V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование содержания ионов Fe (III) в разных сортах яблок
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Железо не зря входит в перечень жизненно важных микроэлементов: в нашем организме его очень мало, но без него невозможно было бы осуществление многих функций. Без железа наши клетки остались бы без кислорода, а организм – со сниженным иммунитетом. Кроме того, железо входит в состав антиокислительных ферментов, которые оберегают клетки от разрушительного действия продуктов окисления. Без железа не могут полноценно работать щитовидная железа и центральная нервная система.
Детскому организму железо необходимо не только для кроветворения, но и для формирования растущих тканей, поэтому у детей потребность в железе больше, чем у взрослых. В нашей стране около 50-60% детей дошкольного возраста и треть школьников страдают от недостатка железа.
Одна из основных причин дефицита железа у детей - это, конечно, неправильное питание. Частично пополнить дефицит железа возможно за счет фруктов, но в каких железа содержится больше?
Яблоки – самые доступные фрукты для миллионов людей, они широко распространены, недорого стоят в любое время года и хорошо хранятся.
Гипотеза: мы предполагаем, что яблоки содержат достаточное количество железа для удовлетворения суточной потребности детского организма.
Цель работы: определить содержание ионов железа (III) в разных сортах яблок.
Задачи:
Выяснить значение железа для организма человека.
Выяснить влияние недостатка железа на здоровье человека.
Изучить методы определения ионов Fe (III).
Определить содержание ионов Fe (III) в разных сортах яблок.
Объект исследования – яблоки разных сортов.
Предмет исследования - содержание железа в разных сортах яблок.
Этапы деятельности по проекту: анализ различных источников информации на заданную тему, обобщение информации, планирование экспериментальной деятельности, проведение экспериментов, обобщение результатов экспериментальной деятельности, анализ экспериментальных данных, выводы.
Методы исследования:
Метод – это способ достижения цели и задач исследования.
Эмпирические: наблюдение, эксперимент, моделирование.
Теоретические: анализ и сравнение, обобщение, классификация.
Математические: измерения, метод визуализации данных, моделирование.
Основная часть
Глава 1. Теоретическое обоснование проблемы
1.1. Значение железа для организма человека
Железо является незаменимым микроэлементом, играющим важную роль в функционировании клеток многих систем организма. Биологическое значение железа определяется его способностью обратимо окисляться и восстанавливаться. Это свойство обеспечивает участие железа в процессах тканевого дыхания.
Несмотря на малое содержание железа в организме человека (3-5 г), по своей значимости оно является уникальным микроэлементом. Железо входит в состав гемоглобина крови, участвует в переносе кислорода от легких ко всем тканям, органам и системам органов нашего организма. А без кислорода человек не может прожить и нескольких минут. Это связано с тем, что жизнедеятельность всех живых клеток невозможна без постоянного получения энергии, выработку которой обеспечивают протекающие в них сложные биохимические реакции, идущие с участием кислорода. Непосредственную доставку кислорода к каждой клетке осуществляет входящее в состав эритроцитов крови белковое соединение гемоглобин.
Впервые гемоглобин был обнаружен в 1839 году немецким исследователем Р. Хюнефельдом в составе красных кровяных телец - эритроцитов. Гемоглобин состоит из двух частей: крупной белковой молекулы - глобина и встроенной в нее небелковой структуры - гема, в сердцевине которого и находится ион железа. Это железо легко вступает в связь с кислородом и именно соединение кислорода с железом окрашивает кровь в красный цвет. Кислород - это окислитель. Ион железа молекулу кислорода переносит к месту окисления.
Атом железа гема способен присоединять и отдавать молекулу кислорода. При этом валентность железа не меняется, т. е. он остается двухвалентным. За это свойство английский физиолог, один из основателей науки о дыхании Дж. Баркрофт, назвал гемоглобин "самым удивительным веществом в мире". Кроме того, гемоглобин выполняет и другую очень важную функцию - выведение с места окисления углекислого газа. И если кислород вводится в клетку гемом, то углекислоту оттуда "выносит" глобин.
