаменте,обеспечивающем системные, междисциплинарные, интегративные знания о природе иобществе, принципах их взаимодействия [3,4].
1.2Интеграционные процессы в химии и экологии
Рассмотрениеэкологических вопросов требует, наряду с традиционными биологическими,географическими, социальными и другими аспектами, химического подхода. В основепроцессов жизнедеятельности, как и в основе изменения химического составаокружающей среды, лежит превращение веществ. Для описания экологических системи управления ими в условиях нарастающего возмущения этих систем деятельностьючеловека необходимо знание химических механизмов взаимодействия междучеловеком, средой его обитания и отдельными экологическими подсистемами. Сдругой стороны, химия и химическое производство как неотъемлемые составныечасти процесса развития цивилизации ответственны за многие экологические проблемы,без них человек не может полноценно существовать на земле, а также эффективнопреодолевать негативные последствия своей деятельности.
Интеграционныепроцессы в химии и экологии находят свое отражение в образовании. Примоделировании учебных курсов использован вариативный подход к построению ихсодержания. Для углубления общеэкологических знаний в курсе химии преобладаетбиосферная концепция. В курсе химии для усиления экологической компоненты стоитрасставить акценты на проблеме загрязнения окружающей среды, превращениивеществ под воздействием внешних факторов, отраслевые концепции и критерии, ифизико-химические методы очистки природных сред, особого внимания заслуживаетэлемент кальций.
1.3 Кальцийи его распространенность в природе
Кальций (Calcium) Ca – химический элементпериодической системы элементов Д.И. Менделеева с порядковым номером 20 иатомной массой 40,08 а.е.м. Природный кальций образован 6 стабильнымиизотопами: кальций – 40 (96,94%), кальций – 44 (2,09%), кальций – 42 (0,067%),кальций – 48 (0,187%), кальций – 43 (0,135%), кальций – 46 (0,003%). Основныехарактеристики атома кальция таковы: строение внешнего энергетического уровня 4s2, степень окисления +2, очень редко +1, электороотрицательность поПолингу 1,0; атомный радиус 0,197 нм [5].
Металлическийкальций был впервые получен в 1808 году Г. Дэви методом электролиза;название элемента кальция происходит от латинского «калькс» – мел, мрамор,известняк и т.п.
Пораспространенности в земной коре кальций занимает пятое место – его содержаниесоставляет 3,38% по массе. Кальций встречается только в виде соединений, чащевсего солей кислородсодержащих кислот. Известно около 400 минералов, содержащихданный элемент. Наиболее распространенны различные силикаты и алюмосиликаты, вчастности анортит Ca3[Al2Si2O8], диопсид CaMg[SiO6], волластонид Ca[Si3O9], также промышленноезначение имеют кальцит (известняк, мрамор, мел)CaCO3,доломит CaMg(CO3)2фосфоритCa5(PO4)3(OH, CO3),апатиты Ca5(PO4)3(F, Cl),гипс CaSO4 ∙ 2 H2O,флюорит CaF2 и др. Значительноеколичество кальция находится в природных водах вследствие существованияглобального карбонатного равновесия между практически нерастворимым карбонатомкальция, хорошо растворимым гидрокарбонатом кальция и находящимся в воде ивоздухе диоксиде углерода. Заметное количество кальция содержится в организмечеловека и животных, в частности, гидроксилапатит – в костной тканипозвоночных, карбонат кальция – в раковинах моллюсков, яичной скорлупе.
Применениекальция основано на следующих моментах: при металлотермическом получении урана,тория, циркония, цезия, рубидия и некоторых лантаноидов из их соединений, дляудаления примесей кислорода, азота, серы, фосфора из сталей, бронз и другихсплавов, для обезвоживания многих органических жидкостей, очистки аргона отпримесей азота, в качестве геттер в вакуумных устройствах, легирующего элементадля алюминиевых сплавов и модифицирующей добавки для магниевых сплавов. Сплавыкальция со свинцом являются антифрикционными материалами в производствеподшипников. Еще большее применение нашли соединения кальция. Например,карбонат кальция применяют в качестве антацидного средства, при повышеннойкислотности желудочного сока, хлорид кальция организму необходим дляосуществления передачи нервных импульсов, сокращения сердечных и скелетныхмышц, для формирования костной ткани, свертывания крови и нормальнойдеятельности других органов и систем.
