IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Железо и его биологическое значение для организма подростка

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Соловьёва Э.С. 1

---

1МБОУ СОШ №14

Чайка Л.Н. 1

---

1МБОУ СОШ №26,

Работа в формате PDF

264.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность любой темы определяется, прежде всего, вопросом: каким образом, эта тема относится к здоровью человека (в нашем случае подростка) и его жизни? Микроэлемент железо в организме подростка играет значительную роль. Важность проблемы дефицита железа в организме подростка обусловлена тем, что снижение работоспособности, задержка умственного и психического развития организма ставит его в состояние невозможного нормального функционирования.

Элемент железо (Fe), является одним из самых важных металлов, с которым неразрывно связана история нашей цивилизации. А в таблице Менделеева нет металла, подобного Fe, применение и использование которого настолько значимо для человека. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Кроме того, учитывая, что железо это кроветворный элемент, который входит в состав крови, мы можем предположить, что знания, полученные в процессе исследования, сможем применить в жизни. В связи с возникшими вопросами сформулирована тема исследовательской работы: «Железо и его биологическое значение для подростка»

Цель: исследовать элемент железо и его биологическую роль в жизнедеятельности подростка.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Проанализировать литературу, документы, материалы интернет ресурсов, изучающие железо и его биологическую роль в жизни подростка.

2. Изучить общие сведения железа как химического элемента, его свойства и биологическую роль.

3. Подобрать методики по определению содержания ионов железа в некоторых продуктах, провести опыты, составить таблицы, характеризующие относительное содержание железа в исследуемых продуктах питания.

4. Провести тестирование дефицита железа у подростков и составить пакет рекомендаций о применении полезных железосодержащих продуктов.

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования: теоретический метод исследования – обзор источников; практические методы: качественная реакция на определение ионов железа; тестирование; описание; систематизация материала.

Объект исследования – железо.

Предмет исследования – свойства железа и его биологическая роль.

Обзор литературы

По документам и научно-литературным источникам, изучающим свойства железа и его биологическую роль стало понятно, что спорить с тезисом: «в мире железо играет важную роль», нет смысла. Так как информация о железе имеется в источниках разных направлений: от литературы, истории, археологии и медицинских трактатов до химии, физики и других. Уже из учебников истории нам известно: древнейшие изделия, из железа найденные при археологических раскопках датируются примерно IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Изделия из железа того времени это наконечники для стрел и украшения. Человек начал использовать железо еще в доисторической эпохе, скорее всего с тех пор, когда ему в руки попало железо метеоритного происхождения, точнее, сплав железа и никеля, из которого состоят метеориты. В древности его так и называли сидерит, что означает звёздный. Сидерит – это название природного карбоната железа, которое происходит от лат. Sidereus. Кроме того, мы узнали, что есть несколько версий происхождения славянского слова «железо». Одна из версий связывает это слово с санскритским «жальжа», что означает «металл, руда». По другой версии в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия). Также отмечаются использование железа при выплавке и изготовлении орудий и инструментов в 1200 году до нашей эры. Уже в первом тысячелетии до нашей эры использовалось кованое железо. Латинское название Ferrum происходит от fars, что значит быть твёрдым. [7]

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов. [7]

Железо с древнего времени использовалось в качестве лекарства: в папирусах Египта ржавчина предписывалась в качестве мази от облысения. В XVII веке стали применять железо для лечения болезни хлороз, что следствием его дефицита. Уже в прошлые века установлено, что железо для жизнедеятельности организма является одним из наиболее важных биоэлементов и участвует в транспортировке газов кровью.

