Детская исследовательская работа по химии "Металлы в жизни человека" рассматривает историю открытия и изучения металлов, а также их положения в периодической таблице Менделеева и использование в быту.

Подробнее о проекте:

В процессе работы над исследовательским проектом по химии об исследовании свойств и особенностей металлов учащийся техникума рассмотрел историю использования алюминия в быту, его положение в периодической системе и особенности строения атома алюминия. В работе перечислены свойства алюминия, рассмотрены основные области применения алюминия и его влияние на организм человека.

Учащийся 1 курса техникума в рамках своего проекта по химии на тему "Металлы в жизни человека" дал определение такого металла, как железо, и рассмотрел историю его использования в быту. В работе можно узнать о положении железа в периодической системе Менделеева и строение атома железа, а также основные области его применения и соединения. В своем проекте ученик рассказал о влиянии железа на организм человека и провел практическую работу по теме исследования.

Оглавление

Введение
1. Алюминий.
1.1 История использования алюминия в быту.
1.2 Положение в периодической системе Менделеева и строение атома алюминия.
1.3 Свойства алюминия.
1.4 Основные области применения алюминия.
1.5 Влияние алюминия на организм человека.
2. Железо.
2.1 История использования  железа в быту.
2.2 Положение в периодической системе Менделеева. Строение атома железа.
2.3. Основные области применения железа.
2.4.Соединения.
2.5 Влияние железа на организм человека.
5. Практическая часть: алюминий.
6. Практическая часть железо.
Заключение
Список использованной литературы
Приложение

В настоящее время нельзя представить жизнь человека без металлов. Они играют большую роль. Из металлов изготавливаются посуда, транспорт, украшения, стройматериалы и т.д. Изучая химию, я узнал о свойствах металлов, о которых раньше не подозревал.

Мне стало интересно, какие металлы более распространены в быту. Для того, чтобы это узнать, я провёл социологический опрос.

По результатам социологического опроса, мной было выявлено, что наиболее распространёнными металлами являются алюминий и железо. Я решил узнать подробнее об этих металлах:

Алюминий - это достаточно дешевый, легкий и долговечный материал. Он хороший проводник тепла, следовательно, вода и пища в такой посуде нагреваются быстро.

Еще совсем недавно алюминиевая посуда была очень распространена. Но сейчас его популярность сходит на нет, так как в течение многих лет о нем ходят разные слухи. Некоторые люди считают, что алюминий токсичен, другие говорили о связи между алюминиевой посудой и болезнью Альцгеймера. Действительно ли использование алюминиевой посуды опасно для Вашего здоровья?

Об этом сейчас часто спорят. Мы сами дома часто пользуемся алюминиевой посудой и не видим в ней какой – либо опасности. Существуют также другие источники попадания ионов алюминия в организм человека, которые на данный момент изучены гораздо меньше. Считается, что алюминий может попасть в организм человека также через воздух (вдыхание паров), косметические и парфюмерные средства (помада, дезодоранты), лекарственные препараты.

Железо – один из самых распространенных металлов в земной коре. Люди научились извлекать железо из руды и обрабатывать его около 4 тыс. лет назад.

Содержание железа в земной коре составляет 4,65%, а в целом наша планета состоит из железа почти на 35%. В основном оно сосредоточено в земном ядре. Однако железа много не только в земной коре. Этот металл является основным составляющим нашей жизни.

Железо, а точнее его сплавы, в основном используется в строительстве. Из него изготавливают как сложные детали для сборки машин, так и обычные гвозди, которые доступны для всех слоев населения.

Ионы железа являются составляющей частью гемоглобина, который занимается переносом кислорода, необходимого для протекания окислительно-восстановительных процессов в организме. Железо придаёт гемоглобину красный цвет, поэтому кровь животных и человека так же красного цвета. Данный элемент попадает в организм с продуктами питания – печенью, яблоками, творогами, сливами, дынями, хурмой, тыквой, помидорами и абрикосами.

