XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние железа и хрома на здоровье человека. Количественное определение катионов Сr6+, Fe2+ и Fe3+ в воде

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Хацкевич Е.А. 1

---

1АНО "ШКОЛА "ПРЕМЬЕР"

Борисова М.И. 1Припадчев А.С. 1

---

1АНО "ШКОЛА "ПРЕМЬЕР"

Работа в формате PDF

64.3 KB

Введение

Вода — удивительная жидкость. У неё нет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. В воде удивительным образом сочетается как простота, так и сложность. Казалось бы: в молекуле воды всего три атома — один кислорода, и два водорода. Тем не менее, учёным всё ещё не ясно до конца, как действуют эти молекулы. Но точно известно одно: не будет воды — не будет и жизни на Земле.

Вода в жизни человека играет огромную роль. О роли воды в жизни человека можно судить на простом примере – сам человек в большинстве своем состоит из воды. Мозг человека на 75 — 85 % содержит воду, а мышечная ткань — приблизительно на 70 %. Вода способствует тому, чтобы пища, которую мы едим, быстро переваривалась и усваивалась организмом. Немаловажная роль воды в природе и жизни человека сводится к выводу из организма человека и животных токсинов и прочих отходов. Вода служит в качестве смазки для наших суставов, а также регулирует и поддерживает температуру нашего тела, поэтому очень важно пить качественную воду, ведь в случае наличия вредных примесей в воде, может происходить негативное воздействие на организм человека.

Цели и задачи работы

Цель работы состоит в изучении влияния железа и хрома, содержащихся в воде на здоровье человека, а также количественное определение катионов Сr⁶⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ в воде.

К числу задач исследования можно отнести:

1.Сбор и анализ информации о влиянии железа и хрома на здоровье человека.

2.Отбор проб для проведения анализов.

3.Проведение анализов на количественное определение катионов Сr⁶⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ в воде.

4.Обобщение результатов.

5.Вывод о качестве употребляемой воды.

Влияние железа и хрома на здоровье человека.

Вода, согласно ее формуле - H₂O, должна состоять лишь из смеси двух газов – водорода и кислорода, однако это лишь не более чем лабораторный стандарт. На самом же деле она представляет собой смесь самых различных веществ, находящихся в самых разных физических и химических состояниях. Химический состав природной воды весьма и весьма разнообразен.

Произведенный в лаборатории химический анализ воды позволяет определить состав всех примесей органического и минерального происхождения, которые находятся в жидкости в форме молекул, ионов, суспензий, коллоидов и эмульсий. На химический состав как поверхностных, так и подземных вод существенно оказывают влияние географическое расположение, геологическое строение и климатические условия местности, в которой они находятся.

Кратко рассмотрим химический состав природной воды, представляющей собой довольно сложную дисперсионную систему, где вода – дисперсная среда, а органические, минеральные вещества, газы и живые микроорганизмы – дисперсная фаза.

Около 90 - 95 процентов компонентов, содержащихся в растворенном виде в воде, составляют соли, которые существуют там в виде ионов. В природной воде всегда присутствует «набор» из трех анионов и четырех катионов (HCO₃-, SO₄² -, Cl-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na+ , K+, Fe²⁺,Fe³⁺), которые принято называть главными ионами.

Повышенное содержание железа в воде, особенно в питьевой воде — извечная проблема как пользователей центрального водопровода, так и владельцев колодцев и скважин. Железистая вода негативно влияет на здоровье человека и животных, сокращает срок эксплуатации сантехники и бытовых приборов. Не говоря уже о неприятном запахе, привкусе и др.

Сколько должно быть железа в воде? Прежде всего, нужно понять, что конкретно мы измеряем. Этот металл встречается в воде в 2 формах:

• трехвалентная, или окисленная — знакомая всем ржавчина, окрашивающая воду в бурый цвет и хлопьями оседающая на дне емкостей.

• двухвалентная, или растворенная — проявляется в виде осадка только после контакта воды с открытым воздухом. Также выявляется в связи с привкусом и запахом металла. Первоначально не заметно в прозрачной воде. Еще одним неприятным маркером растворенного железа является желтый налет на эмалированных поверхностях: ванне, раковине, унитазе и металлических — например, ржавчина внутри чайника на нагревательном элементе. Вроде бы из крана течет прозрачная вода, но при отстаивании и нагревании железо выпадает в осадок и портит бытовую технику и сантехнику.

