Lebenswichtige Elemente (2)

Lebenswichtige Elemente (2) Übung

• Gib die Massenanteile der Elemente im menschlichen Körper an.

  Tipps

  Die Knochen enthalten viel Calcium.

  Lösung

  $H_2O$ ist die häufigste Verbindung im menschlichen Körper, da jede Zelle mit wässriger Lösung gefüllt ist. Sauerstoff ist das Element mit dem größten Massenanteil, da es deutlich schwerer ist als Wasserstoff.
  Die Knochen bestehen zum Großteil aus der Verbindung Calciumphosphat. Der Name deutet schon an, dass hier viel Calcium und Phosphor enthalten ist. Dementsprechend sind beide Elemente in relativ hohen Massenanteilen im menschlichen Körper enthalten. Der Massenanteil des Calciums ist höher.

  Natrium-Ionen sind in geringer Konzentration in jeder Zelle im Cytosol enthalten. Außerdem spielen sie eine sehr große Rolle bei der Übertragung von Nervensignalen. Der Massenanteil ist jedoch, auch auf Grund des geringen Gewichtes von Natrium, verhältnismäßig gering.

• Nenne die Verwendung einiger Spurenelemente im menschlichen Organismus.

  Tipps

  Die Gruppe der Verbindungen, die als Vitamin $B_{12}$ bezeichnet wird, heißt auch Cobalamine.

  Lösung

  In vielen Enzymen sind Nebengruppen-Metalle enthalten, die bei der Funktion des Enzyms eine entscheidende Rolle spielen. Ohne die Enzyme würden wichtige Reaktionen im Körper nicht stattfinden und ein Überleben wäre nicht möglich.

  Eisen ist wichtiger Bestandteil der Verbindung Häm, die im Protein Hämoglobin die Funktion der Sauerstoff-Bindung übernimmt. Ohne das Eisen könnte also das Blut keinen Sauerstoff transportieren.
  Cobalt ist im Vitamin $B_{12}$ enthalten. Vitamin $B_{12}$ ist Bestandteil einiger wichtiger Enzyme, die am Aufbau von Aminosäure beteiligt sind.
  Zink ist Bestandteil vieler Enzyme, die an das Erbgut, die DNA, des Menschen binden müssen. Diese Enzyme werden daher auch als Zinkfinger-Proteine bezeichnet. Ohne diese Enzyme könnte die Erbinformation in der DNA nicht gelesen werden und das Leben, wie wir es kennen, wäre unmöglich.
  Molybdän kommt beim Menschen zum Beispiel bei Enzymen der Atmungskette zum Einsatz. Diese dienen der Energiegewinnung aus Kohlenhydraten und sind daher unverzichtbar.

• Begründe die toxischen Eigenschaften von Schwermetallen.

  Tipps

  Technetium ist auf Grund seiner radioaktiven Eigenschaften giftig, nicht auf Grund chemischer Eigenschaften.

  Die sehr edlen Metalle Silber, Gold und Platin werden zu medizinischen Zwecken eingesetzt und sind nicht toxisch.

  Lösung

  Cadmium und Quecksilber gelten als gefährliche Elemente, da die meisten Verbindungen stark giftig sind. Der Grund dafür ist die Ähnlichkeit zum Zink.
  Zink steht in der gleichen Gruppe und ist ein sehr wichtiges Spurenelement. Es kommt in sehr vielen unterschiedlichen Proteinen und Enzymen vor, die mit Molekülen wechselwirken, die die Erbinformation enthalten. Cadmium und Quecksilber können Zink aus diesen Enzymen und Proteinen verdrängen und so grundlegende Vorgänge in den Zellen stören.
  Daher sind Cadmium- und Quecksilberverbindungen oft krebserregend und können Mutationen bei den Nachkommen hervorrufen.

• Erkläre den hohen Wassergehalt des menschlichen Körpers.

  Tipps

  Auch Knochen sind lebendiges Gewebe, das aus Zellen besteht.

