Химия · Органическая химия · 7 класс

Химия в нашем теле

Из каких элементов состоит наше тело и сколько энергии даёт тарелка плова?

Ситуация

В праздник на дастархане — блюдо плова, горячая лепёшка, катык и корзина яблок. Бабушка говорит: «Ешь яблоко, будет больше крови — в нём много железа». Незрелое яблоко кислое, спелое — сладкое, а разрезанное быстро темнеет. Сколько энергии даёт нам плов, правда ли, что в яблоке много железа, и из каких химических элементов на самом деле построено наше тело?

Тема

Химия нашего тела: элементы, питательные вещества и витамины. Плов и яблоко: белки, жиры, углеводы, витамины и минералы — из каких элементов состоит наше тело

Ключевые понятия

Биогенные элементы
Белки, жиры, углеводы
Витамины и минералы

Формулы

E = 17 m_{белок} + 37 m_{жир} + 17 m_{углевод}

Энергия пищи, кДж ( $m$ — в граммах): белок и углеводы ≈ 17 кДж/г (4 ккал/г), жир ≈ 37 кДж/г (9 ккал/г); 1 ккал = 4,184 кДж.

C_{6} H_{12} O_{6} + 6 O_{2} \overset{}{\to} 6 CO_{2} + 6 H_{2} O

В клетке глюкоза «горит»: выделяется ≈ 2 800 кДж/моль, то есть ≈ 15,6 кДж/г энергии.

m (элемента) = ω \cdot m (тела)

Масса элемента в теле: например, доля кальция ≈ 1,4 % — у школьника массой 45 кг это ≈ 0,64 кг.

C_{6} H_{8} O_{6} + I_{2} \overset{}{\to} C_{6} H_{6} O_{6} + 2 HI

Витамин C (аскорбиновая кислота) обесцвечивает иод — так определяют его количество.

m (вит. C) = n (I_{2}) \cdot M (C_{6} H_{8} O_{6})

0,004 ммоль иода в пробирке «связывают» 0,004 · 176,1 = 0,70 мг витамина C: измеряем объём сока, содержащий столько витамина.

Теория

Из каких элементов состоит наше тело

≈ 96 % массы тела взрослого человека приходится на четыре элемента: кислород (≈ 64 %), углерод (≈ 19 %), водород (≈ 10 %) и азот (≈ 2,6 %). Большая часть кислорода и водорода находится в воде — это ≈ 60 % массы тела. Затем идут кальций (≈ 1,4 %), фосфор (≈ 1,1 %), калий, сера, натрий, хлор, магний — это макроэлементы. Железа, цинка, фтора, меди, иода, селена совсем мало — это микроэлементы (у человека массой 70 кг железа ≈ 4 г, иода ≈ 20 мг), но без них жизнь невозможна. C, H, O, N, P, S — биогенные элементы (органогены): из них построены белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. (Цифры — приблизительные средние для взрослого человека массой 70 кг; в разных источниках они немного отличаются, например кислорода 61–65 %, углерода 18–23 %; различаются они и у разных людей.)

Белки, жиры, углеводы

Белки — длинные молекулы из аминокислот; в них обязательно есть азот (в среднем ≈ 16 %). Мышцы, ферменты, гормоны и антитела — это белки. Жиры — сложные эфиры глицерина и жирных кислот; запас энергии: 37 кДж/г. Углеводы: глюкоза $C_{6} H_{12} O_{6}$ , сахароза (сахар), крахмал (рис, лепёшка, картофель) и клетчатка (целлюлоза). Белок и углеводы дают 17 кДж/г. Эти значения взяты из правил Европейского союза о маркировке продуктов (1169/2011). Плов: по рецепту в 100 г ≈ 5,6 г белка, 10 г жира и 21 г углеводов — ≈ 820 кДж (≈ 200 ккал); почти половина энергии приходится на жир. Рекомендации ВОЗ: жир не более 30 % суточной энергии, соль — менее 5 г в сутки.