Согласно нормам СанПин, допустимое содержание железа в питьевой воде — 0,3 мг на 1 литр. В данном случае имеется суммарное количество железа в обоих его состояниях. Если допустимая норма железа в питьевой воде повышена, это сразу понятно. Даже если еще не достигнута особенно опасная концентрация, полезного мало.

Плохо или хорошо его повышенное содержание в воде? Организму человека необходимо железо, и суточная норма варьируется в интервале 15-22 мг. Казалось бы, полезный элемент можно было бы получать из воды с повышенным содержанием железа и не беспокоиться о гемоглобине. Но такие строгие нормы СанПин ввел неслучайно: практически все нужное количество Ferrum организм получает из пищи: мяса, круп, овощей и фруктов с высоким содержанием необходимого элемента. Избыток железа, марганца и других примесей не только не усвоится, но и может навредить.

Много железа в воде — это сколько? 0,4 мг/л вряд ли можно отличить на вкус от нормы, а вот превышение в 10 раз — легко. К сожалению, это не предел, за городом можно встретить и 100-кратное превышение, вынуждающее устанавливать серьезные системы очистки или даже бурить новые скважины. Вред железа в воде не стоит недооценивать, ведь на кону, в первую очередь, здоровье. Итак, насколько вредна железистая вода?

Избыток железа в питьевой воде оказывает негативный эффект на организм человека. Все “лишнее” железо не может усвоиться и не выводится телом целиком. Ткани и внутренние органы аккумулируют металл и при достижении определенных концентраций начинают разрушаться.

Большое содержание металла может нанести вред различным системам организма. Избыток, как и недостаток железа, чреват заболеваниями и неприятными симптомами:

• поражением тканей (гемохроматоз),

• болезнями почек, печени, всего ЖКТ,

• вялостью, снижением иммунитета,

• сухостью кожи и ломкостью волос, аллергическими реакциями и пр.

Хром элемент VI группы периодической системы, имеет голубовато-белый оттенок, свое название получил от греческого слова «chroma», что означает цвет благодаря тому, что его соединения отличаются широким спектром оттенков. В соединениях хром проявляет степень окисления 2+, 3+, 6+ (наиболее характерные) среди которых наиболее устойчивые соединения хрома со степенью окисления 3+. Так же существуют соединения в которых хром проявляет степень окисления 1+, 4+, 5+.

Впервые этот металл был открыт в 1797 году французским исследователем Л.Н. Вокленом, который обнаружил его в минерале крокоите, однако его влияние на живые организмы начали изучать только после 1950х годов, когда два ученых Уолтер Мерц и Кеннет Шварц в результате опытов над крысами обнаружили у животных возрастающую непереносимость сахара при кормлении крыс продуктами с низким содержанием хрома.

Среднесуточная норма хрома для взрослого человека составляет 200-300 мкг, и человек едва ли может восполнить ее употребляя в пищу такие продукты как: рыба, говядина, дрожжи, ржаной хлеб, орехи, печень и пр. Это связано с низкой концентрацией хрома в перечисленных продуктах и низкой усвояемостью микроэлемента. Согласно нормам СанПин, допустимое содержание шестивалентного хрома в питьевой воде — 0,05 мг на 1 литр. Однако, на данный момент разработано множество добавок (самые эффективные из них на основе пиколината хрома и гистидина хрома) которые позволяют решать эти проблемы.

В организм человека хром может попадать через кожу, слизистые оболочки, легкие и вместе с пищей и водой (желудочно-кишечный тракт), однако некоторые его соединения всасываются легче и быстрее (это связано с их растворимостью и валентностью металла в них). Так Cr (VI) всасывается организмом лучше и быстрее, чем Cr (III), что связано с его высокой растворимостью при физиологических значениях pH.

