Химические свойства и биологическая роль цинка

       Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

       «БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УИНВЕРСИТЕТ»

       Реферат на тему:

                                                       Белгород  2011 год

       Содержание

       Введение…………………………………………………………………………………………………………..3

       Глава 1. Химические свойства Zn и область его применения……………………..…4

                 1.10. История……………………………………………………………………………………..….4

                  1.11. Происхождение названия Zn …………………………………………………..…..4

                  1.12. Нахождение в природе  Zn ……………………………………………………..…….4

                         1.13. Месторождения Zn ………………………………………………………………………5

                  1.14. Химические свойства Zn ………………….…………………………………………….5

                   1.15. Физические свойства Zn……………………………………………………………….6

                  1.16. Соединения Zn…………………………………………………………………………..….6

                1.17. Получение Zn………………………………………………………………..……………….7               

                1.18.Применение Zn……………………………………………………………………………….8

                1.19.На разные применения Zn приходится…………………………………..……..10

                1.20.Мировое производство ………………………………………………………………...10

                1.21.Содержание в продуктах питания……………………………………………..….10

                  1.22.Токсичность……………………………………………………………………………..……11

       Глава 2.Биологическая роль цинка ……………………..…….………………………………….13

                   2.1.Zn и здоровье человека…………………………………………………………….…..14

                   2.2.Такой необходимый Zn…………………………………………………………………17

                   2.3. Реакция организма на недостаток Zn ………………………………………...18

                   2.4   Реакция организма избыток цинка Zn …………………………………….…19

                  2.5.Знаете ли вы, что............................................................................19

       Заключение …………………………………………………………………………………………………..21

             Список используемой литературы………………………………………………………………..23 

                                                              Введение

       Существенные  изменения, происшедшие в сознании людей, в связи с изменением форм собственности на средства производства и услуг, заставили современного человека по-новому подойти к вопросам питания в семье и на производстве.

       Значение  пищи для здоровья человека известно всем, однако она должна содержать  целый комплекс минеральных веществ  и витаминов, так необходимых  для оптимального развития и поддержания  функциональной деятельности организма.

            Современное отношение людей к жизни привело нашу цивилизацию лишь к потребительскому отношению во всём и заставило жить одним сегодняшним днём, думая, будто завтра никогда не наступит. А ведь  здоровье не вечно… Международная группа врачей, психологов и диетологов разработала «десять заповедей», следуя которым мы сумеем несколько продлить нашу жизнь. Вторая заповедь называется так: «Меню должно соответствовать возрасту». Но не всегда мы следим за своим рационом питания, а ведь это очень важно для хорошего здоровья человека.

       Именно  эти проблемы и определили актуальность темы реферата: «Химические свойства и биологическая роль цинка».

       Цель  работы: изучить химические свойства и биологическую роль цинка. 
 
 
 
 
 
 
 

       Глава 1.Химические свойства цинка и область его применения

                                                1.10.История

       Сплав цинка с медью — латунь —  был известен ещё в Древней  Греции, Древнем Египте, Индии (VII в.), Китае (XI в.). Долгое время не удавалось  выделить чистый цинк. В 1746 А. С. Маргграф разработал способ получения чистого цинка путём прокаливания смеси его окиси с углём без доступа воздуха в глиняных огнеупорных ретортах с последующей конденсацией паров цинка в холодильниках. В промышленном масштабе выплавка цинка началась в XVII в.

                                  1.11.Происхождение названия

       Слово «цинк» впервые встречается в  трудах Парацельса, который назвал этот металл словом «zincum» или «zinken» в книге Liber Mineralium II. Zinke, означающее «зубец» (кристаллы металлического цинка похожи на иглы).

                                    1.12.Нахождение в природе 

       Наиболее  распространенный минерал цинка  — сфалерит, или цинковая обманка. Основной компонент минерала — сульфид  цинка ZnS, а разнообразные примеси  придают этому веществу всевозможные цвета. Видимо, за это минерал и называют обманкой. Цинковую обманку считают первичным минералом, из которого образовались другие минералы элемента № 30: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO, каламин 2ZnO · SiO2 · Н2O. На Алтае нередко можно встретить полосатую «бурундучную» руду — смесь цинковой обманки и бурого шпата. Кусок такой руды издали действительно похож на затаившегося полосатого зверька.