1.4Метаболизм кальция в организме человека
Метаболизмкальция.
К функциям />кальция в организме/> относятся:
· структурная(кости, зубы);
· сигнальная(внутриклеточный вторичный мессенджер-посредник);
· ферментативная(кофермент факторов свертывания крови);
· нейромышечная(контроль возбудимости, выделение нейротрансмиттеров, инициация мышечного сокращения).
Главная роль />в метаболизме />/>кальцияв организме человека принадлежит костной ткани. />Вкостях />кальций представлен фосфатами – Са3(РО4)2 (85%),карбонатами – СаСО3 (10%), солями органическихкислот – лимонной />и молочной (около 5%). Внескелета />кальций содержится во внеклеточной жидкости />и практически отсутствует />вклетках. В состав плотного матрикса кости, наряду с коллагеном, входит фосфаткальция – кристаллическое минеральное соединение, близкое к гидроксилапатиту Са10(РО4)6(/>ОН)2. Часть ионов Са2+ замещенаионами Mg2+, незначительная часть ионов ОН- – ионамифтора, которые повышают прочность кости. Минеральные компоненты костной тканинаходятся />в состоянии химического равновесия с ионами />/>кальция и фосфата сыворотки крови.Клетки костной ткани могут ускорять отложение или, наоборот, растворениеминеральных компонентов при локальных изменениях рН, концентрации ионов Са2+,НРО42-, хелатообразующих />соединений[6]. />В организме взрослого человека содержится 1–2 кгкальция, 98% которого находится />в составе скелета[А. Уайт />и соавт., 1981]. />Онсоставляет около 2% массы тела (примерно 30 моль). />Вкрови уровень кальция – 9–11 мг/100 мл (2,2–2,8 ммоль/л), вовнеклеточной жидкости – около 20 мг/100 мл. Регуляция обмена/> кальция между вне- />ивнутриклеточной жидкостью осуществляется паратгормоном, кальцитонином, 1,25 –диоксихолекальциферолом. При уменьшении концентрации ионов />кальциявозрастает секреция паратиреотропного гормона (ПТГ), />иостеокласты увеличивают растворение содержащихся />вкостях минеральных соединений. ПТГ увеличивает одновременно реабсорбцию ионовСа2+/>в почечных канальцах. />В итоге повышается уровень />/>кальция в сыворотке крови. При увеличении содержания ионов/>кальция секретируется кальцитонин, который снижаетконцентрацию ионов Са2+ за счет отложения />/>кальция результате деятельности остеобластов. />В процессе регуляции участвует витамин D, />он требуется для синтеза кальцийсвязывающих белков,необходимых для всасывания ионов Са2+/>вкишечнике, реабсорбции />/>его впочках. Постоянное поступление витамина D необходимо для нормального теченияпроцессов кальцификации. Изменение уровня />/>кальция в крови могут вызывать тироксин, андрогены,которые повышают содержание ионов Са2+, />иглюкокортикоиды, снижающие его. Ионы Са2+ связывают многие белки, />в том числе некоторые белки системы свертывания крови. />В белках системы свертывания содержатся />кальций-связывающиеучастки, образование которых зависит от витамина К.
/>В пищевых продуктах />кальций содержится восновном в виде фосфата кальция, который и поступает в организм. В природекальций встречается в виде карбоната, оксалата, тартрата, фитиновой кислоты (всоставе злаков).
Дефициткальция в организме часто связан с малой растворимостью большинства его солей.
С плохойрастворимостью солей кальция связывают кальцификацию стенок артерий,образование камней в желчном пузыре, почечных лоханках и канальцах. Формыфосфата кальция по степени возрастания растворимости располагают следующимобразом: Са3(РО4)2>СаНРО4>Са(Н2РО4)2.
Фосфатыкальция легко растворяются в желудочном содержимом. Максимальное всасываниекальция происходит в проксимальных отделах тонкого кишечника и уменьшается вдистальных отделах.
Доля усвоениякальция более значительна у детей (по сравнению со взрослыми), у беременных икормящих. Усвоение кальция снижается с возрастом человека, при дефицитевитамина D.