В тоже время мы редко задаёмся вопросом как влияют эти металлы на организм человека ,на повседневную жизнь человека.

Данное исследование актуально, ведь мы встречаемся с этими металлами каждодневно, может быть зная их свойства мы откажемся от их применения или будем применять их с осторожностью?

Предмет исследования: алюминиевая посуда, яблоки.

Проблема исследования: влияние металлов на организм человека и на повседневную жизнь человека.

Гипотеза исследования: металлы могут влиять на организм и на жизнь по- разному.

Цель: исследовать как металлы алюминий и железо влияют на организм человека и на повседневную жизнь человека.

Задачи:

1. провести социологический опрос одногруппников
2. провести теоретический анализ источников информации по исследуемой проблематике.
3. выяснить влияние алюминия на организм человека и пути попадания ионов алюминия в организм человека. Провести лабораторные исследования по данному вопросу.
4. выяснить влияние железа на организм человека. Исследовать продукты питания на предмет содержания железа.
5. провести сопоставительный анализ практических результатов исследования.
6. выработать рекомендации по данным вопросам.

В то время как немцы готовили на эмалированной посуде, а британцы использовали эту посуду для дезинфекции домов и больниц. Наполеон Бонапарт во Франции потребовал служащим разносить еду в алюминиевых тарелках, которые стоили дороже, чем золотые. Добытый металл продавался за шестьсот долларов за фунт, и в 1820-х годах Европейское дворянство готово было заменить некоторые золотые и серебряные столовые приборы на алюминиевые.

Однако алюминий быстро терял свой блеск. Добыча металла позволила сбить цену до $ 2,25 фунта в 1890 году. Несмотря на низкую цену, домохозяйки еще не знали о преимуществах приготовления пищи в алюминиевой посуде.

23 февраля 1886 года 22-летний изобретатель Чарльз Мартин Холл, экспериментировал с алюминием в лаборатории в Оберлин, штат Огайо. Записи блокнота Холла говорят, что он усовершенствовал процедуру недорогого производства алюминиевого соединения, которое могло быть использовано в посуде.

Изготовления Холла встретили грозное сопротивление. Домохозяйки не хотели отказываться от своих проверенных жестяных изделий. Крупные универмаги страны отказывались снабжаться новым продуктом, преимущества, которого звучали чересчур фантастическими, чтобы казаться правдой. Поворотный момент наступил весной 1903 года.

Один известный магазин в Филадельфии представил публичную демонстрацию по приготовлению еды в алюминиевой посуде. Сотни женщин с удивлением наблюдали, как профессиональный шеф-повар готовил яблочное повидло. Как только зрителям разрешили сделать шаг вперед и удостовериться в том, что ингредиенты не прилипли к кастрюле, заказы на алюминиевой посуду сразу посыпались.

К моменту смерти Холла в 1914 году его состоянии оценивалось на сумму 30 млн.долларов, он породил новую кухонную алюминиевую посуду, которая преобразовала американскую кухню.

Название: Алюминий (aluminium)

Порядковый номер: 13

Группа: III

Период: 3

Атомная масса: 26,98154

Электроотрицательность: 1,61

Характерные степени окисления: +3

Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра (+13), внутри которого находится 13 протонов и 14 нейтронов. Ядро окружено тремя оболочками, по которым движутся 13 электронов.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом: 1s22s22p63s23p1.

Свойства алюминия

Физические свойства:

• металл серебристо-белого цвета, лёгкий;
• плотность — 2712 кг/м³;
• температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C;
• температура кипения — 2518,8 °C;
• высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу;
• алюминий обладает высокой электропроводностью (37·106 См/м — 65 % от электропроводности меди) и теплопроводностью (203,5 Вт/(м·К)), обладает высокой светоотражательной способностью.
• Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

Данный конструкционный металл имеет широкое распространение. В частности именно с его использования начали свою работу авиастроение, ракетостроение, пищевая промышленность и изготовление посуды. Благодаря своим особенностям алюминий позволяет улучшить маневренность судов за счет меньшей массы.