       Среднее содержание цинка в земной коре (кларк) — 8,3×10-3% по массе, в основных изверженных  породах его несколько больше (1,3×10-2%), чем в кислых (6×10-3%). Известно 66 минералов цинка, важнейшие из них — цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франк-линит ZnFe2O4. Цинк — энергичный водный мигрант, особенно характерна его миграция в термальных водах вместе со свинцом. Из этих вод осаждаются сульфиды цинка, имеющие важное промышленное значение. Цинк также энергично мигрирует в поверхностных и подземных водах, главным осадителем для него является H2S, меньшую роль играет сорбция глинами и другие процессы. Цинк — важный биогенный элемент, в живом веществе содержится в среднем 5×10-4% цинка, но имеются и организмы-концентраторы (например, некоторые фиалки).

                                               1.13. Месторождения

       Месторождения цинка известны в Австралии, Боливии.

       Цинк (Zinkum) Zn — элемент II группы 4-го периода  периодич. сис-темы Д. И. Менделеева, п. н. 30, атомная масса 65,37. Известен с  древности. Главный минерал —  сфалерит (цинковая обманка) ZnS. Цинк—  синевато-белый металл, на воздухе  покрывается плотной защитной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления. В соединениях проявляет валентность 2+. В кислотах и щелочах растворяется с выделением водорода. При растворении в щелочах протекает реакция:

                                            Zn + 2NaOH = Na2ZnO2 + H2

         В настоящее время выделены  соли, цинкаты, состава: Na [Zn (ОН)3], Na2[Zn(OH)4] и др. Гидроокись цинка амфотерна,  растворяется в кислотах и  щелочах, образует комплексные  ионы [Zn(NH3)4]2+. Цинк — сильный восстановитель, легко вытесняет из раствора другие металлы (Сu, Cd, Fe и др.). Металлический цинк применяют для оцинковывания железа, стальных изделий (предохранение от коррозии), для получения медных сплавов (латунь), в гальванических элементах.                                                                           

                                        1.14.Химические свойства

       Типичный  амфотерный металл. Стандартный электродный  потенциал −0,76 В, в ряду стандартных  потенциалов расположен до железа.

       На  воздухе цинк покрывается тонкой пленкой оксида ZnO. При сильном нагревании сгорает с образованием амфотерного белого оксида ZnO:

       2Zn + O2 = 2ZnO.

       Оксид цинка реагирует как с растворами кислот

       ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O

       так и щелочами:

       ZnO + 2NaOH = Na2ZnO2 + Н2О,

       Цинк  обычной чистоты активно реагирует с растворами кислот:

       Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑,

       Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2↑

       и растворами щелочей:

       Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑,

       образуя гидроксоцинкаты. С растворами кислот и щелочей очень чистый цинк не реагирует. Взаимодействие начинается при добавлении нескольких капель раствора сульфата меди CuSO4.

       При нагревании цинк реагирует с галогенами с образованием галогенидов ZnHal2. С  фосфором цинк образует фосфиды Zn3P2 и ZnP2. С серой и её аналогами —  селеном и теллуром — различные  халькогениды, ZnS, ZnSe, ZnSe2 и ZnTe.

       С водородом, азотом, углеродом, кремнием и бором цинк непосредственно  не реагирует. Нитрид Zn3N2 получают реакцией цинка с аммиаком при 550—600 °C.

       В водных растворах ионы цинка Zn2+ образуют аквакомплексы [Zn(H2O)4]2+ и [Zn(H2O)6]2+.