В плазмекрови содержатся фракции связанного с белком (недиффундирующего) кальция(0,9 ммоль/л) и диффундирующего: ионизированного (1,1–1,4 ммоль/л) инеионизированного (0,35 ммоль/л). Биологически активным являетсяионизированный кальций, он проникает в клетки через мембраны, неионизированнаяформа связана с белками (альбумином), углеводами и другими соединениями. Внутриклеток концентрация свободного кальция низкая. Так, общая концентрация ионов Са2+в цитоплазме эритроцитов составляет около 3 мкм, из них на свободные ионыприходится менее 1 мкм. Градиент концентрации ионов кальция по разныестороны от мембраны (от 102 до 105) поддерживается при помощи кальциевогонасоса. Очень медленная обратная диффузия ионов внутрь клетки противостоитработе насоса. Са2+ относится к вторичным месенджерам – внутриклеточнымвеществам, концентрация которых контролируется гормонами, нейромедиаторами,внеклеточными сигналами. Низкий уровень кальция в клетках поддерживаетсякальциевыми насосами (кальциевыми АТФ-азами) и натрийкальциевыми обменниками.Высокая активация Mg2+-, Са2+-АТФ-азы связана сконформационными изменениями кальциевого насоса, приводящими к переносу Са2+.Резкое увеличение содержания кальция в клетке происходит при открытиикальциевых каналов или внутриклеточных кальциевых депо (концентрация повышаетсядо 500–1000 нМ при 10–100 нМ в нестимулированной клетке). Открытиеканалов может быть вызвано деполяризацией мембран, действием сигнальныхвеществ, нейромедиаторов (глутамат, АТФ), вторичных мессенджеров (инозит –1,4,5 – трифосфат, цАМФ) [7]. Уровень кальция в клетках повышается (в 5–10 раз)в виде кратковременных флюктуаций (высокие концентрации кальция оказываютцитотоксическое действие). В клеточных органеллах и цитоплазме клеток имеетсябольшое количество белков, способных связывать кальций и выполнять роль буфера.Действие кальция опосредовано «кальциевыми сенсорами» – специальнымикальцийсвязывающими белками – аннексином, кальмодулином, тропонином.Кальмодулин имеется во всех клетках и при связывании четырех ионов кальцияпереходит в активную форму, которая может взаимодействовать с белками. Са2+оказывает влияние на активность ферментов, ионных насосов, компонентовцитоскелета за счет активации кальмодулина.
Гипоальбуминемияне влияет на уровень ионизированного кальция, который варьирует в узкомдиапазоне и тем самым обеспечивает нормальное функционирование нервно-мышечногоаппарата. С увеличением рН доля связанного кальция возрастает. При алкалозеионы водорода диссоциируют из молекулы альбумина, что приводит к снижениюконцентрации ионов кальция. Это может вызвать клинические симптомыгипокальциемии, несмотря на то, что концентрация общего кальция в плазме неизменена. Обратная картина (увеличение концентрации ионов кальция в плазме)отмечается при остром ацидозе. Глобулины также связывают кальций, хотя и вменьшей степени, чем альбумин.
Составныекомпоненты регуляции содержания кальция в плазме крови включают:
· скелет(резервуар кальция);
· почки;
· экскрециюкальция через кишечник с желчью;
· паратгормон,кальцитонин (их секреция определяется уровнем кальция в плазме);
· 1,25 –диоксихолекальциферол.
Внеклеточныйпул кальция в течение суток обновляется приблизительно 33 раза [8],проходя через почки, кишечник и кости. И даже небольшое изменение любого изэтих потоков оказывает существенное влияние на концентрацию кальция вовнеклеточной жидкости, включая плазму крови.
Кальций,входящий в состав секретов пищеварительного тракта, частично реабсорбируетсявместе с пищевым кальцием.
Нарушенияобмена кальция сопровождаются нарушениями обмена фосфатов и клиническипроявляются в изменениях костного скелета и нервно-мышечной возбудимости.