Проблему воздействия недостатка железа или железодефицитной анемии у подростков рассматривают многие научные деятели, как в нашей стране, так и за рубежом. Российский научный деятель, к.м.н., доцент кафедры госпитальной педиатрии №1, ГБОУ ВПО РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава РФ, г. Москва, А.С. Боткина, врач высшей категории, в журнале «ПРАКТИКА ПЕДИАТРА», описывает исследования железодефицитной анемии у подростков.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы: основной теоретический метод – обзор и анализ литературы, документов, материалов интернет ресурсов, текстов по изучаемой теме с использованием интегративного подхода, с привлечением знаний, накопленных в разных науках (химии, биологии, истории медицыны и других); обобщение, конспектирование. Практические методы: опыты, тестирование, обобщение результатов.

Основная часть

Общие сведения о железе как химическом элементе. Проанализировав знания о железе, полученные на уроках химии и дополнив их новой информацией из Википедии и интернет-источников, мы имеем возможность обобщить их. Таким образом, можем констатировать: железо – это химический элемент, который встречается в природе. Это металл 4-го периода, VIII группы побочной подгруппы. Атомный номер 26 в Периодической Системе Химических Элементов, (в таблице Д.И. Менделеева), обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Строение атома железа представлено на (рис. 2).

Железо или Ferrum – это блестящий, серебристо-белый, мягкий (ковкий) металл, который растворяется в разбавленных кислотах. Металл железо во влажном воздухе покрывается ржавчиной, которая не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂O₃·хH₂O. Входит в состав сотен минералов, встречается и в виде самородного железа. Занимает первое место по важности для человека. В промышленности всего мира железо широко применяется в виде различных видов сталей и сплавов. По данным спектрального анализа много железа находится в небесных телах. В природе Fe – один из самых распространенных элементов. На Земле железные руды распространены довольно широко. Названия уральских гор говорят за себя сами: Железная, Магнитная. [7]

В настоящее время мы можем говорить о железе как об одном из наиболее распространенных веществ, как на Земле, так и во Вселенной. Анализируя информацию о составе Земли в источниках по геологии имеем, что земная кора почти на 5%, а ядро на 90% состоит из железа. Из минералов наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃), магнитный железняк (магнетит, Fe₃O₄), бурый железняк или лимонит (FeOOH и FeOOH·nH₂O). Пирит FeS₂ (серный или железный колчедан) используется в производстве серной кислоты. Наиболее распространённым промышленным 
способом получения железа является доменный процесс, в основе которого восстановление оксидом углерода(II): Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂↑. Используется также прямой способ получения железа, в котором железные окатыши при 1000oС восстанавливают водородом, получаемым при конверсии метана: Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O↑.

Химические свойства:

Железо относится к металлам средней активности, в ряду напряжений стоит до водорода и растворяется во многих кислотах, но концентрированной серной и азотной кислотами пассивируется и на холоду с ними не реагирует. Раскаленное железо реагирует с водяным паром: 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑ (раньше так получали водород для наполнения аэростатов).
При нагревании железо реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. Наиболее характерными для железа являются 
степени окисления +2 и +3, известны также соединения, где железо имеет степень окисления +6.

Важные соединения: Степень окисления +2 - основный оксид FeO (чёрный), гидроксид Fe(OH)₂ (зеленый). Соли железа(II) (бледно-зеленого цвета), образуют кристаллогидраты (напр. железный купорос, FeSO₄*7H₂O), легко окисляются кислородом до соединений железа(III).

Степень окисления +3 - наиболее устойчивая степень окисления железа, ей соответствуют: оксид Fe₂O₃ и гидроксид Fe(OH)₃ (оба - коричневого цвета).

 Для железа в степени окисления +2 и +3 характерно образование многочисленных комплексных соединений, например, таких как гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] («желтая кровяная соль») и гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] («красная кровяная соль»). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)6]^4- выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата(II) калия-железа(III) (берлинская лазурь): FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆]↓ + 3KCl. Это качественная реакция для обнаружения ионов Fe³⁺. Аналогичная реакция используется для открытия ионов железа (II): FeCl₂ + K₃[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆]↓ + 2KCl; («турнбулева синь»).

