Введение

Дисциплина «Неорганическая химия биогенных элементов» относится к циклу фундаментальных химических дисциплин и представляет собой теоретическую основу современных технологий пищевой промышленности. Кроме того, химическая культура технолога пищевой промышленности является необходимым элементом правильного понимания экологических вопросов, связанных с контролем качества продуктов питания, переработкой сырья, рациональным природопользованием. В настоящем пособии представлены 8 заданий по наиболее важным темам, понимание которых необходимо для успешного освоения студентами-технологами других химических дисциплин, таких как аналитическая химия, физическая и коллоидная химия, биохимия, а также специальных дисциплин по технологии отрасли. Эти задания включают следующие разделы курса:

– Периодическая система, строение атома;

– прогнозирование свойств элементов и их соединений;

– комплексные соединения;

– окислительно-восстановительные реакции;

– расчёт концентраций ионов в растворах соединений биогенных элементов;

– расчёт pH в растворах электролитов и расчёт концентраций электролитов по заданной величине pH.

Каждое задание включает в себя 35 вариантов задач; номер варианта соответствует порядковому номеру студента в списке группы. Из 8 заданий – 5 нерасчётных и 3 расчётных. Каждая изучаемая тема содержит необходимый для выполнения контрольного задания теоретический материал и подробно рассмотренные примеры решения задач.

Для получения по контрольной работе оценки «зачтено» достаточно выполнить задания № 1; 2а; 3–5; 8 (предполагается, что при выполнении этих заданий студент осваивает учебный материал, знание которого соответствует удовлетворительной оценке на экзамене). Студенты, претендующие на хорошие и отличные оценки, должны выполнить все задания.

1 Понятие о биогенных элементах. Прогноз свойств химических элементов в зависимости от их положения в периодической системе

1.1 Биогенные элементы

Биогенные элементы – это химические элементы, постоянно входящие в состав организмов и выполняющие определенные биологические функции. Биогенные элементы необходимы для существования и жизнедеятельности живых организмов.

Основу живых систем составляют шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Эти элементы называют органогенами; их суммарное содержание в живых организмах превышает 97 % (по массе). Однако перечень биогенных элементов не исчерпывается лишь органогенами. К числу важнейших биогенных элементов относятся также хлор, калий, натрий, магний, кальций, железо, цинк, медь, марганец, ванадий, молибден, бор, кремний, селен, фтор, бром, йод и некоторые другие элементы.

По количественному содержанию в организме биогенные элементы делятся на макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Макроэлементы – это элементы, массовая доля которых в живых организмах превышает 0,01 % (кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий, хлор). Содержание микроэлементов в организме составляет 10^–5–10^–3 масс. %; микроэлементами являются фтор, бром, йод, мышьяк, стронций, барий, медь, кобальт. Элементы, массовая доля которых в организме менее 10^–5 %, называют ультрамикроэлементами (ртуть, золото, уран, торий, радий и др.). Часто микроэлементы и ультрамикроэлементы объединяют в одну группу. В таблице 1.1 приведены данные о содержании ряда химических элементов в организме человека [1, с.210].

Таблица 1.1 – содержание некоторых химических элементов в организме человека

Группа	Массовая доля  (%)	Химические элементы
Макроэлементы	  10	O(62 %); C(21 %); H(10 %)
	1 ≤  < 10	N (3 %); Ca (2 %); P (1 %)
	10–2 ≤  < 1	K (0,23 %); S (0,16 %); Cl (0,1 %); Na (0,08 %); Mg (0,027 %); Fe (0,01 %)
Микроэлементы	10–3 ≤  < 10–2	Zn; Sr
	10–4 ≤  < 10–3	Cu; Co; Br; Cs; Si
	10–5 ≤  < 10–4	Mn; V; B; Cr; Al; Ba
	10–5 ≤ w < 10–3	I
Ультрамикроэлементы	10–6 ≤ w < 10–5	Ni; Ga; Ge; As; Hg; Bi
	10–7 ≤ w < 10–6	Th
	10–7 ≤ w < 10–5	Se; Sb; U

Недостаток данной классификации заключается в том, что она отражает лишь содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологическое значение того или иного элемента.

По значимости для жизнедеятельности организма химические элементы можно разделить на 3 группы [1, с.211]:

1 – жизненно необходимые (незаменимые) элементы – постоянно содержатся в организме человека и животных, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов (C; H; O; N; P; S; Cl; I; K; Na; Mg; Ca; Mn; Fe; Co; Cu; Zn; Mo; V). Их дефицит приводит к нарушению нормального функционирования организма.

2 – примесные элементы, постоянно находящиеся в организме; эти элементы постоянно содержатся в организме человека и животных (Ga; Sb; Sr; Br; F; B; Be; Li; Si; Sn; Cs; Al; Ba; Ge; As; Rb; Pb; Ra; Bi; Cd; Cr; Ni; Ti; Ag; Th; Hg; U; Se), однако их биологическая роль малоизучена или неизвестна.

3 – примесные элементы, обнаруживаемые в организме (микропримесные элементы) – данные о содержании этих элементов (Sc; Tl; In; La; Pr; Sm; W; Re; Tb и др.) и их биологической роли в настоящее время отсутствуют.

Как следует из вышеизложенного, перечислить точно все биогенные элементы невозможно из-за сложности определения очень маленьких концентраций микроэлементов и выяснения их биологических функций. В настоящее время известно, что в организме человека и животных обнаруживается свыше 70 элементов таблицы Д.И. Менделеева; около 50 из них присутствуют постоянно, т.е. являются биогенными. Развитие аналитической химии и, в частности, спектрального анализа позволяет расширить перечень биогенных элементов и установить биологическое значение многих из них.