BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI
PIERWIASTKÓW O
CHARAKTERZE BIOLOGICZNYM

MIKROELEMENTY I
MAKROELEMENTY

PIERWIASTKI W

ORGANIZMIE

ŻYWYM I W

LITOSFERZE

Skład chemiczny organizmów żywych

jest jakościowo zupełnie różny od

składu środowiska, w którym te

organizmy żyją. Pierwiastki występują

w przyrodzie w różnych ilościach i

wchodzą w skład różnych związków

chemicznych.

SKŁAD PIERWIASTKOWY LITOSFERY

I ORGANIZMU LUDZKIEGO

Pierwiastek

Litosfera

Człowiek

Procent wagowy

Tlen

Krzem

Glin

Żelazo

Wapń

Sód

Potas

Magnez

Wodór

Węgiel

Fosfor

Siarka

Azot

50

28

9

5

3,6

2,6

2,4

2,1

0,9

0,09

0,08

0,05

0,03

63

-

-

0,004

1,5

0,15

0,25

0,04

10

20

1

0,2

3,1

Procentowa zawartość

pierwiastków jest znacznie

większa w organizmie niż

w litosferze, np.:



Wodoru (H) i fosforu (P) ok.

10 x



Azotu (N) 100 x



Węgla (C) 200 x



Zawartość poszczególnych pierwiastków w
materiałach pochodzenia biologicznego jest
bardzo zróżnicowana.



Każdy z pierwiastków, nawet jeśli występuje
w ilościach śladowych, pełni ważne, często
wielorakie funkcje biologiczne, a jego
niedobór lub brak może mieć poważne skutki
dla organizmu, a dla niektórych granica
między ilością niezbędną a szkodliwą jest
bardzo wąska.



Ze względu na stężenie danego
pierwiastka w organizmie pierwiastek
ten można zaliczyć do jednej z dwóch
grup: MAKROELEMENTÓW lub
MIKROELEMENTÓW.

MAKROELEMENTY

Stanowią łącznie 99,9 % masy ciała człowieka

dorosłego



Węgiel (C)



Wodór (H)



Tlen (O)



Azot (N)



Fosfor (P)



Wapń (Ca)



Potas (K)



Sód (Na)



Siarka (S)



Chlor (Cl)



Magnez (Mg)

MIKROELEMENTY

Ich udział w składzie suchej masy organizmu: 0,01%.



Żelazo (Fe)



Miedź (Cu)



Cynk (Zn)



Kobalt (Co)



Bor (B)



Molibden (Mo)



Mangan (Mn)



Selen (Se)



Jod (I)



Fluor (F)



Krzem (Si)

MAKROELEMENTY

WĘGIEL (C)



Niemetal, ciało stałe



Wchodzi w skład milionów związków
organicznych i odgrywa ogromną rolę w
przyrodzie.



Tworzy złoża węgli kopalnych (mieszaniny
węgla i związków węgla) :



Antracyt



Węgiel kamienny



Węgiel brunatny



Torf



Jako minerał nieorganiczny najbardziej powszechnym
jest wapień CaCO

3



Węgiel tworzy dwie krystaliczne odmiany alotropowe:
diament, grafit i fulleren



Oraz odmiany bezpostaciowe: sadza, koks, węgiel
drzewny



Bez względu na odmianę alotropową, nie rozpuszcza
się w żadnym pospolitym rozpuszczalniku



Elementarny węgiel wydobywa się na ogół z
ziemi, zwykle jako węgiel kopalny, lecz również
jako grafit i diament. Te naturalne formy węgla nie
zawsze nadają się do praktycznego wykorzystania,
opracowano więc przemysłowe metody ich
przekształcania, umożliwiające otrzymanie
pożądanego produktu

ATOM WĘGLA W ZWIĄZKACH

ORGANICZNYCH



Atomy węgla w związkach organicznych są
czterowartościowe



Atomy węgla mogą łączyć się ze sobą, tworząc
wyjątkowo trwałe łańcuchy o dowolnej długości,
proste lub rozgałęzione, pierścienie lub dowolne
kombinacje pierścieni



Atomy węgla w związkach organicznych mogą
łączyć się ze sobą lub z atomami innych
pierwiastków wiązaniami pojedynczymi,
podwójnymi lub potrójnymi



Elektrony nie uczestniczące w wiązaniach pomiędzy
atomami węgla są wykorzystywane do tworzenia
wiązań z atomami innych pierwiastków (zgodnie z
wartościowością).