Итак, какую роль играет в нашем организме микроэлемент железо? Огромную. Во-первых, с его помощью вырабатывается гемоглобин, который позволяет эритроцитам питать все клетки организма кислородом. Также железо в сочетании с фолиевой кислотой, содержащейся в яблоках, активизирует процесс кроветворения, поэтому данные фрукты – это лучшее профилактическое средство от малокровия, лейкозов. Во-вторых, выводят радиоактивные вещества, снижают количество холестерина, и минимизируют вред от курения. Более того, плоды яблони обладают регенерирующим эффектом. Если приложить мелко измельченную кашицу из яблок на область ссадины или пореза, то кожа начнет быстро заживать.
1.2 Влияние недостатка железа на здоровье человека.
В организме взрослого человека содержится около 3 - 5 грамм железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках.
При недостатке железа в организме человека уменьшается в крови количество гемоглобина и красных кровяных телец – эритроцитов, развивается заболевание – анемия. У детей задерживается рост и умственное развитие. Взрослые ощущают постоянную усталость, слабость, головокружения, головную боль. Снижается память и концентрация внимания, начинаются проблемы с кожей и слизистыми, уязвимыми становятся полость рта, желудочно-кишечный тракт и дыхательных пути, что может быть одной из причин дерматитов, экзем, ринитов, гастритов и т. п.
Причиной дефицита железа является несбалансированное питание, кровопотери, гормональные нарушения, хронический гастрит с пониженной кислотообразующей функцией, дисбактериоз.
Считается, что оптимальная интенсивность поступления железа составляет 10-20 мг/сутки. Дефицит железа может развиться, если поступление этого элемента в организм будет менее 1 мг/сутки. Порог токсичности железа для человека составляет 200 мг/сутки.
Суточная потребность человека в железе следующая: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 - 38 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин.
Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс).
1.4. Методы определения ионов Fe (III):
1.4.1. Колориметрия
Колориметрический метод – это один из возможных способов количественных определений присутствия в растворах различных веществ, способных либо давать окрашенные растворы, либо посредством каких-либо реакций превращаться в растворах в окрашенные соединения.
В основе колориметрического метода лежит фотометрическое сравнение густоты окраски изучаемых растворов, исследуемых в пропущенном свете, с окраской нормальных растворов, в которых наблюдаемое красящее вещество присутствует в известных количествах (вариант – с окраской эмпирически подобранной и принимаемой за норму некой окрашенной середины).
Колориметрией называют методы анализа, основанные на измерении поглощения света окрашенными растворами в видимой части спектра.
Стандартным или образцовым раствором называют растворы с точной концентрацией, применяемые для сравнения с исследуемым раствором.
В колориметрии используют химические реагенты, которые образуют окрашенные соединения с определяемым веществом. Сравнивая полученную окраску с окраской стандартного раствора: того же вещества, определяют содержание окрашенного вещества в исследуемом растворе.
Интенсивность окраски раствора находится в прямой зависимости от концентрации растворенного окрашенного вещества и от толщины рассматриваемого слоя раствора. Эта зависимость выражается основным законом колориметрии - законом Бугера -- Ламберта--Бера:
D = ε ∙ c ∙ ℓ,
где ε - молярный коэффициент поглощения (л/(моль ∙ см)), значение которого зависит от природы вещества, растворителя и длины волны излучения,
с - концентрация окрашенного вещества (моль/л),
ℓ - толщина поглощающего слоя (см).
Если пучок лучей белого света пропустить через стеклянную кювету, наполненную окрашенным прозрачным раствором, то интенсивность света будет ослабевать в результате отражения на границах фаз (воздух-стекло, стекло-жидкость), рассеивания от неизбежно присутствующих в растворе взвешенных частиц и главным образом в результате поглощения лучистой энергии окрашенными частицами. Поэтому интенсивность излучения, прошедшего через кювету с окрашенным раствором и попадающего на сетчатку глаза человека или на чувствительный физический прибор (фотоэлемент), будет меньше интенсивности пучка света, входящего в кювету.
Степень поглощения окрашенными растворами волн падающего света различной длины неодинакова. Поглощение лучистой энергии раствором в видимой и ультрафиолетовой областях спектра избирательно и зависит от свойства поглощающих молекул или ионов.
1.4.2. Фотоколориметрия
Более объективна оценка интенсивности окраски фотоэлектрическими методами посредством фотоэлектроколориметров.