Наблюдаетсяобратная зависимость между содержанием кальция и фосфора в сыворотке крови(одновременное повышение наблюдается при гиперпаратиреоидизме, снижение – прирахите у детей). При повышенном содержании фосфора в пище в желудочно-кишечномтракте образуется невсасывающийся трехосновной фосфорнокислый кальций. Суточнаяпотребность в кальции взрослого человека составляет 20–37,5 ммоль (0,8–1,5 г),у беременных и кормящих в два раза выше [9]. В пищевой канал ежедневнопоступает 35 ммоль кальция, но всасывается только половина, в 50 размедленнее, чем натрий, но интенсивнее, чем железо, цинк, марганец. Всасываниепроисходит в тонком кишечнике (максимально в 12-перстной кишке). Лучше всеговсасывается глюконат и лактат кальция. Оптимум всасывания наблюдается прирН=3,0. Кальций соединяется с жирными и желчными кислотами и через воротнуювену поступает в печень. Транспорту через мембрану энтероцита в кровьспособствует витамин D. Всасывание снижается при недостатке фосфатов (важноезначение имеет соотношение кальций / фосфор). На всасывание влияетконцентрация Nа+, активность щелочной фосфатазы, Mg2+-,Са2+-АТФ-азы, содержание кальций-связывающего белка. Из организма внорме кальций выводится через кишечник. Ежедневно в пищевой канал секретируетсяслюнными, желудочными и поджелудочными железами и выводится около 25 ммольСа2+. Выведение кальция с калом сохраняется даже при бескальциевойдиете (в составе желчи). В почках за сутки фильтруется около 270 ммоль Са2+.90% кальция, фильтруемого в почках, реабсорбируется, поэтому в целом с мочойего выделяется мало (выделение возрастает при увеличении концентрации кальция вкрови и ведет к образованию камней в почках). Суточная экскреция колеблется от1,5 до 15 ммоль и зависит от суточного ритма (максимум в утренниечасы), уровня гормонов, кислотно-основного состояния, характера пищи (углеводыусиливают выведение кальция). При рассасывании минерального остова костей,реабсорбция кальция снижается. Кости являются резервуаром кальция: пригипокальциемии кальций поступает из костей и, наоборот, при гиперкальциемии оноткладывается в скелете.
Ионы кальцияважны для течения многих процессов:
· нервно-мышечноговозбуждения;
· мышечногосокращения;
· свертываниякрови;
· проницаемостиклеточных мембран;
· активностимногих ферментов и перекисного окисления липидов.
Основныеисточники кальция – молоко, молочные продукты (творог, твердые сыры),рыба, яйца. Он содержится также в зеленых овощах, орехах. Одним из источниковкальция является питьевая вода (в 1 литре до 350–500 мг). С питьевойводой поступает 10–30% кальция [10]. Биодоступность кальция улучшаюткисломолочные продукты, животные белки, снижают ее – пищевые волокна,алкоголь, кофеин, избыток жиров (образуются нерастворимые соединения), фосфаты,оксалаты. Повышенное содержание в пище магния и калия тормозит всасываниекальция: они конкурируют с кальцием за желчные кислоты. Препараты витамина Dспособствуют всасыванию кальция. При лечении остеопороза одновременно сназначением препаратов кальция необходимо восполнение дефицита белков,кальциферола, витаминов.
Гиперкальциемия –результат повышенного поступления кальция во внеклеточную жидкость изрезорбируемой костной ткани или из пищи в условиях снижения почечнойреабсорбции. Наиболее частой причиной гиперкальциемии (90% случаев) являютсяпервичный гиперпаратиреоз, злокачественные новообразования. Частогиперкальциемия клинически не проявляется. К редким причинам гиперкальциемииотносят [12] гранулематозные заболевания (в том числе саркоидоз),гипервитаминоз D, тиреотоксикоз, применение тиазидных диуретиков, препаратовлития, молочно-щелочной синдром, длительную обездвиженность, наследственнуюгипокальциурическую гиперкальциемию, почечную недостаточность. К клиническимсимптомам гиперкальциемии относятся:
· отсутствиеаппетита, тошнота, рвота, боли в животе (развивается язва желудка и 12-перстнойкишки, панкреатит), запоры;
· слабость,утомляемость, снижение массы тела, мышечная слабость;
· измененияличности, ухудшение концентрации внимания, сонливость, кома;
· аритмии,укорочение интервала Q-T на ЭКГ;
· нефрокальциноз,почечные конкременты, кальциноз сосудов, роговицы;
· полиурия,дегидратация, почечная недостаточность.