Отдельно стоит упомянуть способность металла проводить ток. Такая особенность позволила сделать его главным конкурентом меди. Он активно применяется при производстве микросхем и в целом в области микроэлектроники.

Наиболее популярными сферами использования можно назвать:

• Авиастроение: насосы, двигатели, корпуса и прочие элементы;
• Ракетостроение: как горючий компонент для ракетного топлива;
• Судостроение: корпуса и палубные надстройки;
• Электроника: провода, кабели, выпрямители;
• Оборонное производство: автоматы, танки, самолеты, различные установки;
• Строительство: лестницы, рамы, отделка;
• Область ЖД: цистерны для нефтепродуктов, детали, рамы для вагонов;
• Автомобилестроение: бампера, радиаторы;
• Быт: фольга, посуда, зеркала, мелкие приборы.

Широкое распространение объясняется преимуществами металла, однако есть у него и существенный недостаток – это невысокая прочность. Чтобы минимизировать его, в металл добавляется медь и магний.

Алюминий в медицине

Несмотря на то, что в больших количествах алюминий вреден для здоровья человека, он находит широкое применение в лечении ряда заболеваний.

На основе алюминия изготавливаются препараты, которые обладают обволакивающим, обезболивающим, адсорбирующим и антацидным действием. Антацидные свойства алюминия используются для снижения кислотности желудочного сока, поскольку он очень активно связывается с соляной кислотой. Показанием в данном случае может быть, например, гастрит с повышенной кислотностью (гиперацидный гастрит). Препараты алюминия находят как внутреннее, так и наружное применение.

Роль алюминия в организме человека.

Алюминий играет очень важную роль - он принимает участие в процессе регенерации (восстановления) эпителиальной и соединительной тканей, поддержания крепости костей, в образовании пептидов и фосфатных комплексов. Алюминий влияет на функцию околощитовидных желез, оказывает как активизирующее, так и тормозящее действие на пищеварительные ферменты. Человек употребляет алюминий с такими продуктами, как:   овсяные хлопья, зерна ржи, зерна пшеницы, мука, горох,

рисовая крупа,  картофель, киви,  капуста,  морковь, яблоки.

Недостаток алюминия в организме человека

Дефицит микроэлемента в организме – это настолько редкое явление, что вероятность его развития сводится к нулю.

С каждым годом количество алюминия в рационе человека стремительно возрастает.

Соединение поступает с продуктами питания, водой, пищевыми добавками (сульфатами), медикаментами, иногда – с воздухом. В медицинской практике за всю историю зафиксировано несколько единичных случаев недостаточности вещества в организме человека. Таким образом, актуальной проблемой XXІ века выступает скорее перенасыщение ежедневного меню элементом, чем развитием его недостаточности.

Несмотря на это, рассмотрим к каким последствиям приводит дефицит алюминия в организме.

• Общая слабость, потеря сил в конечностях.
• Замедление роста, развития детей и подростков.
• Нарушение координации движений.
• Разрушение клеток, тканей и потеря их функциональности.

Данные отклонения возникают, если человек регулярно не получает суточную норму алюминия (30-50 микрограмм). Чем скуднее рацион и меньше потребление соединения, тем интенсивнее проявляются симптомы и последствия нехватки.

Избыток алюминия опасен для здоровья

Излишек микроэлемента токсичен.

Повышенное содержание алюминия опасно для здоровья человека, поскольку снижается иммунитет, а порой возникают необратимые изменения в организме, которые резко сокращают продолжительность жизни.

Характерные признаки излишка микроэлемента: снижение гемоглобина, уменьшение числа эритроцитов в крови, кашель,  потеря аппетита, запоры , нервозность, психические расстройства,  нарушения речи, ориентации в пространстве, помутнение рассудка. провалы памяти, конвульсии.

