Железо и окружающая среда

Железо известно людям примерно 5 тыс. лет. Сначала его ценили дороже золота, так как использовали метеоритное железо, которое встречалось слишком редко. Способ получения железа из руды открыли в разное время сразу в нескольких странах: в Египте и Месопотамии ( два тысячелетие до н. э), в Закавказье, Малой Азии и Древней Греции ( конец второго тысячелетия до н. э ), в Китае (середина первого тысячелетия до н. э).

В странах Нового Света железный век наступил лишь во втором тысячелетии нашей эры.

Железо играет огромную роль в нашей жизни. Железо один из древнейших металлов, который был известен людям. Поэтому мне захотелось узнать, когда появилось железо, в виде каких соединений встречается, какую роль играет железо для живых организмов, в каких продуктах содержится, как мигрирует данный элемент в природе, как сказывается избыток и недостаток ионов железа в организме человека, как на водную среду и ее обитателях.

Применение железа и его соединения

1. оксиды и гидроксиды железа (2) и(3)- пигменты.

2. ферромагнитные оксиды – электротехника, в производстве магнитных лент.

3. дисульфид железа-сырье в производстве серной кислоты, серы, железа.

нитрат железа (3) – протрава при крашении хлопчатобумажных тканей, утяжелитель шелка.

4. сульфат железа (3) – коагулянт при очистке воды, для травления алюминия меди, при гидрометаллургическом извлечении меди.

В начале нашей эры железо широко использовалось в быту, для изготовления различных инструментов и оружия, так как по сравнению с другими известными в то время металлами и сплавами оно обладало наибольшей прочностью. В настоящее время большая часть железа используется для производства легированных и углеродистых сталей.

Технически чистое железо-материал для сердечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов. Оксиды и гидроксиды железа (II) и (III) применяют в качестве пигментов; ферромагнитные оксиды – в электротехнике, в производстве магнитных лент. Природный дисульфид железа FeS2 является сырьем в производстве серной кислоты, серы, железа. Нитрат железа (III) используют как протраву при крашении хлопчатобумажных тканей и как утяжелитель шелка. Сульфат железа (III) применяется в качестве коагулянта при очистке воды, для травления алюминия, меди и других металлов, при гидрометаллургическом извлечении меди. Хлорид железа (II) используется для получения хлорида железа (III), который служит коагулянтом при очистке воды, протравой при крашении тканей, катализатором в органическом синтезе, а так же для получения других солей железа и железных пигментов.

Содержание железа в земной коре.

В земной коре содержится 4,65 % (по массе) железа (второе место после алюминия ) в виде гематита (Fe2 O3 ), магнита (Fe3 O4), пирита (FeS2) и еще свыше 300 минералов, из которых состоят месторождения железных руд.

Биомасса Земли, содержащая до десяти млрд. тонн железа, является важным фактором миграции и перераспределения элемента в природе. В результате выветривания и частичного растворения горных пород в природных водах концентрация железа в них колеблется от 0,01 до 26,0 мг/л. В подземных водах преобладают соединения железа (II), а именно Fe(HCO3 )2. FeSO4.

Эти соединения устойчивы в присутствии углекислого газа и в отсутствии кислорода. При выходе подземных вод на поверхность ионы железа Fe с зарядом 2 + окисляются до 3+. Соли железа (III) гидролизуются до трудно растворимого Fe(OH)3 , поэтому концентрация ионов железа в поверхностных водах, как правило, не превышают 1 мг/л.

Пищевые цепи в живых организмах

Многие составные части пищевых цепей интенсивно накапливают железо. Активно аккумулирует его водная флора: сине-зеленые водоросли, тростник, хвощ и др. Бактерии, являющиеся кормом для мало- щитинковых червей, также концентрируют железо. Далее осуществляется передача его по трофическим цепям к более высокоорганизованным существам. Интенсивная деятельность железобактерий приводит к тому, что железо в водоемах не рассеивается, а окисляется и концентрируется в водных отложениях. В данной таблице приведено содержание железа в живых организмах.