Наиболеечастой причиной снижения общей концентрации кальция в сыворотке являетсягипоальбуминемия.
Обмен кальцияв организме не нарушается, если содержание свободного кальция находится впределах нормы. Концентрация свободного кальция в сыворотке снижается пригипопаратиреозе, резистентности к паратиреоидному гормону(псевдогипопаратиреозе), авитаминозе D, почечной недостаточности, выраженнойгипомагниемии, гипермагниемии, остром панкреатите, некрозе скелетных мышц(рабдомиолизе), распаде опухолей, многократном переливании цитратной крови. Кклиническим проявлениям гипокальциемии относятся: парестезии, чувство онемения,судороги мышц, спазм гортани, отклонения в поведении, ступор, положительныесимптомы Хвостека и Труссо, удлинение интервала Q-T на ЭКГ, катаракта.Умеренная гипокальциемия может быть бессимптомной.
Гиперкальциурияразвивается при повышенном потреблении кальция с пищей, передозировке витаминаD (усиливается резорбция в кишечнике), канальцевых расстройствах(идиопатическая гиперкальциурия, почечные тубулярные ацидозы), при повышенномраспаде костной ткани (миеломная болезнь, опухоли костной ткани, фосфатныйдиабет, остеопороз, гиперпаратиреоз).
Гипокальциуриянаблюдается при гипопаратиреозе, гиповитаминозе D, гипокальциемии, сниженииклубочковой фильтрации.
Рольфосфора в организме человека
В организмевзрослого человека содержится около 670 г. фосфора (1% массы тела),который необходим для образования костей и клеточного энергетического обмена. 90%фосфора, подобно кальцию, находится в скелете – костях и зубах [9]. Вместес кальцием они составляют основу твердого вещества кости. В костях фосфорпредставлен трудно растворимым фосфатом кальция (2/3) и растворимыми соединениями(1/3). Большая часть остального количества фосфора находится внутри клеток, 1% –во внеклеточной жидкости. Поэтому уровень фосфора в сыворотке крови непозволяет судить об общем его содержания в организме.
Фосфатыявляются структурными элементами костной ткани, участвуют в переносе энергии ввиде макроэргических связей (АТФ, АДФ, креатинфосфат, гуанинфосфат и других).Фосфор и сера – два элемента в организме человека, которые входят в составразличных макроэргических соединений. С участием фосфорной кислотыосуществляется гликолиз, гликогенез, обмен жиров. Фосфор входит в структуруДНК, РНК, обеспечивающих синтез белка. Он участвует в окислительномфосфорилировании, в результате которого образуется АТФ, фосфорилированиинекоторых витаминов (тиамина, пиридоксина и других). Фосфор важен также дляфункционирования мышечной ткани (скелетной мускулатуры и сердечной мышцы).Неорганические фосфаты входят в состав буферных систем плазмы и тканевойжидкости. Фосфор активирует всасывание ионов кальция в кишечнике. Суточнаяпотребность в фосфоре составляет 30 ммоль (900 мг), у беременных онавозрастает на 30–40%, в период лактации – в два раза [9]. По данным [10],потребность в фосфоре у взрослых – 1600 мг в сутки, у детей – 1500–1800 мгв сутки.
В организмчеловека фосфор поступает с растительной и животной пищей в виде фосфолипидов,фосфопротеинов и фосфатов.
Врастительных продуктах (в частности, в бобовых) содержится много фосфора,однако усвояемость его низкая. Важным источником его является мясо и рыба. Вжелудке и кишечнике фосфорная кислота отщепляется от органических соединений.Всасывание 70–90% фосфора происходит в тонком кишечнике. Оно зависит отконцентрации фосфора в просвете кишки, активности щелочной фосфатазы (угнетениеее снижает всасывание фосфора). Активность щелочной фосфатазы повышает витаминD, а всасывание фосфатов – паратиреоидный гормон. Всосавшийся фосфорпоступает в печень, участвует в процессах фосфорилирования, частичнооткладывается в виде минеральных солей, которые затем переходят в кровь ииспользуются костной и мышечной тканью (синтезируется креатинфосфат). От обменафосфатов между кровью и костной тканью зависит нормальное течение процессовокостенения, поддержания нормальной костной структуры.