Помните, алюминий относится к категории иммунотоксичных микроэлементов, поэтому для сохранения здоровья нужно ежедневно следить за количеством поступающего соединения в организм.

Если алюминий считается имунотоксичным элементом для организма человека, мы решили выяснить пути попадания алюминия в организм человека.

Железо — металл, применение которого в промышленности и быту практически не имеет границ. Доля железа в мировом производстве металлов составляет около 95 %. Применение его, как и любого другого материала, обусловлено определенными свойствами.

Железо сыграло огромную роль в развитии человеческой цивилизации. Первобытный человек начал использовать железные орудия за несколько тысячелетий до нашей эры.

Железо не утратило своего значения и поныне. Это важнейший металл современной техники. Из-за низкой прочности железо практически не используют в чистом виде.

На основе железа создают материалы, способные выдерживать действие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений. Они успешно противостоят агрессивным средам, переменному напряжению и т. п.

Производство железа и его сплавов постоянно растет. Эти материалы универсальны, технологичны, доступны и в массе — дешевы.

Самыми распространенными сплавами железа являются сталь и чугун.

Нержавеющая сталь - очень популярный материал для предметов домашнего обихода, его использование охватывает все: от котлов до телевизоров. Это очень популярный материал для микроволновых печей, из которого обычно производят двери и внутреннюю панель, а затем покрывают светлой акриловой эмалью, чтобы обеспечить лучшую видимость. В последние годы стало довольно популярным использование кухонной техники из нержавеющей стали, в отличие от простого белого цвета. Речь идет о холодильниках, морозильниках, посудомоечных машинах, духовках, плитах, а также чайниках и тостерах.

Чугун – прочный, но непластичный металл. Из него изготавливают предметы сантехническое оборудование (ванны, трубы, раковины, кухонные мойки), посуду, лестницы, заборы, предметы домашнего интерьера.

Название: Железо (ferrum) Порядковый номер: 26 Группа: VIII Период: 4

Атомная масса: 55,847 Электроотрицательность: 1,83 Характерные степени окисления: +2 ,+3

Атом железа состоит из положительно заряженного ядра (+26), внутри которого есть 26 протонов и 30 нейтронов, а вокруг, по четырем орбитам движутся 26 электронов.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом: 1s22s22p63s23p63d64s2.

Под железом зачастую подразумевают вовсе не вещество как таковое, а низкоуглеродистую электротехническую сталь – так называется сплав металла по ГОСТ. Действительно чистое железо получить непросто, и используется оно исключительно для производства магнитных материалов.

Железо является ферромагнетиком, то есть, намагничивается в присутствии магнитного поля. Однако это его свойство сильно зависит от примесей и структуры металла. Магнитные свойства абсолютного чистого железа в 100–200 раз превышают аналогичные показатели технической стали. То же самое можно сказать о величине зерна: чем крупнее зерно, тем лучше магнитные свойства вещества. Имеет значение и механическая обработка, хотя ее влияние и не столь впечатляющее. Только такое железо применяют для получения всех магнитных материалов для электротехники и магнитоприводов.

Все металлы, используемые в производстве, делят на цветные и черные. Черные – это сплавы железа, в частности, сталь и чугун, остальные – медные, никелевые, серебряные - относятся к цветным. На долю черной металлургии приходится 95% всех металлургических процессов. Разделяются черные сплавы таким образом:

Сталь – сплав железа с углеродом и другими ингредиентами, чья массовая доля не превышает 2,14%. Углерод придает стали пластичность и твердость. В состав могут входить также марганец, фосфор, сера и так далее; нержавеющая сталь используется в строительстве и машиностроении, где требуется более высокая, чем обычно стойкость к коррозии; жаропрочные сплавы «работают» в условиях высоких температур – турбины, магистрали отопления. Жаростойкие – не окисляются при высоких температурах, что важно для многих рабочих узлов в теплотехнике.