                                        1.15.Физические свойства

       В чистом виде — довольно пластичный серебристо-белый металл. Обладает гексагональной решеткой с параметрами  а = 0,26649 нм, с = 0,49431 нм, пространственная группа P 63/mmc, Z = 2. При комнатной температуре хрупок, при сгибании пластинки слышен треск от трения кристаллитов (обычно сильнее, чем «крик олова»). При 100—150 °C цинк пластичен. Примеси, даже незначительные, резко увеличивают хрупкость цинка. Собственная концентрация носителей заряда в цинке 13,1×1028 м−3

                                              1.16.Соединения цинка

       Окись цинка ZnO — рыхлый белый порошок, применяют для получения цинковых белил (в отличие от свинцовых  белил на воздухе не темнеет и  безвредна), как наполнитель каучука, пластмасс, а также в медицине, косметике. Хлорид цинка ZnCl2 — гигроскопическое вещество, применяют для пропитки дерева (напр., шпал), при травлении металлов, как обезвоживающее вещество. Сульфат цинка (цинковый купорос) ZnSO4 • 7Н2О применяют в производстве вискозы, как микроудобрение (под травы), для производства красок, в медицине. Сульфид цинка ZnS (в природе — минерал сфалерит) широко применяют как люминофор, в производстве красок (литопон).

                                              1.17.Получение 

       Цинк  в природе как самородный металл не встречается. Цинк добывают из полиметаллических  руд, содержащих 1-4 % Zn в виде сульфида, а также Cu, Pb, Ag, Au, Cd, Bi. Руды обогащают  селективной флотацией, получая  цинковые концентраты (50-60 % Zn) и одновременно свинцовые, медные, а иногда также пиритные концентраты. Цинковые концентраты обжигают в печах в кипящем слое, переводя сульфид цинка в оксид ZnO; образующийся при этом сернистый газ SO2 расходуется на производство серной кислоты. Чистый цинк из оксида ZnO получают двумя способами. По пирометаллургическому (дистилляционному) способу, существующему издавна, обожженный концентрат подвергают спеканию для придания зернистости и газопроницаемости, а затем восстанавливают углем или коксом при 1200—1300 °C: ZnO + С = Zn + CO. Образующиеся при этом пары металла конденсируют и разливают в изложницы. Сначала восстановление проводили только в ретортах из обожженной глины, обслуживаемых вручную, позднее стали применять вертикальные механизированные реторты из карборунда, затем — шахтные и дуговые электропечи; из свинцово-цинковых концентратов цинк получают в шахтных печах с дутьем. Производительность постепенно повышалась, но цинк содержал до 3 % примесей, в том числе ценный кадмий. Дистилляционный цинк очищают ликвацией (то есть отстаиванием жидкого металла от железа и части свинца при 500 °C), достигая чистоты 98,7 %. Применяющаяся иногда более сложная и дорогая очистка ректификацией дает металл чистотой 99,995 % и позволяет извлекать кадмий.

       Основной  способ получения цинка — электролитический (гидрометаллургический). Обожженные концентраты обрабатывают серной кислотой; получаемый сульфатный раствор очищают от примесей (осаждением их цинковой пылью) и подвергают электролизу в ваннах, плотно выложенных внутри свинцом или винипластом. Цинк осаждается на алюминиевых катодах, с которых его ежесуточно удаляют (сдирают) и плавят в индукционных печах. Обычно чистота электролитного цинка 99,95 %, полнота извлечения его из концентрата (при учете переработки отходов) 93-94 %. Из отходов производства получают цинковый купорос, Pb, Cu, Cd, Au, Ag; иногда также In, Ga, Ge, Tl.

                                                    1.18. Применение

       Чистый  металлический цинк используется для  восстановления благородных металлов, добываемых подземным выщелачиванием (золото, серебро). Кроме того, цинк используется для извлечения серебра, золота (и других металлов) из чернового свинца в виде интерметаллидов цинка с серебром и золотом (так называемой «серебристой пены»), обрабатываемых затем обычными методами аффинажа.

       Применяется для защиты стали от коррозии (оцинковка  поверхностей, не подверженных механическим воздействиям, или металлизация —  для мостов, емкостей, металлоконструкций).