WODÓR (H)



W stanie wolnym spotykamy go tylko w
górnych warstwach atmosfery, występuje w
postaci
gazowych cząsteczek dwuatomowych H

2



Niemetal



W związkach z węglem występuje np.: w ropie
naftowej, drewnie, tkankach roślinnych i
zwierzęcych



To najlżejszy ze znanych gazów



Bezbarwny



Bezwonny



Prawie nierozpuszczalny w wodzie

OTRZYMYWANIE WODORU

Na skalę przemysłową wodór otrzymuje się

następującymi metodami:



Poprzez konwersję realizowaną
podczas przepuszczania alkanu nad
parą wodną, np. metanu:

C

x

H

2y

 + 2xH

2

O → (2x+y)H

2

 +

xCO

2

CH

4

 + 2H

2

O → 4H

2

 + CO

2



Przez reakcję pary wodnej z koksem
w reakcji Boscha:

C + H

2

O → CO + H

2



Termiczny rozpad CH

4

:

2CH

4

 –

T=2000 °C

→ C

2

H

2

 + 3H

2



Reakcje metanu z tlenem:

2CH

4

 + O

2

 → 2CO + 4H

2

W laboratorium można go otrzymać na kilka
sposobów:



Elektroliza wodnego
roztworu soli lub wodorotlenku 
metalu alkalicznego bądź
wody:

2H

2

O → 2H

2

 +O

2



Reakcja metalu z kwasem:

np. Zn + 2HCl → ZnCl

2

 + H

2

↑



Spalanie magnezu w parze
wodnej:

Mg + H

2

O → MgO + H

2

↑



Reakcja
metalu amfoterycznego z
roztworem zasady, np.:

Al + 2NaOH + 6H

2

O →

2Na[Al(OH)

4

] + 3H

2

↑

Powyższe reakcje roztwarzania metali

wykonywać można dogodnie w aparacie Kippa.

TLEN (O)



Niemetal



Tlen w stanie wolnym występuje w
postaci cząsteczek dwuatomowych O

2



W cząsteczkach trójatomowych w
postaci ozonu O

3

 (głównie w ozonosferze)



Stanowi 20,95% objętości atmosfery



W postaci związków z innymi pierwiastkami
wchodzi w skład hydrosfery (gdzie jego
zawartość wynosi około 89% – woda) i
litosfery jako tlenki (np. krzemionka (piasek)
zawiera ok. 53% tlenu)

ZNACZENIE BIOLOGICZNE TLENU



Jest to pierwiastek biogenny



W przyrodzie obieg tlenu odbywa
się w cyklu zamkniętym



Jest niezbędny organizmom
tlenowym do
przeprowadzenia fosforylacji
oksydacyjnej będącej
najważniejszym
etapem oddychania.

NIEKTÓRE SPOSOBY

OTRZYMYWANIA TLENU



Poprzez rozkład wodnego
roztworu nadtlenku wodoru (wody
utlenionej lub perhydrolu) pod
wpływem ciepła lub katalizatora,
np. dwutlenku manganu:

2H

2

O

2

 → 2H

2

O + O

2

↑



w wyniku elektrolizy wody:

2H

2

O → 2H

2

↑ + O

2

↑

PODGRZEWANIE NADMANGANIANU POTASU W TEMP. POW. 230 °C:

2KMNO

4

 → K

2

MNO

4

 + MNO

2

 + O

2

↑

AZOT (N)



Niemetal



Podstawowy składnik powietrza (78,09%)



W zwykłych warunkach jest gazem o bardzo
trwałych cząsteczkach dwuatomowych N

2



Jest niereaktywny chemicznie



Wchodzi w skład wielu związków: amoniak,
kwas azotowy (V), azotany (V) oraz
ważnych związków organicznych: kwasy
nukleinowe, nukleotydy, aminokwasy,
aminy, amidy, alkaloidy