Чугун – сплав с углеродом, где допускается большее содержание элемента – до 4,3%. Причем чугуны отличаются по своим свойствам в зависимости от того, в каком виде сплав содержит углерод: если вещество вступило в реакцию с железом, получают белый чугун, если включено в виде графита – серый; износостойкий чугун применяется для изготовления насосных деталей, тормозов, дисков сцепления; жаростойкий применяется при сооружении доменных, мартеновских, термических печей; жаропрочный используется при сооружении газовых печей, при изготовлении компрессорного оборудования, дизельных двигателей.

Злейший враг железа и его сплавов это коррозия. Автомобиль давно перестал быть роскошью , а стал средством передвижения для большинства граждан. Сейчас огромное количество автомобилей разных производителей, разных марок, но все они изготовлены из сплавов на основе железа. Мы решили выяснить автомобили каких производителей меньше подвержены коррозии и тем самым меньше доставляют хлопот своим хозяевам.

Роль железа в организме

У железа очень много функций. Вот основные из них:

Транспортировка кислорода к тканям. Железо входит в состав гемоглобина - белка, из которого состоят красные кровяные тельца (эритроциты). Именно железо отвечает за захват кислорода, после чего эритроциты переносят его ко всем органам и системам организма.

Метаболизм. Железо в организме человека является составной частью многих ферментов и белков, которые необходимы для обменных процессов - разрушения и утилизации токсинов, холестеринового обмена, превращения калорий в энергию. Оно также помогает иммунной системе организма справляться с агрессорами.

Человек употребляет железо с такими продуктами, как: печень, креветки, яйца, гречневая крупа,  яблоки, орехи, сыр, говядина, утка, пшеница.

Недостаток железа

Нет ничего удивительного в том, что недостаток железа отражается на внешности, здоровье и самочувствии.

При дефиците этого элемента кожа становится бледной и сухой, волосы — тусклыми и слабыми, а ногти — ломкими. В уголках губ возникают незаживающие язвочки, а на кистях рук и ступнях — очень болезненные трещины. По мере снижения количества железа в организме самочувствие ухудшается — пропадает аппетит, многие замечают дискомфорт при глотании. Иногда вкусы меняются самым странным образом, например, человеку очень хочется погрызть мел или пожевать бумагу.

Люди с нехваткой железа испытывают постоянный упадок сил — они даже просыпаются уставшими. Малейшие физические нагрузки вызывают сильную одышку — так сказывается недостаток кислорода. Другие типичные симптомы дефицита железа — головокружения и даже обмороки, сонливость, раздражительность, ухудшение памяти.

Для людей, страдающих нехваткой железа, типичны постоянные простуды и кишечные инфекции. Как мы уже говорили, железо принимает непосредственное участие в работе защитной системы организма, и при его дефиците иммунитет не может вовремя отражать атаки болезнетворных бактерий.

Наверняка многим эти симптомы покажутся очень знакомыми. Ничего удивительного: по статистике ВОЗ, примерно у 60% населения планеты отмечается недостаток железа в организме, а у 30% дефицит этого элемента так велик, что речь идет уже о железодефицитной анемии — состоянии, при котором значительно понижается уровень гемоглобина.

Пути попадания алюминия в организм человека:

алюминиевая посуда и препараты, содержащие ионы алюминия

Исследование наличия ионов алюминия в еде, приготовленной в алюминиевой посуде

Цель: Мы часто используем алюминиевую посуду, поэтому мы решили исследовать безопасность алюминевой посуды. 

Опыт №1

Алюминий реагирует с водой, при этом выделяется водород и образуется нерастворимый гидроксид алюминия.       2Al + 6H2O = 2 Al(OH)3 ↓ + 3H2↑

В течении 15 минут кипятил воду в алюминиевой кастрюле, затем остудила раствор и проверила его прозрачность.