       Цинк  используется в качестве материала  для отрицательного электрода в химических источниках тока, то есть в батарейках и аккумуляторах, например: марганцево-цинковый элемент, серебряно-цинковый аккумулятор, ртутно-цинковый элемент, диоксисульфатно-ртутный элемент, йодатно-цинковый элемент, медно-окисный гальванический элемент, хром-цинковый элемент, цинк-хлоросеребряный элемент, никель-цинковый аккумулятор, свинцово-цинковый элемент, цинк-хлорный аккумулятор, цинк-бромный аккумулятор и др.

       Очень важна роль цинка в цинк-воздушных  аккумуляторах, которые отличаются весьма высокой удельной энергоёмкостью. Они перспективны для пуска двигателей и для электромобилей (пробег до 900 км).

       Цинк  вводится в состав многих твёрдых  припоев для снижения их температуры  плавления.

       Окись цинка широко используется в медицине как антисептическое и противовоспалительное средство. Также окись цинка используется для производства краски — цинковых белил.

       Цинк  — важный компонент латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием (ЦАМ, ZAMAK) благодаря сравнительно высоким  механическим и очень высоким  литейным качествам очень широко используются в машиностроении для точного литья. В частности, в оружейном деле из сплава ZAMAK иногда отливают затворы пистолетов, особенно рассчитанных на использование слабых или травматических патронов. Также из цинковых сплавов отливают всевозможную техническую фурнитуру, вроде автомобильных ручек, корпусы карбюраторов, масштабные модели и всевозможные миниатюры, а также любые другие изделия, требующие точного литья при приемлемой прочности.

       Хлорид  цинка — важный флюс для пайки металлов и компонент при производстве фибры.

       Сульфид цинка используется для синтеза  люминофоров временного действия и  разного рода люминесцентов на базе смеси ZnS и CdS. Люминофоры на базе сульфидов  цинка и кадмия, также применяются  в электронной промышленности для изготовления светящихся гибких панелей и экранов в качестве электролюминофоров и составов с коротким временем высвечивания.

       Теллурид, селенид, фосфид, сульфид цинка —  широко применяемые полупроводники.

       Селенид цинка используется для изготовления оптических стёкол с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах.

                    1.19.На разные применения цинка приходится:

• цинкование — 45-60 %
• медицина (оксид цинка как антисептик) — 10 %
• производство сплавов — 10 %
• производство резиновых шин — 10 %
• масляные краски — 10 %

                                       1.20. Мировое производство

       Производство  цинка в мире за 2009 год составило 11,277 млн т, что на 3,2 % меньше чем  в 2008 г.                                                        

                             1.21.Содержание в продуктах питания

       Среди продуктов, употребляемых в пищу человеком, наибольшее содержание цинка  — в устрицах. Однако в тыквенных  семечках содержится всего на 26 % меньше цинка, чем в устрицах. Например, съев 45 граммов устриц, человек получит столько же цинка, сколько содержится в 60 граммах тыквенных семечек. Практически во всех хлебных злаках цинк содержится в достаточном количестве и в легкоусваиваемой форме. Поэтому, биологическая потребность организма человека в цинке обычно полностью обеспечивается ежедневным употреблением в пищу цельнозерновых продуктов (нерафинированного зерна).

1. ~0,25 мг/кг — яблоки, апельсины, лимоны, инжир, грейпфруты, все мясистые фрукты, зелёные овощи, минеральная вода.
2. ~0,31 мг/кг — мёд.
3. ~2—8 мг/кг — малина, чёрная смородина, финики, большая часть овощей, большинство морских рыб, постная говядина, молоко, очищенный рис, свёкла обычная и сахарная, спаржа, сельдерей, помидоры, картофель, редька, хлеб.
4. ~8—20 мг/кг — некоторые зерновые, дрожжи, лук, чеснок, неочищенный рис, яйца.
5. ~20—50 мг/кг — овсяная и ячменная мука, какао, патока, яичный желток, мясо кроликов и цыплят, орехи, горох, фасоль, чечевица, зелёный чай, сушёные дрожжи, кальмары.
6. ~30—85 мг/кг — говяжья печень, некоторые виды рыб.
7. ~130—202 мг/кг — отруби из пшеницы, проросшие зёрна пшеницы, тыквенные семечки, семечки подсолнечника.