  Lösung

  Flüssigkeiten kommen sowohl in den Zellen als auch außerhalb der Zellen vor. In Körperflüssigkeiten übernimmt Wasser die Aufgabe des Stofftransports. Im Wasser können viele unterschiedliche Enzyme enthalten sein, die zum Beispiel Nahrung verdauen oder Körperfunktionen steuern. Die Körperflüssigkeiten des Verdauungstraktes bestehen zu fast 100% aus Wasser, da keine Zellen enthalten sind. Im Wasser sind Verdauungsenzyme gelöst. Dennoch ist der Anteil des Wassers aus Verdauungssäften an der Gesamtmenge des Wassers im Körper relativ gering.

  Der Großteil des Wassers befindet sich innerhalb der Zellen des Körpers. Alle Bestandteile der Zellen schwimmen in Wasser, auch hier werden also Stoffe über das Wasser transportiert. Knochen bestehen auch aus Zellen, daher bestehen sogar die Knochen zu einem Viertel aus Wasser. Knochentrocken ist daher ein irreführender Begriff.

• Entscheide, um welches Element es sich handelt.

  Tipps

  Die tödliche Itai-Itai-Krankheit wird durch Cadmium ausgelöst.

  Lösung

  Der menschliche Körper besteht zu etwa 70% aus Wasser. Daher ist es nicht weiter verwunderlich, dass Sauerstoff das Element mit dem größten Wasseranteil ist - es ist schließlich 16-mal schwerer als Wasserstoff. Wir nehmen Sauerstoff bei jedem Atemzug auf und wandeln ihn in $CO_2$ um. Wasser ist in der Nahrung enthalten und in fast allen Biomolekülen.

  Eisen ist das häufigste Spurenelement, da es in großen Mengen im Hämoglobin gebraucht wird. Das Hämoglobin enthält die Verbindung Häm, die ein Eisen-Ion enthält. Dieses bindet den Sauerstoff. Nur so kann das Blut den Sauerstoff durch den Körper transportieren.

  Cadmium und seine Verbindungen sind für den Menschen und die allermeisten anderen Organismen stark giftig. Es stört die Funktion von Enzymen und hat eine östrogene Wirkung auf den Menschen. Es kann nicht ausgeschieden werden und sammelt sich vor allem in der Leber das ganze Leben über an, da es als Verunreinigung in einigen Lebensmitteln enthalten sein kann.

• Erkläre den Zusammenhang zwischen Massenanteil und Häufigkeit eines Elements.

  Tipps

  Die Atommasse entspricht der molaren Masse des Elements in Gramm pro Mol.

  Stoffmengen werden in der Einheit Mol angegeben.

  Der Massenanteil ist der Anteil des Elements an der Gesamtmasse und wird in Prozent angegeben

  Lösung

  Die Angabe des Massenanteils eines Elements ist experimentell relativ einfach zu bestimmen. Mit unterschiedlichen Methoden kann die Masse eines bestimmten Elements in einer Probe ermittelt werden. Den Massenanteil erhält man durch die Division dieses Wertes durch die Gesamtmasse der Probe.

  Da die unterschiedlichen Elemente jedoch sehr unterschiedliche Atommassen haben, sagt dies nicht sehr viel über die tatsächliche Häufigkeit der Elemente aus. Dazu muss der Stoffmengenanteil der einzelnen Elemente betrachtet werden.

  Dieser wird auf ähnliche Weise berechnet: Die Stoffmenge des Elements wird durch die Gesamtstoffmenge der Probe geteilt. Die Stoffmenge eines Elementes erhält man aus der Masse des Elements in der Probe und der Atommasse des Elements, die im Periodensystem zu finden ist.
  Um die Gesamtstoffmenge der Elemente in der Probe zu bestimmen, muss daher die Stoffmenge jedes einzelnen Elements bestimmt werden. Dies ist sehr viel aufwändiger, als den Massenanteil zu bestimmen. Daher wird in der Regel der Massenanteil angegeben.