Наблюдения: Никаких изменений в пробе воды, которая кипятилась в алюминиевой посуде, не наблюдала. Проделывая этот опыт, я убедилась, что оксидная пленка на металле защищает его от взаимодействия с водой, так оксид алюминия в воде не растворяется и не реагирует с ней.

Опыт №2

Алюминий взаимодействует со щелочью, при этом образуется соль и выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2

Средство для мытья духовок и плит содержит в своём составе каустическую соду, то есть гидроксид натрия. При нанесения этого средства на алюминиевый предмет, достаточно быстро я увидел признаки реакции в виде выделяющегося газа.

Вывод: Если алюминий реагирует со щелочами, и в щелочной среде он переходит в раствор в виде солей, то приготовление и хранение пищи со щелочной реакцией среды приведет к тому, что он в виде иона он так же поступит в пищу.

Опыт «Исследование содержания железа в яблоках».

Сначала провожу  опыт на красном яблоке. Разрезал  красное яблоко пополам, рассмотрел  поперечный срез красного яблока.

Через некоторое время одна из половинок яблока, не смазанная лимонным соком потемнела, а та, что была «защищена» лимонным соком, осталась белой.

Разрезал лимон. Одну половинку яблока смазал лимонным соком, а вторую половинку красного яблока положил на тарелку срезом вверх. То же самое, в той же последовательности проделал с зелёным яблоком. Положил обе половинки зелёного яблока на тарелку срезом вверх и стал наблюдать за изменениями.

Вывод.
Потемнение происходит из-за окисления железа, которое содержится в яблоках, кислородом воздуха. Кислота, которая содержится в лимонном соке, защищает срез яблока от окисления и замедляет процесс окисления.

Я заметил, что срезы красного яблока почти совсем не потемнели, значит, железа в зелёных яблоках содержится больше и они полезнее.

Наша жизнь немыслима без металлов. В нашей творческой работе, посвящённой железу и алюминию, я расширил свои знания об этих элементах, простых веществах металлах их свойствах и применении.

Роль железа и алюминия в развитии и становлении технической культуры человечества исключительно велика. Твёрдость, пластичность, ковкость сделали их незаменимым материалом для изготовления орудий труда и производства. Выглянув на улицу, мы видим сотни автомашин, каждая из которых сделана из железа. Из сплавов железа или алюминия изготавливают тросы, мосты, рельсы, трамваи, поезда, и наконец, самолёты. Везде металлы!... Ну и в нас самих есть эти металлы. Они используются для осуществления различных процессов в организме.

В нашей теоретической части мы охарактеризовали строение и свойства железа и алюминия, применение их в медицине и описали, что бывает при избытке и недостатке ионов этих элементов.

В результате проделанной работы мы сделали выводы:

Ионы железа и алюминия оказывают жизненно важное влияние на организм человека.

Ионы алюминия в большом количестве опасны для здоровья. Поэтому следует в алюминиевой посуде только готовить, а не хранить продукты питания. Не увлекаться употреблением таблеток от изжоги.

Ионы железа благоприятно влияют на организм человека. Поэтому необходимо употреблять продукты питания богатые железом. Такие как, хурма , яблоки, грецкие орехи.

1. Горынин И. В. и др. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справочное руководство. Москва «Металлургия», 1978 г.
2. Хэтч Дж. Е. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справочник. Москва, «Металлургия», 1989 г.
3. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник.
4. Краткая химическая энциклопедия. «Советская энциклопедия», 1963 г.
5. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. «Химия», 1981 г.
6. Венецкий С. И. Рассказы о металлах
7. Беккерт М.. Железо. Факты и легенды.

Приложение. Социологический опрос

1. Какие металлы вы знаете?
2. С какими металлами встречаетесь в повседневной жизни? Где?
3. Как они влияют на организм человека?