В кровифосфор находится в виде четырех соединений: неорганического фосфата,органических фосфорных эфиров, фосфолипидов и свободных нуклеотидов. В плазмекрови неорганический фосфор присутствует в виде ортофосфатов, но егоконцентрацию в сыворотке оценивают непосредственно (1 мг% фосфора=0,32 ммоль/лфосфата). Он проникает через полунепроницаемые мембраны, фильтруется в почечныхклубочках. Концентрация неорганического пирофосфата в плазме крови составляет 1–10 мкмоль/л.Содержание неорганического фосфора в плазме крови взрослых людей – 3,5–4 мгфосфора/100 мл, несколько выше оно у детей (4–5 мг/100 мл) и у женщинпосле менопаузы. В плазме также содержатся гексозофосфаты, триозофосфаты идругие. Скелет является резервуаром неорганического фосфора: при снижении егосодержания в плазме он поступает из скелета и, наоборот, откладывается вскелете при повышении его концентрации в плазме. Концентрацию фосфора всыворотке крови рекомендуется определять натощак: богатая фосфором пищаповышает его, а углеводы, инфузия глюкозы – снижают. Фосфор выводится изорганизма через кишечник и почки в виде фосфата кальция. С мочой выделяется2/3 растворимых одно- и двузамещенных фосфатов натрия и калия и1/3 фосфатов кальция и магния. В почках за сутки фильтруется около208 ммоль фосфата, экскретируется 16–26 ммоль. Соотношение одно- идвузамещенных солей фосфора зависит от кислотно-основного состояния. Приацидозе однозамещенных фосфатов выводится в 50 раз больше, чемдвузамещенных. При алкалозе усиленно образуются и выделяются двузамещенные солифосфатов.
Паратиреоидныйгормон снижает уровень фосфора в сыворотке крови, угнетая реабсорбцию его впроксимальных и дистальных канальцах, усиливая выведение с мочой. Кальцитониноказывает гипофосфатемическое действие, уменьшая реабсорцию и усиливаяэкскрецию. 1,25 (ОН) 2Д3, усиливая всасывание фосфата в кишечнике, повышает егоуровень в крови, способствует фиксации фосфорно-кальциевых солей костнойтканью. Инсулин стимулирует поступление фосфата в клетки и тем самым снижаетего содержание в сыворотке крови. Гормон роста увеличивает реабсорбциюфосфатов, вазопрессин – экскрецию.
Обмен фосфораи кальция тесно взаимосвязаны. Считается, что оптимальным для совместногоусвоения из пищи является соотношение между фосфором и кальцием равное 1:1–1,5.Гиперкальциемия, снижая секрецию паратиреоидного гормона, стимулируетреабсорбцию фосфатов. Фосфат может соединяться с кальцием и приводить котложению кальция в тканях и гипокальциемии.
При нарушенииобмена фосфора обнаруживаются повышение и снижение его в крови. Гиперфосфатемиячасто наблюдается при почечной недостаточности, встречается пригипопаратиреозе, псевдогипопаратиреозе, рабдомиолизе, распаде опухолей,метаболическом и респираторном ацидозе. Гиперфосфатемия подавляетгидроксилирование 25-гидроксикальциферола в почках. Умеренная гипофосфатемия несопровождается существенными последствиями. Тяжелая гипофосфатемия (менее0,3 ммоль/л (1 мг%) сопровождается нарушением функции эритроцитов,лейкоцитов, мышечной слабостью (нарушается образование АТФ, 2,3 – дифосфоглицерата).Она наблюдается при злоупотреблении алкоголем и абстиненции, респираторномалкалозе, нарушении всасывания в кишечнике, приеме средств, связывающих фосфат,возобновлении приема пищи после голодания, при переедании, тяжелых ожогах,лечении диабетического кетоацидоза [11]. При диабетическом кетоацидозегипофосфатемия не является признаком истощения запасов фосфата. Умереннаягипофосфатемия (1,0–2,5 мг%) может наблюдаться при инфузии глюкозы,дефиците витамина D в пище или снижении его всасывания в кишечнике, пригиперпаратиреозе, остром тубулярном некрозе, после пересадки почек, принаследственной гипофосфатемии, синдроме Фанкони, паранеопластическойостеомаляции, увеличении объема внеклеточной жидкости. Респираторный алкалозможет вызвать гипофосфатемию, стимулируя активность фосфофруктокиназы иобразование фосфорилированных промежуточных продуктов гликолиза. Хроническаягипофосфатемия приводит к рахиту и остеомаляции.