Биологическая роль железа. Железо является одним из основных микроэлементов во всех живых организмах, поэтому довольно сложно переоценить его роль и значение для организма подростка. Из микроэлементов участвующих в регуляции обменных процессов организма человека, железо – это один из значимых, так как он принимает участие в таких процессах как тканевое дыхание, имеет влияние на иммунную систему, входят в состав белков и ферментов. Потребность в железе в организме подростка определяется его затратами в процессе жизнедеятельности. Для более точного исследования данной проблемы, мы проанализировали информацию потребности в железе в двух странах: России и США. Проанализированы две таблицы из нижеследующих источников: 1. «Рекомендованное потребление железа» по данным Национальной академии медицины США, из источника: Creative Commons Attribution-ShareAlike.; [6] 2. «Суточная потребность в железе для детей и подростков в РФ», представленную к.м.н., врачом высшей категории, А.С. Боткиной, в журнале «ПРАКТИКА ПЕДИАТРА». [1] Анализируя данные таблицы, приходим к выводу, что в зависимости от возраста и пола, потребность организма подросткового и юношеского возрастов в железе зависит от различных факторов. Мы выбрали из двух таблиц, информация о которых представлена выше, интересующую нас возрастную категорию 10 – 17 лет и объединили (табл. 1).

Таблица 1.

Суточная потребность в железе для подросткового и юношеского возрастов

Потребность организма подросткового и юношеского возрастов в железе колеблется в России: на килограмм веса в диапазоне от 1,1 до 2,4 мг/кг/сут.; Железо мг/сутки в диапазоне от 12 до 18 мг/сут. В США колеблется: Железо мг/сутки в диапазоне от 8 до 15 мг/сут.

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов.

Причины и факторы, указывающие на дефицит железа в организме, а также симптомы, которыми проявляется дефицит железа, проанализированы, выделены и указаны в (табл. 2).

Таблица 2.

Причины, факторы и симптомы, указывающие на дефицит железа в организме.

В соответствии с вышеперечисленными факторами можно выделить группы риска по развитию железодефицитной анемии, когда дефицит Fe возникает чаще, а последствия для организма подростка более значимы:

дети в период бурного роста (период пубертата);

девушки в период становления менструальной функции;

вегетарианцы;

спортсмены;

подростки с хроническими заболеваниями.

По данным доктора А.С. Боткиной: «Особую группу риска составляют подростки с хроническими заболеваниями, такими как заболевания желудка и двенадцатиперстной кишки, в том числе ассоциированные с Н. pylori, повторные кишечные инфекции, лямблиоз, глистные инвазии, воспалительные заболевания кишечника, инфекционные заболевания (туберкулез, бруцеллез, микоз и пр.), атрансферринемия, коллагенозы». [1, с.3]

Так как подростки входят в группу риска по развитию железодефицитных состояний по целому ряду причин, рассмотренных в предыдущем параграфе, мы можем предположить, что значимой и важной задачей является разработка новых программ выявления железодефицитных состояний у подростков с целью своевременной диагностики. (Данный тест не является медицинским исследованием. Результаты тестирования помогут лишь выявить, всё ли в организме в порядке с железом.)

Мы разработали тест «Порядок ли у вас в организме с железом», состоящий из шести вопросов, на которые нужно ответить однозначно: да или нет. Прил.1. В тестировании приняли участие 14 учащихся 8-го класса. Данные тестирования занесены в таблицу (табл. 2.)

Таблица 2. Данные теста «Порядок ли у вас в организме с железом»

В процессе исследования выяснено, что при недостатке железа в организме развивается заболевание железодефицитная анемия. С помощью теста «Порядок ли у вас в организме с железом», проведена примерная оценка обеспеченности организма подростков железом.

По результатам тестирования составлена диаграмма 1. По диаграмме мы имеем возможность определить насколько в порядке с железом в организме у тестируемых.

Диаграмма 1. Результаты теста «Порядок ли у вас в организме с железом»

Результаты тестирования:

У троих человек абсолютно отсутствуют признаки дефицита железа в организме (21,5%).

Четверо учащихся имеют признаки недостатка железа в организме (28,5%).