Рассмотрим подробнее путь попадания этого микроэлемента в кровь. Попадание металла в кровь связано с белками-переносчиками, находящимися в эпителии тонкого кишечника и осуществляющими активный (энергозатратный) транспорт элемента. Если частицы хрома попадают в организм через легкие, то при выдыхании с потоком воздуха они попадают в ротовую полость, оттуда в желудочно-кишечный тракт и процесс происходит по вышеописанной схеме.

Попадая в кровь часть Cr (VI) связывается с эритроцитами, а также лейкоцитами и тромбоцитами и восстанавливается до Cr (III), Cr (III) в свою очередь образует прочный комплекс с гемоглобином (расположенном на поверхности клеток крови) и таким образом перемещается по организму. Оставшаяся (не связавшаяся) часть шестивалентного хрома выводится из организма через почки.

Мигрируя по организму в связанном состоянии хром откладывается в таких органах как: легкие, печень, поджелудочной железе и костном мозге т.к. обладает высоким сродством к этим тканям.

В тот момент, когда хром в организме появляется в избытке (это может быть связано с повышением его концентрации в окружающей среде, работа на вредных производствах, нарушении обменных процессов в организме, неправильное использование лекарственных средств и биологически активных добавок в состав которых входит хром, недостаток цинка и железа в организме) наблюдается противоположный эффект. Разберем какие негативные последствия могут нести высокие концентрации хрома поступающие в тело человека.

а. Угнетение активности или полная инактивация ферментов.

В высоких концентрациях хром может образовывать ковалентные связи с широким спектром молекул. Так, например, с белками хром может связываться с помощью гидрокси-, амино-, карбокси-, сульфгидрильных и других групп. В результате чего в молекулах белков (ферментов) происходят разрывы водородных связей, замещение металлов в лигандах, изменение конформации молекул что приводит к частичной или полной потере активности молекулы. Если такой белок находится на поверхности клеточной мембраны и выполняет транспортную функцию (регулирует поступление в клетку одних веществ и выведение из нее других), то включение в молекулу хрома может привести к нарушению процесса транспорта.

б. Мутации в генетическом материале.

Хром может взаимодействовать с лигандами нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот и в результате чего влиять на процесс транскрипции (считывания информации с имеющейся последовательности ДНК) и трансляции (синтез белка на имеющейся матрице РНК). В результате чего в клетках происходят мутации, что и объясняет канцерогенное действие хрома и возникновение различного рода новообразований.

в. Дерматиты, экземы, аллергические реакции.

Сам по себе хром не способен вызвать сильного иммунного ответа (он слишком мал), но образуя связи с другими макромолекулами (например, белками) он способен вызвать бурную иммунную реакцию.

Важно отметить, что при попадании на кожу белками эпидермиса связывается только трехвалентный хром, шестивалентный хром проникает через слой эпидермиса и лишь небольшая его часть окисляется до Cr(III) и связывается с белками рогового слоя кожи. В результате чего на поверхности кожного покрова образуются дерматиты, экземы, язвы и пр.

г. Ухудшение общего состояния микрофлоры в организме.

Микрофлора, находящаяся в симбиозе с человеческим организмом, активно участвует в процессе синтеза и распада как собственных, так и чужеродных соединений. И поступление высоких концентраций хрома негативно сказывается на ее состоянии в целом и может приводить к дисбиозу, диареи и прочим заболеваниям. Важно заметить, что токсический эффект шестивалентного хрома на микрофлору кишечника намного выше чем трехвалентного.

д. Заболевания печени.

Как было описано выше, Cr(VI) проникая в кровь, связывается с эритроцитами, мигрируя по всему организму. Высвобождение микроэлемента происходит в селезенке, где утилизируется гемоглобин. Образуя соединение с белком глобином, комплекс имеет свойство накапливаться в клетках печени – гепатоцитах, вызывая их повреждение, замедляя выделение желчи и вызывая патологические изменения в печени.

е. Заболевания легких.

Наиболее часто заболеваниям легких, бронхиальной астмы, подвергаются работники гальванических цехов, предприятий по производству красок, строительных материалов и пр.

Количественное определение катионов Сr⁶⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺ в воде.

Для анализа были взяты 3 образца воды:

1. Вода из-под крана, по адресу: улица Елецкая, д.12 корпус 3.