Витамины

Витамины — органические вещества, которые нужны в малых количествах; организм не может сам производить их в достаточном количестве. Бывают водорастворимые (C, группа B) и жирорастворимые (A, D, E, K). Витамин C — аскорбиновая кислота $C_{6} H_{8} O_{6}$ : нужен для соединительной ткани (коллагена), это антиоксидант, он улучшает усвоение растительного железа; при его недостатке развивается цинга (кровоточат дёсны). Детям 9–13 лет требуется ≈ 45 мг в сутки (нормы США), взрослым — 75–90 мг. Он разрушается под действием тепла и воздуха — в долго варёной пище его остаётся мало. Богатые источники (на 100 г): чёрная смородина ≈ 180 мг, красный сладкий перец ≈ 128 мг, лимон и апельсин ≈ 53 мг, капуста ≈ 37 мг; в яблоке всего ≈ 4,6 мг. β-каротин (провитамин A) в моркови растворяется в жире — в плове он хорошо усваивается вместе с жиром.

Минералы и «железо в яблоке»

Кальций — кости и зубы ( $Ca_{10} (PO_{4})_{6} (OH)_{2}$ ), в 9–13 лет 1300 мг в сутки: молоко, катык, сыр. Железо — входит в состав гемоглобина, переносит кислород в крови; в 9–13 лет 8 мг в сутки; при недостатке — анемия. «Гемовое» железо мяса и печени усваивается хорошо, растительное — хуже (мешают оксалаты в шпинате), а витамин C помогает. В яблоке железа очень мало: в 100 г ≈ 0,12 мг — для суточной нормы понадобилось бы 6–7 кг яблок! Потемнение разрезанного яблока тоже не от железа (см. ниже). Иод — для гормонов щитовидной железы; используют йодированную соль (ВОЗ: 20–40 мг иода на 1 кг соли). Фтор — зубная эмаль.

Практическая работа: определение состава яблока

Крахмал: раствор иода с крахмалом даёт сине-чёрный цвет. В незрелом яблоке много крахмала, при созревании он превращается в сахар — иод остаётся жёлто-коричневым; в картофеле крахмала очень много. Кислота: pH яблочного сока ≈ 3,3–4 (в основном яблочная кислота), лимонного ≈ 2–2,6 — это показывает универсальный индикатор. Витамин C: к раствору иод–крахмал (синему) добавляем по каплям сок; витамин восстанавливает иод, и синий цвет исчезает. По израсходованному объёму: $c = n (I_{2}) \cdot 176,1 / V$ . Потемнение: в разрезанном яблоке фермент полифенолоксидаза окисляет полифенолы кислородом воздуха — образуются коричневые вещества. Лимонный сок (витамин C и кислота) замедляет это. Безопасность: раствор иода окрашивает одежду и кожу; в лаборатории ничего не пробуйте на вкус; будьте осторожны с ножом.

Модель и источники

Питательные вещества и витамины — по таблицам USDA FoodData Central (SR Legacy, США) с округлением; железо и кальций в лепёшке приблизительны для необогащённой муки. Состав плова рассчитан по рецепту (рис 1 кг, баранина 1 кг, морковь 1 кг, лук 0,3 кг, хлопковое масло 0,23 кг → ≈ 4,5 кг плова); считается, что витамин C при долгой готовке разрушается. Суточные нормы — Национальные академии США (9–13 лет); 8 400 кДж для энергии — типовое значение с этикеток для взрослых; потребность каждого человека зависит от возраста, пола и активности — это не медицинский совет. pH соков — типичные измеренные диапазоны (FDA США). При титровании иодом другие восстановители в соке не учитываются; скорость потемнения и цвета крахмала схематичны; в лаборатории яблока время ускорено в 60 раз.

Знаете ли вы?

Примерно 96 % массы человеческого тела составляют четыре элемента — кислород, углерод, водород и азот; большая часть кислорода входит в состав воды.
Цинга, вызванная нехваткой витамина C, во время дальних морских плаваний стала причиной гибели множества моряков; в 1747 году шотландский врач Джеймс Линд показал в опыте, что апельсины и лимоны излечивают эту болезнь.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Органическая химия: строение — 10 класс
Изомеры и номенклатура — 10 класс
Алканы и циклоалканы — 10 класс
Алкены и алкадиены — 10 класс
Полимеры, каучук, волокна — 10 класс
Алкины, бензол и стирол — 10 класс
Природный газ, нефть и каменный уголь — 10 класс
Спирты и простые эфиры — 10 класс
Фенол, альдегиды и кетоны — 10 класс
Кислоты, эфиры и мыло — 10 класс