В фотоколориметре интенсивность окраски определяют с помощью фотоэлемента, т. е. слоя полупроводника (селен, сульфид серебра и др.), нанесенного на металлическую пластинку, фотоэлемент преобразует световую энергию в электрическую. Световой поток, попадая на фотоэлемент, возбуждает в нем электрический ток. Возникающий в фотоэлементе ток регистрируется включенным в цепь чувствительным гальванометром, отклонение стрелки которого пропорционально освещенности фотоэлемента.
Для работы использовали фотоколориметр КФК-3-01. Он предназначен для измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности прозрачных жидкостных растворов и скорости ее изменения, а также для определения концентрации растворов. Измерения можно проводить в широком спектральном диапазоне от 315 до 990 нм.
Определение оптической плотности.
Для определения концентрации вещества измеряют оптическую плотность исследуемого раствора (D, иc) и стандартного раствора (DCT). При массовых фотоколориметрических анализах для определения концентрации исследуемого раствора пользуются градуировочным графиком, который служит для графического нахождения концентрации исследуемого раствора по его оптической плотности.
Построение градуировочного графика проводят следующим образом. Приготовляют ряд стандартных растворов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных изменений концентраций этого вещества в исследуемом растворе.
Наливают из бюретки в мерные колбы вместимостью 100 мл различные точно измеренные объемы стандартного раствора, и к каждой порции добавляют соответствующие реактивы, вызывающие окраску анализируемого раствора до метки.
По оптической плотности всех растворов строят градуировочный график, откладывая на оси абсцисс значения концентраций стандартных растворов, на оси ординат - значения их оптических плотностей. Найденные точки соединяют одной линией.
Определение оптической плотности приготовленных стандартных растворов начинают со слабоокрашенного раствора. Раствор вливают в кювету, устанавливают ее в отверстие фотоколориметра и определяют показание прибора в сравнении с холостым опытом. Результаты измерений заносят в таблицу.
Глава 2. Практическое обоснование проблемы
2.1. Определение содержания ионов Fe(III) в разных сортах яблок
Содержание ионов железа (III) я определяла в следующих сортах яблок: «Голден», «Медовые», «Гала», «Айдаред», «Семеренко».
Приготовление раствора железа 1 г/дм3
Приготовление стандартного раствора железа с массовой концентрацией 1 г/дм3 проводят растворением карбонильного железа в хлороводородной кислоте, а раствор железа (II) с концентрацией 20мкг/см3 готовят из основного раствора. Для этого 10 см3 основного раствора переносят в мерную колбу вместимостью 500 см3 и объем доводят до метки 0,01М раствором серной кислоты.
Построение градуировочного графика
В мерные колбы вместимостью 50 см3 вносят 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 см3 раствора железа (20 мкг/мл), 10 см3 солянокислого раствора гидрохлорида гидроксиламина и 1 см3 раствора ортофенантролина, 10 см3 раствора ацетата аммония и оставляют на 15 минут, затем объем доводят до метки водой и измеряют оптическую плотность растворов по отношению к контрольному раствору. Контрольный раствор готовят так же, но без добавления раствора железа.
Оптическую плотность измеряют на спектрофотометре Юнико 2100. Далее строят на миллиметровой бумаге график зависимости ∆А = f (МFe), где ∆А – величина, равная разности светопоглощения между исследуемым и контрольным растворами.
Таблица 1. Значение оптической плотности растворов железа (III)
|
Объем, мл |
m(Fe), мкг/мл |
Оптическая плотность |
|
0 |
0 |
0 |
|
0,5 |
10 |
0,082 |
|
1 |
20 |
0,168 |
|
2 |
40 |
0,332 |
|
3 |
60 |
0,513 |
|
4 |
80 |
0,654 |
|
5 |
100 |
0,839 |
|
6 |
120 |
0,990 |
Градуировочный график.
Зависимость оптической плотности от концентрации железа
Ход эксперимента
Очистить яблоки от кожуры и натереть на терке небольшое количество;
Взвесить примерно 5 – 5,5 грамм
Навеску помещаем в колбу, добавляем 5 мл HNO3, 40 мл Н2О через 10 минут фильтруем;
Измеряем оптическую плотность в спектрофотометре
Находим массу железа с помощью градуировочного графика.