Организм Концентрация железа. Мг/кг сухого вещества.

Морские водоросли 70

Наземные растения 14

Морские животные 40

Наземные животные 16

Бактерии 25

Антропогенные источники железа. Поступление железа в окружающую среду

Концентрация ионов железа как в почках, так и в природных водах значительно повышается за счет антропогенных источников поступления его в окружающую среду (сброс сточных вод химического, металлургического, машиностроительного, металлообрабатывающего, химикофармацевтичес кого, лакокрасочного, текстильного производств). Локальной техногенной аномалией является зона металлургических комбинатов, в твердых выбросах которых содержится от 22000 до 31000 мг/кг железа. В почву, прилегающую к комбинату, поступает до 31-42 мг/кг железа. Концентрация железа в травильных водах черных металлов достигает 5000-7000 мг/л.

Биологические системы железа

В биологических системах железо связано с органическими веществами. В миоглобине и гемоглобине встроены ионы Fe(2+), в каталазах и оксидазах (ферментах)-Fe(3+). В цитрохомах железо поочередно переходит из одного валентного состояния в другое.

ГЕМОГЛОБИН-красный пигмент крови человека, позвоночных и некоторых беспозвоночных животных. Состоит из белка (глобина) и железопорфирина (гемма). На 1 молекулу глобина приходится 4 гема, а каждый гемм содержит 1 атом железа. Гемоглобин переносит кислород от органов дыхания к тканям и углекислый газ от тканей к дыхательным органам. Степень окисления иона железа не изменяется при соединении комплекса с кислородом, при этом образуется оксигемоглобин. Схема процесса:

О(+2) гемоглобин= оксигемоглобин.

Равновесие смещается в правую сторону в легких, в левую-в клетках.

МИОГЛОБИН-глобулярный белок, запасающий кислород в мышцах позвоночных животных и человека. На одну молекулу белка приходится один гемм, содержащий 1 атом железа. Наиболее богаты миоглобин мышцы морских животных, способных длительно находиться под водой.

Цитрохомы (дыхательные ферменты) – сложные белки, осуществляющие в живых клетках перенос электронов и водорода ( в результате обратимого изменения валентности атома железа в геме) от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду. При этом образуется богатое энергией соединение – аденозитрифосфат (АТФ).

Общее содержание железа в теле взрослого человека колеблется от 4 до 7 г. Большую часть его составляет железо, входящее в состав белков, обеспечивающих перенос кислорода тканям и ряд ферментативных реакций, а меньшую – тканевые резервы внутренних органов. С возрастом содержание железа в тканях увеличивается. Всосавшееся в желудочно-кишечном тракте железо транспортируется кровью к тканям с помощью белка трансферрина. Каждая молекула трансферрина связывает 2 иона Fe(3+). В реакции участвует бикарбонат-ион, который упрочняет связь между ионами железа и белком трансферрина. Недостаток трансферрина приводит к нарушению обмена железа. Когда связывающая способность трансферрина исчерпывается, Fe(OH)3 осаждается в крови.

Ферритин – еще один железосодержащий белок, в котором на 1 молекулу белка приходится до 4500 атомов железа. Он находится в печени, селезенке, костоном мозге. Этот белок запасает и мобилизует железо в организме. Освобождение железа из ферритина сопряжено с восстановлением Fe(3+) и Fe(2+).

Содержание железа в цельной крови у женщин составляет (20-68 мг%, у мужчин на 3-7 мг% выше). В плазме содержание железа колеблется от 60 до 175 мгк%, в форменных элементах (эритроциты) – от 39 до 67 мг%. При остром отравлении содержание его в сыворотке крови может достигать 450 мг%.

Период нахождения железа в организме человека превышает 10 лет, так как железо, содержащееся в гемоглобине, при разрушении эритроцитов практически не выводится из организма, а рециркулируется печенью. В печени железа содержится больше (500-700 мг), чем в костном мозге (до 300мг) и селезенке (60-100 мг). Концентрация железа в женском молоке 0,1-1,6 мг/л.

Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 5-10 мг, она увеличивается при интенсивной мышечной деятельности, беременности, кормлении грудью. В организм железо поступает с пищей. Содержание железа в основных продуктах питания представлено в таблице 2.

<<Содержание железа в продуктах питания>> Продукты Концентрация Fe, мг/100.

Молоко 0. 07

Апельсиновый сок 0. 3

Яблочный сок 0. 3

Творог 0. 5

Гранатовый сок 1. 0

Редис 1. 0

Сельдь 1. 0

Сок шиповника 1. 4

Мясо курицы 1. 6

Тунец 2. 0

Яблоко 2. 2

Груша 2. 3

Яйцо 2. 5

Говядина 3. 0

Хлебные изделия 3. 0

Шоколад 3. 5

Гречиха 8. 3

Какао-порошок 14. 8

Соя 15. 0

Халва тахинная 26. 0

Организм усваивает только 10-20% железа от суточной потребности, это процесс тормозится за счет образования трудно растворимых соединений железа с фосфатами, карбонатами, жирными кислотами. Зато сахар и аскорбиновая кислота повышают усвоение железа.

Недостаток железа в организме приводит к развитию анемии (малокровия), характеризующейся снижением содержания гемоглобина в крови. Кроме того, нарушается и функция пищеварительных желез, нервной системы, пищеварительного аппарата. Нехватку железа устраняют приемом специальных лекарственных препаратов, а также увеличением в пищевом рационе, например, гречихи и яблок.

Так при прохождении медицинского осмотра учащихся моего класса сдали анализ крови на содержание гемоглобина в крови, результаты анализа представлены в таблице.

Ф. и. учащегося. Результат обследования Норма(содержание железа в крови).

Воронова Ульяна 118 г/л 120-140 г/л

Портяной Иосиф 134 г/л 150-160г/л(для мужчин)

Нечаева Анастасия 130 г/л 120-140 г/л

Черных Надежда 121 г/л 120-140 г/л

Титов Михаил 140 г/л 150-160г/л(для мужчин)

Установив содержание гемоглобина в крови, каждому ученику были даны рекомендации (употребление в пищу тех продуктов, в которой концентрация железо максимальна и минимальна).

В то же время железо является токсичным веществом, поэтому введение в организм избыточного количества железа с пищей или лекарственными препаратами может привести к отравлению. При приеме внутрь дозы железа 200-250 мг/кг у человека появляется рвота, боли в животе, ощущение жара, снижение артериального давления, цианоз, резкое снижение свертываемости крови, поражение печени. При вскрытии обнаруживаются кровоизлияние и диффузный некроз слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта, массивные некрозы печени.

В связи с высоким содержанием железа в пищевом рационе отмечают сидероз печени, селезенки и связанные с ними в случаи остеопороза позвонков.

При отравлениях соединениями железа необходимо выпить <<яичное молоко>> (белок 3-4 сырых яиц взбить в 0,25л молока) и через несколько минут вызвать рвоту. Промыть желудок водой с добавлением активированного угля, соды, таннина, крепкого чая. Далее лечение симптоматическое.

Во избежание хронического отравления железом, содержащемся в пище, установлены значения его ПДК.

ПРОДУКТЫ ПДК, мг/кг.

МАСЛО, МАРГАРИН, ЖИРЫ. 5. 0

ОВОЩИ СВЕЖИЕ 5. 0

ВИНО, ПИВО 15. 0

МЯСО 50. 0

РЫБА 30. 0

ХЛЕБ 50. 0

МОЛОКО 3. 0

КРУПА, ЗЕРНО 3. 0

СПЕЦИИ 10. 0

Вода и ионы железа

Концентрация ионов железа в воде хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования – 0,3 мг/л, в воде, используемой для рыбохозяйственных целей – 0,05 мг/л.

Допустимая концентрация железа в водах, используемых для орошения земель - 15-70 мг/л. При превышении ПДК железа в воде она приобретает специфический привкус и бурый цвет.