У семи человек имеются не явные признаки недостатка железа в организме (50%).

Четверым учащимся нужно рекомендовать обратиться к врачу с целью выяснения % гемоглобина в крови.

Необходимо обогатить рацион подростков продуктами – основными источниками железа, при этом имеет значение не только количество железа в конкретном продукте, но и степень его всасывания, и возможность усвоения организмом.

Некоторые вещества и пищевые продукты влияют на усвоения железа в организме подростка (табл. 3)

Таблица 3. Факторы, влияющие на эффективность усвоения железа

Ситуации переизбытка железа в организме наблюдается при:

нарушении обмена железа;

избыточном употреблении продуктов, содержащих железо, а также воды с чрезмерным содержанием этого элемента;

патологиях печени и селезенки;

генетическом заболевании под названием гемохроматоз.

6. Результаты и обсуждение

Элемент железо (Fe), является одним из самых важных металлов, с которым неразрывно связана история нашей цивилизации. Микроэлемент железо в организме подростка играет значительную роль. Важность проблемы дефицита железа в организме подростка обусловлена тем, что снижение работоспособности, задержка умственного и психического развития организма ставит его в состояние невозможного нормального функционирования. Питание помогает поддерживать нормальный баланс железа в организме после лечения. Однако когда анемия уже развилась, ее нельзя вылечить только диетой: железодефицитная анемия лечится препаратами железа.

Рекомендации о применении железосодержащих продуктов:

Мясо, особенно красное (телятина, говядина, баранина), является лучшим источником гемового железа, из него усваивается 20–25% железа. Железо из курицы и свинины усваиваются в меньшей степени. А в печени и рыбе железо содержится в виде ферритина и гемосидерина, поэтому усваивается еще хуже.

Негемовое железо (овощи, фрукты, орехи) усваивается плохо (1–5%), причем на его усвоение влияет много факторов, которые могут как улучшать, так и ухудшать его всасывание. Так, усиливают всасывание железа: витамин С (особенно много в цитрусовых), соляная кислота (содержится в желудочном соке), фруктоза (фрукты, мед). Ухудшают всасывание железа: препараты, снижающие кислотность желудочного сока (антисекреторные препараты, антациды), кальций (много в молочных продуктах), оксалаты (шпинат, капуста, свекла, орехи, шоколад, чай и пр.), полифенолы (какао, кофе, черный и некоторые виды травяного чая), фитиновая кислота (грецкие орехи, миндаль, бобовые, отруби) [4].

Выводы:

1. В ходе работы проанализирована литература, документы, материалы интернет ресурсов, которые связаны с изучением железа, не только как химического элемента, но и его биологической роли в жизни подростка.

2. Изучены общие сведения о железе как химическом элементе, его свойствах и биологической роли.

3. Проведены опыты на определение ионов железа в некоторых химических веществах и яблоках, составлены таблицы, характеризующие относительное содержание железа в некоторых продуктах питания.

4. Составлены рекомендации о применении полезных для подростка железосодержащих продуктов.

Список литературы

Боткина А.С. Железодефицитная анемия у подростков. // Практика педиатра, М.,2015, № 3, с. 6-7.

Городецкий В.В., Годулян О.В. Железодефицитные состояния и железодефицитная анемия: лечение и диагностика (метод. рекомендации). М., 2006, с. 25.

Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. – 4-е изд., стер., М.: Химия, 2000, с. 529.

Тарасова И.С., Чернов В.М. Новые направления в диагностике, лечении и профилактике железодефицитных состояний // Современная педиатрия, М., 2012, № 2, с. 18–24.

Химическая энциклопедия: в 5 тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.)., М.: Советская энциклопедия, 1990. Т. 2., С. 140. 671 с.

https://wikimediafoundation.org/Текстдоступенполицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike (дата обращения: 05.02.2020);

https://ru.wikipedia.org/wiki. Свободнаяэнциклопедия (датаобращения: 02.02.2020).