Naturalnie azot wiązany jest głównie
przez bakterie azotowe w brodawkach roślin
motylkowych oraz w trakcie wyładowań
atmosferycznych



Azot pod normalnym ciśnieniem jest obojętny
dla organizmów żywych. Może jednak wywołać
objawy zatrucia u osób przebywających w
powietrzu o zwiększonym ciśnieniu. W takich
warunkach azot lepiej rozpuszcza się w płynach
ustrojowych i tkankach bogatych w lipidy (np. w
mózgu), co prowadzi do pojawienia się objawów
zatrucia



Jeszcze bardziej niebezpieczne od rozpuszczania
się azotu w tkankach jest jego wytrącanie się w
postaci pęcherzyków gazu, podczas
zmniejszania ciśnienia. Szybkie zmniejszanie
ciśnienia powoduje chorobę kesonową.

OTRZYMYWANIE AZOTU



Azot o wysokiej czystości można uzyskać
poprzez termiczny rozkład azotanu(III)
amonu:

NH

4

NO

2

 → N

2

↑ + 2H

2

O



W laboratorium można otrzymać azot w
wyniku łagodnego
ogrzewania mieszaniny chlorku
amonu (salmiaku) i azotynu sodu:

NH

4

Cl + NaNO

2

 → N

2

↑ + NaCl + 2H

2

O

SÓD (NA)



Metal



Srebrzysty, miękki i kowalny



Bardzo reaktywny



Przechowuję się go w nafcie (jak wszystkie
litowce)



Kationy Na

+

 należą do V grupy analitycznej i

barwią płomień na intensywny kolor żółty.

PRÓBA PŁOMIENIOWA SODU

ZNACZENIE BIOLOGICZNE SODU



Jony sodu są głównym kationem
zewnątrzkomórkowym



Bierze udział w gospodarce wodno-
elektrolitowej, wpływając na stan uwodnienia
komórki.

Jako kationy jednowartościowe, wraz z

jonami potasu (K

+

) zwiększają płynność

cytoplazmy



Jony sodowe zachowują prawidłową
pobudliwość komórek (przewodzenie
bodźców nerwowych uzależnione jest od
transportu kationów Na

+

przez błonę aksonu)

OTRZYMYWANIE SODU



Obecnie produkowany jest w
procesie elektrolizy stopionego chlorku
sodu w obecności chlorku
wapnia (dodawanego jako topnik obniżający
temperaturę topnienia mieszaniny poniżej
700 °C).



Metaliczny sód można również otrzymać
podczas elektrolizy wodnego roztworu
chlorku sodu stosując jako katodę - rtęć, z
którą sód tworzy amalgamat.

POTAS (K) I JEGO ZNACZENIE

BIOLOGICZNE



Metal



Reaktywny chemicznie



Kationy K

+

 należą do V grupy kationów i

barwią płomień na kolor fioletowy



Bierze udział w przewodzeniu impulsów
przez neuron. Kationy potasu są głównymi
jonami wewnątrzkomórkowymi,
koniecznymi do utrzymania potencjału
czynnościowego błon komórkowych.



Podwyższa stopień
uwodnienia koloidów komórkowych



Aktywator wielu enzymów

WAPŃ (CA)



Metal



Srebrzystobiały



Podobnie jak Na

+

i K

+

musi być

przechowywany w nafcie



Kationy Ca

2+

 należą do IV grupy kationów i

barwią płomień na kolor ceglastoczerwony.



Wapń występuje w górnych warstwach
Ziemi

GŁÓWNE MINERAŁY I SKAŁY:



Wapień, marmur, kreda ( CaCO

3

)



Dolomit (MgCO

3

.

CaCO

3

)



Anhydryt (CaSO

4

)



Gips (CaSO

4

.