                                                  1.22.Токсичность

       При длительном поступлении в организм в больших количествах все соли цинка, особенно сульфаты и хлориды, могут вызывать отравление из-за токсичности ионов Zn2+. 1 грамма сульфата цинка ZnSO4 достаточно, чтобы вызвать тяжелое отравление. В быту хлориды, сульфаты и оксид цинка могут образовываться при хранении пищевых продуктов в цинковой и оцинкованной посуде.

       Отравление ZnSO4 приводит к малокровию, задержке роста, бесплодию.

       Отравление  оксидом цинка происходит при  вдыхании его паров. Оно проявляется  в появлении сладковатого вкуса  во рту, снижении или полной потере аппетита, сильной жажде. Появляется усталость, чувство разбитости, стеснение и давящая боль в груди, сонливость, сухой кашель.

       Металл  считается безвредным для человека, но многие соединения цинка (оксид, сульфат) не без оснований относят к  токсичным. В то же время оксид цинка - испытанное терапевтическое средство, применяемое в виде присыпок и мазей.

         Сравнительно недавние исследования  показали, что цинк действует  как антиоксидант, необходимый для  синтеза протеина и залечивания  ран. Он связан с действием  более чем 30 энзимов, жизненно необходим для развития репродуктивных органов, работы простаты и активности мужских гормонов.

         В последнее время появились  содержащие цинк таблетки, используемые  против гриппа и простуды. В начале 1997 г. популярность их в США была столь велика, что фирмы, выпускающие эти таблетки, не могли полностью удовлетворить спрос. Цинк способен связываться с риновирусами, вызывающими простуду, лишать их способности к размножению. Совсем немного цинка (таблетка содержит 10-20 мг) - и вирусы становятся бесплодными, болезнь отступает.

                                       Глава 2.Биологическая роль цинка

       В последние десятилетия было получено много данных о большом значении цинка для нормального течения  биологических процессов. Цинк играет важную роль в осуществлении физиологических функций человека, поскольку он участвует в ряде ферментативных реакций, формируя в качестве необходимого компонента некоторые важнейшие структурные белки. К настоящему времени идентифицировано более 100 цинк-содержащих протеинов, большинство из которых являются металлоэнзимами. Zn входит в состав некоторых дегидрогеназ, альдолаз, ДНК- и РНК-полимераз, пептидаз, фосфатаз, циклической фосфодиэстеразы. Цинк-содержащие нуклеопротеины участвуют в генетической экспрессии факторов роста, т. е. цинк контролирует экспрессию генов в процессе клеточного цикла. Участие цинка в функционировании клеточного генетического аппарата, в процессах деления и формирования клеток определяет его значение для роста и развития организма в целом .

       Следствием  участия цинка в окислительно-восстановительных  реакциях является снижение обменных процессов при цинк-дефицитных состояниях. Цинк стабилизирует проницаемость  клеточных и внутриклеточных  мембран, действует как протектор в свободнорадикальных реакциях, участвует в процессах мембранного транспорта .

       Важнейшая роль Zn в обмене нуклеиновых кислот, белка, росте и развитии костей, функционировании эндокринных органов, включая обмен  гормонов щитовидной железы и соматотропина, определяет значение этого микроэлемента для процессов роста и полового созревания детей и подростков. К снижению усвоения цинка ведут некоторые заболевания желудочно-кишечного тракта, и тогда проявляются такие симптомы его недостаточности, как язвенный дерматит, задержка роста или гипогонадизм .

       Физиологические функции и участие цинка в  метаболических процессах могут  быть обобщены следующим образом: образование, рост и метаболизм клеток; заживление ран; активация и секреция гормонов; сохранение функциональной активности систем, ответственных за нейромедиаторные функции и память; сохранение нормального метаболизма углеводов; сохранение нормального метаболизма липидов; стабилизация биологических мембран; сохранение стабильности кожных покровов; сохранение стабильности и активация иммунной системы; сохранение вкусовой и обонятельной чувствительности; сохранение стабильности сетчатки и прозрачности хрусталика; сохранение нормального метаболизма спиртов; уменьшение токсичности поступающих в организм солей тяжелых металлов.