Гипофосфатемияпроявляется потерей аппетита, недомоганием, слабостью, парестезиями вконечностях, болью в костях. Гипофосфатурия наблюдается при остеопорозе,гипофосфатемическом почечном рахите, инфекционных заболеваниях, острой желтойатрофии печени, снижении клубочковой фильтрации, повышенной реабсорбции фосфора(при гипосекреции ПТГ).
Гиперфосфатуриянаблюдается при повышенной фильтрации и сниженной реабсорбции фосфора (рахит,гиперпаратиреоз, тубулярный ацидоз, фосфатный диабет), гипертиреозе, лейкозах,отравлениях солями тяжелых металлов, бензолом, фенолом.
Гомеостазкальция и фосфата
Гипокальциемиястимулирует секрецию паратиреоидного гормона и тем самым увеличивает продукциюкальцитриола. В результате увеличивается мобилизация кальция и фосфатов изкостей, их поступление из кишечника. Избыток фосфатов экскретируется с мочой(ПТГ оказывает фосфатурическое действие), а реабсорбция кальция в почечныхканальцах возрастает, и концентрация его в крови нормализуется. Гипофосфатемиясопровождается усилением секреции только кальцитриола. Увеличение под действиемкальцитриола его концентрации в плазме приводит к снижению секрециипаратиреоидного гормона. Гипофосфатемия приводит к стимуляции абсорбции фосфатаи кальция в кишечнике. Избыток кальция выводится с мочой, так как кальцитриолусиливает реабсорбцию кальция в незначительной мере (по сравнению с ПТГ). Врезультате описанных процессов нормальная концентрация фосфата в плазме кровивосстанавливается независимо от концентрации кальция [12]./>
1.5Методика определения жесткости воды в условиях школьной лаборатории
В настоящеевремя учителю химии приходиться рассматривать самые различные экологическиепроблемы, одна из которых – проблема чистой воды. Оценивая воду на содержаниеминеральных солей, отдельно выделяют концентрацию в ней солей кальция и магния,говоря о степени жесткости воды.
Мыло вжесткой воде не мылится, овощи плохо развариваются, а при использовании такойводы в паровых котлах образуется накипь, которая снижает эффективность ихработы и может привести к взрыву. Жесткую воду перед употреблениемцелесообразно умягчить, удалив катионы кальция и магния.
Однако дляжизнедеятельности организма кальций и магний необходимы, так как играют важнуюроль в процессах формирования костей, свертываемости крови, сокращениисердечной мышцы, передачи нервных импульсов. Установлено, что в местностях спониженным содержанием кальция в питьевой воде сердечные заболевания болеераспространенны. В тоже время, употребление жесткой воды увеличивает опасностьзаболевания мочекаменной болезнью, неблагоприятно влияет на формированиесосудов. Избыток ионов кальция в организме приводит к отложению солей в шейном,грудном, поясничном отделах позвоночника, суставах конечностей. Отсюда следует,что важно вести контроль за содержанием солей кальция и магния в питьевой воде.А познакомиться с некоторыми простыми методами определения жесткости водыучащиеся могут на уроках химии [13].
Определениеобщей жесткости воды в лабораторных условиях проводят методомкомплексонометрического титрования с помощью кальциево-магниевыхионоселективных электродов. Но эти методы требуют дорогостоящих и практическинедоступных для школы реактивов и приборов, поэтому предлагаем более приемлемыйдля школьной лаборатории способ с применением соляной кислоты и ортофосфатанатрия.
Метод основанна осаждение ионов Са2+ Mg2+ избытком раствора ортофосфата натрия Na3PO4 с последующимопределением остатка осадителя:
3MeCl2 + 2 Na3PO4 → Me3 (PO4)2↓+ 6NaCl
3Me(HCO3)2 + 2 Na3PO4 → Me3(PO4)2↓ + 6 NaHCO3.