2H

2

0)



Fluoryt (CaF

2

)



Fosforyty np.: (Ca

3

(PO

4

)

2



Saletra wapniowa (Ca(NO

3

)

2



Kalcyt



Argonit



Apatyt



Krzemiany

ZNACZENIE BIOLOGICZNE

WAPNIA



To pierwiastek szkieletotwórczy, wchodzi w skład kości,
zębów, niektórych ścian komórkowych



Jest składnikiem płynów ustrojowych



Aktywator enzymatyczny



Przekaźnik wtórny – kinazy białkowe



Odpowiada za przewodzenie impulsów
bioelektrycznych;



Bierze udział w krzepnięciu krwi



Bierze udział w skurczu mięśni szkieletowych, gładkich i
mięśnia sercowego



Bierze udział w reakcjach zapalenia i regeneracji



Bierze udział w
wydzielaniu hormonów i neurotransmiterów



Obniża stopień uwodnienia koloidów komórkowych,
cytoplazmy

MAGNEZ (MG)



Metal



Występuje w skorupie ziemskiej pod postacią
minerałów: dolomitu, magnezytu



Magnez można otrzymać
poprzez redukcję tlenku magnezu lub
metodami elektrochemicznymi



Jest niezbędny dla organizmu jako czynnik:
przeciwstresowy, przeciwalergiczny,
przeciwzapalny, ochraniający przed
promieniowaniem jonizującym



Jako aktywator enzymów, bierze udział w
procesach krzepnięcia krwi (hamuje),
tworzenia energii, skurczu mięśni

MIKROELEMENTY

ŻELAZO (FE)



Twardy, srebrzysty metal, ulega pasywacji



Stosowany w formie stopów



W organizmie znajduje się w wielu
ważnych białkach: hemoglobinie, mioglobi
nie, w tym też w centrach aktywnych
licznych enzymów takich
jak: katalaza, peroksydazy oraz cytochromy



Żelazo bierze udział w przenoszeniu tlenu
w organizmie (hemoglobina, mioglobina)



Prawie całe żelazo jest w formie kompleksów
z białkiem (zapasowa, transportowa i
funkcjonalna forma żelaza)

MIEDŹ (CU)



Metal, zaliczany do półszlachetnych



W naturze występuje w postaci rud oraz w
postaci czystej jako minerał



Miedź jest potrzebna do właściwego
wykorzystania żelaza w organizmie, tj: do
uruchomienia rezerw żelaza dla syntezy
hemoglobiny, jest potrzebna do
tworzenia się erytrocytów



Miedź wchodzi w skład enzymów:
oksydazy cytochromowej, tyrozynazy,
oksydazy kwasu askorbinowego

CYNK (ZN)



Błękitnobiały, kruchy metal, w skorupie
ziemskiej występuje w postaci minerałów



Cynk jest składnikiem wielu enzymów



Bierze udział w mineralizacji kości,
gojeniu się ran, wpływa na pracę układu
odpornościowego, prawidłowe
wydzielanie insuliny przez trzustkę oraz
na stężenie witaminy A i cholesterolu.



Cynk odgrywa rolę w funkcjonowaniu
komórek płciowych samców (zwiększa
produkcje plemników)

FLUOR (F)



Niemetal 



Fluor w stanie wolnym występuje w postaci
dwuatomowej cząsteczki F

2



Jest żółtozielonym silnie trującym gazem o
ostrym zapachu podobnym do chloru



Fluor jest otrzymywany poprzez elektrolizę
ciekłego fluorowodoru z dodatkiem
wodorofluorku potasu (KHF

2

)



Fluor w odpowiednich ilościach jest pierwiastkiem
niezbędnym dla prawidłowego rozwoju kości i
zębów, bowiem rozpiętość pomiędzy dawką
niezbędną a toksyczną dla człowieka jest
najmniejsza ze wszystkich mikroelementów

PYTANIA

1.

Według jakiego kryterium i jak dzielimy
pierwiastki w organizmach żywych?

2.

Wymień makro- i mikro- elementy.

3.

Podaj znany Ci sposób otrzymywania
wodoru i tlenu.

4.

Podaj znaczenie biologiczne sodu i wapnia.

5.

Podaj znaczenie biologiczne cynku.