Обработка результатов эксперимента.
Массовую концентрацию железа (мкг) в одном грамме продукта вычисляем по формуле: C = m / n,
где m – масса железа, найденная по градуировочному графику, мкг;
n – масса навески
Таблица 2. Содержание железа(III) в яблоках.
|
№ пробы |
Сорт яблок |
Масса навески, грамм |
Значение оптической плотности |
Значение m(Fe), мкг по графику |
m(Fe) мкг в 1гр продукт |
m(Fe), мг в 100гр продукт |
|
1 |
Голден |
5,4004 |
0,691 |
79 |
14,651 |
1,4651 |
|
2 |
Медовые |
5,1540 |
0,523 |
60 |
11,650 |
1,1650 |
|
3 |
Гала |
5,0670 |
0,441 |
51 |
10,065 |
1,0065 |
|
4 |
Айдаред |
5,3920 |
0,652 |
76 |
14,0950 |
1,4095 |
|
5 |
Семеренко |
5,4230 |
0,741 |
85 |
15,6740 |
1,5674 |
Диаграмма. Содержание железа(III) в яблоках, мг/100гр
Из экспериментальных данных видно, что наиболее богаты железом яблоки сорта «Семеренко», «Голден» и «Айдаред», меньше всего железа содержится в яблоках сорта «Гала».
Заключение
Работая над темой проекта, я выяснила, что железо играет важную роль для организма человека. Одним из источников соединений железа являются яблоки, которые любят все дети без исключения.
Яблоки – самые доступные фрукты для миллионов людей, они широко распространены, недорого стоят в любое время года и хорошо хранятся. В сочных плодах присутствует практически вся группа витаминов, они богаты макро- и микроэлементами. Поэтому яблоки по праву считают ценным витаминно-минеральным комплексом, их справедливо считают хорошим помощником при анемиях у детей, взрослых и особенно у беременных женщин. Конечно железа в яблоках намного меньше, чем в печени, мясе, но железо, содержащееся в яблоках обладает высокой биологической усваиваемостью, т. е. почти все используется организмом.
Изучая различные источники информации, я узнала, что колориметрический метод - это довольно точный и быстрый метод определения концентрации вещества. С его помощью я определила содержание железа(III) в яблоках сорта «Голден», «Медовые», «Гала», «Айдаред», «Семеренко».
Мною было установлено, что больше ионов железа(III) содержится в яблоках сорта «Семеренко», «Голден» и «Айдаред», меньше в яблоках сорта «Гала», поэтому мы можем рекомендовать обучающимся нашей школы яблоки сорта «Семеренко», «Голден» и «Айдаред». Экспериментальные данные показали, что яблоки содержат достаточное количество ионов железа, что подтверждает нашу гипотезу.
У всех моих знакомых и у нас в том числе есть сад, где растут смородина, крыжовник, клубника, черноплодная рябина, слива, груша, яблоня и другие культуры. Мне стало интересно узнать сколько железа содержится в ягодах и фруктах, выращенных на приусадебном участке? Поэтому я решила продолжить работу над темой проекта, планирую:
Определить содержание ионов железа(III) в ягодах и фруктах, выращенных на нашем приусадебном участке;
Составить рекомендации для школьной столовой по организации детского питания с целью профилактики железодефицитной анемии у обучающихся нашей школы.
Список литературы
Глубоков Ю.М., Головачёва В.А., Ефимова Ю.А. и др. Аналитическая химия. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.
Егоров А.С., Иванченко Н.М,, Шацкая К.П. Химия внутри нас. Ростов-на-Дону, издательство «Феникс», 2004г., с.80-82
Марченко Н.П. Фотометрическое определение элементов. – М.: Наука. 2001
Оптические методы анализа. Фотометрический анализ: Метод. указания к лабораторным работам для студентов биол. хим. фак. специальности 2018. - Красноярск: изд. КГУ, 19с.
Интернет ресурсы:
http://fb.ru/article/158077/est-li-v-yablokah-jelezo-i-skolko
http://www.azbukadiet.ru/2012/08/13/zhelezo-v-produktax-pitaniya.html
http://ndb.nal.usda.gov/ndb/foods/show/2
Приложение
Ход эксперимента
16