2. Вода из-под крана, ЖК «Римский».

3. Вода питьевая централизованного водоснабжения, г.Домодедово, пос. «Сиеста».

Определение катионов железа (Fe²⁺ и Fe³⁺)

Приборы и реактивы:

• Фотоколориметр КФК – 3.

• Мерные колбы емкостью 100 мл – 8 шт.

• Мерный стаканы, емкостью 150 мл – 8 шт.

• Пипетки градуированные на 1, 5 и 10 мл

• Дистиллированная вода

• Азотная кислота, 6N раствор.

• Роданид аммония (или роданид калия), 20% -ный раствор.

• Перманганат калия 0,1N раствор.

Проведение анализа исследуемого раствора

Аликвоту исследуемого раствора (50 мл), помещают в мерный стакан на 150 мл, добавляют 5 мл HNO3 6N. Полученный раствор ставят на плитку, доводят до кипения и кипятят в течение 5 минут. После снятия с плитки, к горячему раствору по каплям приливают перманганат калия, перемешивая до слабо-розового цвета (двухвалентное железо переходит в трехвалентное железо). После охлаждения раствора, отфильтровывают в мерный колбы на 100 мл на белой ленте, прибавляют 5 мл роданида калия, доводят объем дистиллированной водой до метки, перемешивают и измеряют оптическую плотность в кювете 50 мм при длине волны 440 нм. Параллельно делает холостая проба, в роли аликвоты используется дистиллированная вода.

Результаты вычисляем по следующей формуле:

X= x*100/V,

Где x-показания фотоколориметра

V-объем аликвоты.

Определение содержания катионов хрома (Сr⁶⁺)

Приборы и реактивы:

• Фотоколориметр КФК – 3.

• Мерные колбы емкостью 100 мл – 8 шт.

• Пипетки градуированные на 1, 5 и 10 мл

• Дистиллированная вода

• Серная кислота 1:1

• Фосфорная кислота концентрированная

• Дифенилкарбазид

Аликвоту исследуемого раствора (50 мл), помещают в мерную колбу на 100 мл, добавляют 1 мл серной кислоты 1:1 и 0,3 мл концентрированной фосфорной кислоты. Полученный раствор доводят дистиллированной водой до метки, добавляют 2 мл дифенилкарбазида. Через 5-10 минут измеряют оптическую плотность в кювете 30 мм при длине волны 540 нм. Параллельно делает холостая проба, в роли аликвоты используется дистиллированная вода.

Результаты вычисляем по следующей формуле:

X= x*100/V,

Где x-показания фотоколориметра

V-объем аликвоты.

Вывод

После проведения анализов можно сделать вывод, что показатели находятся в пределах ПДК, вода с взятых территорий пригодна к употреблению и не нанесет вреда здоровью. Больше всего железа содержится в образце воды, взятом на улице Елецкая, меньше всего - г.Домодедово. Хром был обнаружен в очень маленьких количествах, можно считать данные значения погрешностью и сделать вывод, что хрома во взятых образцах не обнаружено.

Список литературы

1. Физиологическое влияние хрома на организм человека[Электронный ресурс]: НПП Электрохимия – Режим доступа: https://zctc.ru/sections/vliyanie_hroma_na_organizm_cheloveka (дата обращения – 25.12.2025).

2. СанПиН 2.1.4.1074-01 Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения [Электронный ресурс]: Техэксперт – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/901798042 (дата обращения – 25.12.2025).

3. Железо-важнейший микроэлемент в организме человека [Электронный ресурс]: Витамины и минералы– Режим доступа: https://okvitamin.org/vitaminy-i-mineraly/zhelezo-dlya-organizma-cheloveka.html (дата обращения – 25.12.2025).

4. Роль воды в жизни человека [Электронный ресурс]: Replyon– Режим доступа https://replyon.net/151-rol-vody-v-zhizni-cheloveka.html (дата обращения – 25.12.2025).

5. Химический состав воды[Электронный ресурс]:Центр геологии– Режим доступа https://centrgeologiya.ru/analiz-vody/216-himicheskii-sostav-vodi.html (дата обращения – 25.12.2025).