Железо влияет на интенсивность развития фитопланктона и качественный состав микрофлоры в водоемах. Токсичность соединений железа в воде зависит от рН. Щелочная среда резко увеличивает опасность отравления рыб, так как в таких условиях образуются гидроксиды железа, которые осаждаются на жабрах, закупоривают и разъедают их. Кроме того, соединения железа (II) связывают растворенный в воде кислород, что приводит к массовой гибели рыб и других гидробионтов. Хлорид железа (III) концентрацией 0,07-0,2 мг/л вызывает гибель карасей и вьюнов, 0,24-0,9 мг/л – колюшки, а сульфат железа (III) концентрацией 0,1-2,9 мг/л – карпов и лещей. Вода, содержащая железо, непригодна для инкубации икры, так как его гидроксиды осаждаются на ней и на жабрах мальков, вызывая их массовую гибель. Очень чувствительны к гидроксиду железа (III) моллюски (прудовики, улитки).

Методика проведения исследования

Работа проводилась осенью 2006 года. Наблюдения велись в дневное время при естественном освещении и температуре воздуха 18-22 C.

Мы провели количественный анализ ионов железа в водных источниках города Нижнеудинска :

Река Уда (Ленина 26);

Водозабор по улице Пушкина 35;

Водозабор по улице Индустриальной 20;

Водозабор по улице 5 Рабочей 21.

При этом концентрацию ионов Fe (3+) определяли фотоколориметрическим методом (реагент роданид аммония)

Прежде чем приступить к выполнению анализа необходимо соответствующим образом подготовить посуду (стаканы, чашки ). Ее необходимо тщательно вымыть и высушить.

К 10 мл пробы воды прибавляют 1 каплю концентрированной азотной кислоты, затем 2-3 капли пероксида водорода и вводят 0. 5 мл роданида аммония.

При концентрации ионов железа больше чем 2. 0 мг/л появляется розовое окрашивание, если концентрация превышает 10 мг/л окрашивание становится красным: Fe3+ + 3CNS- = Fe(CNS)3 – красный.

Результаты исследования

Источник. Адрес Результат анализа. Пдк концентрация железа,мг/л.

Индустриальная 20 9

5 рабочая 21 9

Ленина 26 1

Пушкина 35 10

Исходя из результатов проведенного исследования, были сделаны следующие выводы:

1. концентрация ионов железа по улице Пушкина 35 самая наибольшая;

2. концентрация ионов железа по улице индустриальная 20 и 5 рабочая, одинаковы. т е. умеренно загрязненной;

3. концентрация ионов железа по улице Ленина 26 (река Уда) наименьшая, т е. пригодна для пользования и обитания.

Таким образом, для бытового использования пригодна вода из реки Уда.

Таким образом, на основании всего вышеперечисленного можно сделать вывод:

Железо один из древнейших металлов, который известен человеку уже около 5 тыс. лет. Этот элемент играет очень важную роль в жизни человечества и всех живых организмов на земле:

В технических целях - для изготовления изделий упрощающих и оберегающих жизненный цикл человечества и техники;

Для приготовления красителей, лекарств, катализаторов, магнитных материалов и т д. Особенно важно, что без железа организм человека не может функционировать.

Конечно, такая тема как “Железо и окружающая среда” будет актуальной и через несколько десятков и даже сотен лет, пока существует железо на планете. По данной теме существует множество вопросов, часть из которых я попыталась раскрыть в данной работе. Это такие как:

1. установление зависимости между содержанием железа в пищевых продуктах и влияние их на организм человека.

2. определить качественный состав питьевой воды, с точки зрения хозяйственного бытового использования.

Я думаю, что данная тема еще не “исчерпала” себя, и еще будет подвергнута всестороннему анализу в различных рефератах и научных работах.

Рассмотрев, вышеперечисленные вопросы, в данной научной работе, я сделала следующие заключение:

Во-первых, избыток и недостаток железа отрицательно воздействует на функционирование нашего организма;

Во- вторых, в нашем городе, вода из реки Уда (Ленина 26) пригодна для бытового использования и обитания.