       В целом значение цинка заключается  в поддержании баланса и регулирования  различных физиологических реакций  в гибко контролируемых гомеостатических системах организма человека.

       Повышенная  потребность беременных и кормящих женщин в микронутриентах (к которым относится цинк) обусловлена интенсификацией функционирования эндокринных органов, обмена веществ, необходимостью обеспечивать потребности плода, потерями во время родов с плацентой и амниотической жидкостью, а также с грудным молоком в период лактации.

       Во  время беременности в связи с  перестройкой женского организма и  ростом плода потребность в цинке  возрастает, но она может быть обеспечена только при адекватном усвоении цинка  из пищи, так как запасы этого  микроэлемента в организме невелики. В дневном рационе беременной должно содержаться 20 мг цинка .

       Хотя  цинк является незаменимым микроэлементом для роста, мало известно о его  всасывании, распределении, экскреции  и ретенции у недоношенных новорожденных.

                                     2.1.Цинк и здоровье человека

       Содержание  цинка в организме взрослого  человека (масса тела 70 кг) составляет 2,3 г, 2/3 его находится в мышцах.

         Ежесуточно в организм человека  поступает в среднем 14-15 мг  цинка, большая его часть (11-12 мг) выводится, т. е. ежедневно человек получает 2,5-3,0 мг цинка, который всасывается в кишечнике, затем поступает в плазму крови, где связывается белками и ферментом карбоангидразой. В таком связанном состоянии цинк циркулирует с кровотоком и из плазмы крови попадает внутрь клеток, в конечном счете в мышцы, но также и в волосы. Содержание цинка в волосах - объективный показатель обмена веществ в организме.

         Поступает цинк в организм  с пищевыми продуктами. Цинк содержится  в мясе, печени, твердых сырах  любых сортов, креветках. Богаты цинком бобовые, орехи, бананы, виноград, апельсины, груши, помидоры, лук. Много цинка в грибах, таких, как маслята, лисички, подберезовики. Цинк содержится в ягодах: чернике, малине, черемухе. Любители деревенских посиделок могут удовлетворить потребность в цинке тыквенными семечками.    

                                                        надо знать, что;

• Цинк регулирует рост человека;
• необходим для продукции спермы и мужских гормонов;
• необходим для метаболизма витамина E, который является предшественником половых гормонов и включается в продукцию тестостерона;
• важен для нормальной деятельности простаты;
• участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста;
• необходим для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы;
• Предохраняет печень и желчь от воздействия вредных веществ;
• Предупреждает диабет (т. к. образует соединения с гормоном инсулином, регулирующим углеводный обмен);
• Обеспечивает нормальное функционирование органов чувств человека;
• Цинк необходим для нормальной работы органов зрения (конечно, не без участия витамина А). Доказательством важной роли цинка для нормального зрения (по остроте и цветовосприятию) становится то обстоятельство, что при некоторых заболеваниях, когда острота зрения ниже нормы, концентрация цинка в сетчатке глаза понижена. Важную роль играет взаимодействие цинка с витамином А в печени. У больных, страдающих от алкогольного цирроза печени и частичной потери зрения, обнаружена более низкая, чем у здорового человека, концентрация цинка в плазме крови. При ухудшении зрения стоит посетить не только врача-окулиста, но и клиническую биохимическую лабораторию, чтобы сделать анализ крови на цинк;
• Цинк необходим для нормального восприятия органов вкуса. Околоушная слюнная железа вырабатывает цинксодержащий белок, играющий важную роль в процессах вкусовой чувствительности. Он называется "густин" (от английского слова "gust", что значит "острый приятный вкус"). Содержание густина в слюне животных, получающих с пищей недостаточное количество цинка, значительно ниже нормы;
• При недостатке цинка ухудшается обоняние, вплоть до его полной потери;
• Цинк стимулирует деление клеток. Это свойство цинка проявляется во всех случаях: тканей развивающегося зародыша, зарубцовывающихся ран или злокачественных опухолей. Цинк может быть благом и злом. Рак без цинка развиваться не может. Цинк способствует делению и раковых клеток.