Как видно изприведенных выше уравнений, из Me(HCO3)2 образуется эквивалентное количествоNaHCO3. При титровании остаткафосфата натрия соляной кислотой одновременно оттитровывается и гидрокарбонатнатрия, на определение которого расходуется такое же количество солянойкислоты, как и на определение временной жесткости воды, что необходимоучитывать в расчетах.
Методикапроведения анализа
В мернуюколбу, вместимостью 250 мл переносят 100 мл анализируемой воды, добавляют точноизмеренный объем (например, 25 мл) 0,2 н. раствора Na3PO4 и отстаивают 30 минут.Затем доводят до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают ифильтруют через плотный бумажный фильтр в сухую емкость.
В коническуюколбу объемом 250 мл отбирают 100 мл фильтрата и добавляют 2–3 капли индикатораметилоранжа, затем титруют соляной кислотой до появления бледно-розовой окраскираствора.
Параллельноопределяют объем соляной кислоты, пошедшей на определение временной жесткости видентичных условиях. Для этого берут мерную колбу вместимостью 250 мл,добавляют 100 мл анализируемой воды, доводят до метки дистиллированной водой итщательно перемешивают. После этого в коническую колбу для титрования отбирают100 мл раствора, добавляют 2–3 капли метилоранжа и титруют соляной кислотой допоявления бледно-розового окрашивания.
Расчеты:
1.Рассчитываем временную жесткость воды (моль/л) по формуле:
Ж в. = (Сэ(HCl) ∙ V(HCl) / Vпр.) ∙ (Vколбы / V(H2O) ∙ 1000, где V (HCl) – объем солянойкислоты, пошедшей на титрование, л;
Сэ(HCl) – молярная концентрацияэквивалента соляной кислоты, моль/л;
V (H2O) – объем анализируемойводы, л;
Vколбы – объем мерной колбы,л;
Vпр. – объем воды, взятой длятитрования, л.
Примеррасчета представлен в Приложении 1. Сравнение полученных разными методамирезультатов показывает, что предлагаемый метод вполне может быть использованпри определении общей жесткости воды.
Информацию осоставе жесткой воды, видах жесткости и способах ее устранения можно почерпнутьиз табл. 1.
Таблица 1.
Жесткость воды и способы ее устранения
Состав жесткой воды
Вид жидкости
Способы устранения катионы анионы по составу по способу её устранения
Са 2 +
Mg 2+
НСО-3 карбонатная временная
1) нагревание
2) добавка извести
3) пропускание через ионообменник
Сl-
N0-3
SO42- некарбонатная постоянная
1) добавка соды,
2) пропускание через ионообменник
Сl-
N0-3
SO42-
НСО-3 общая
1) пропускание через ионообменник
2) добавка соды
2. Тема«Кальций и его соединения» в школьном курсе химии
Химия – однаиз стремительно развивающихся областей знания, результаты ее ускоренногоразвития в макро- и микромасштабах проявляются в повседневной жизни. А вот времяна изучение этой дисциплины в школе неуклонно сокращается. И это не может неувеличивать пропасть между наукой и содержанием школьного предмета. Мыубеждены, что содержание школьного курса химии и процесс обучения должныотражать не упрощенные представления об особенностях развития химической науки,а состояние современного знания, реальную сложность объекта познания химии.
2.1 Урокпо теме «Кальций и его соединения» в 9-х классах средней общеобразовательнойшколы с. Карасу
Цельурока: познакомитьучащихся с новым элементом – кальцием, ознакомить с его положением впериодической системе Д.И. Менделеева, рассмотреть важнейшие природныесоединения и области их применения. Рассмотреть способы получения соединенийкальция в промышленности, дать определение следующих понятий: жесткость воды,карбонатная и некарбонатная жесткость, изучить способы устранения жесткостиводы.
Задачиобучения: сформироватьпредставление об одном из биогенных элементов – кальции, расширитьпредставление о способах получения, свойствах и способах получения и примененияразличных соединений кальция в промышленности.
Задачиразвития:развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравниватьи т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с табличнымиданными и т.д.