BIOGENNÍ PRVKY

Ročníková práce

Školní rok 2016 / 2017

Autor: Vít Skoták, 9. B

Konzultantka: Mgr. Jana Janáková

2

Obsah 1. Úvod ............................................................................................................................ 4

4

2. Obecný základ ............................................................................................................. 5

2.1. Výskyt .................................................................................................................... 5

2.2. Dělení .................................................................................................................... 5

3. Vlastnosti ..................................................................................................................... 6

3.1. Uhlík ...................................................................................................................... 6

3.2 Vodík ...................................................................................................................... 9

3.3 Kyslík .................................................................................................................... 10

3.4 Dusík .................................................................................................................... 12

3.5 Fosfor ................................................................................................................... 13

3.6 Síra ....................................................................................................................... 15

4. Závěr .......................................................................................................................... 17

5. Resumé ..................................................................................................................... 17

6.Použitá literatura: ........................................................................................................ 18

6.1 Z internetu: ........................................................................................................... 18

6.2 Z knihy, enciklopedie, časopisu: ........................................................................... 19

7. Použité obrázky ......................................................................................................... 19

3

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem ročníkovou práci zpracoval samostatně a použil jen

prameny uvedené v seznamu literatury.

Ve Sloupě dne 25. 5. 2017 Vít Skoták

4

1. Úvod

Předmět své ročníkové práce jsem si vybral, protože jedním z mých mnohých

koníčků je chemie.

Baví mě číst chemicky zaměřenou literaturu, dívat se na dokumenty či videa nebo

dělat jednoduché pokusy. Minulý rok jsem se zúčastnil soutěže s názvem „ Hledáme

nejlepšího Mladého chemika ČR“ a v celostátním kole jsem skončil na 5. místě.

Avšak chemie je rozsáhlý obor. Proto bylo třeba si vybrat méně obsáhlé téma, a tak

jsem si po diskusi se svou konzultantkou zvolil téma biogenní prvky.

Ve své práci nepíši o všech, neboť jejich celý výčet by byl příliš dlouhý. Píši pouze o

těch nejvýznamnějších.

Úvodní obrázek: 5. místo v soutěži

„ Hledáme nejlepšího Mladého chemika ČR“

5

2. Obecný základ

Biogenní prvky jsou ty prvky, bez nichž by nemohl probíhat metabolismus živých

organismů. Podílí se na veškerém životě na Zemi tzv. prvky nezbytné pro život.

2.1. Výskyt

Vyskytují se ve všech živých organizmech a to v průměrném zastoupení:

uhlík (C): 29%

kyslík (O): 50%

vodík (H): 10%

dusík (N): 2,7%

fosfor (P): 0,4%

síra (S): 0,75%

Kromě svého významu v živé přírodě mají tyto prvky význam i v neživé přírodě např.

síra a kyslík jsou součástí rud.

2.2. Dělení

Biogenní prvky dělíme podle jejich zastoupení na makrobiogenní prvky tzv.

makroelementy a mikrobiogenní tzv. mikroelementy.

Makrobiogenní prvky:

zastoupení 0,05% a výš

uhlík, vodík, kyslík, dusík, síra, fosfor, sodík …

Mikrobiogenní prvky:

zastoupení nižší než 0,05%

železo, mangan, zinek, měď …

můžeme v nich dále rozlišit:

stopové prvky (např.: jód, molybden, selen,...)

užitečné prvky - požadavek na ně je

specifický

neužitečné prvky - organismy je přijímají

nechtěně

6

kl Obr. 1 surový diamant

Obr. 4 krystalová

struktura grafitu

O Obr. 3 grafit

Obr. 2 krystalová

struktura diamantu

3. Vlastnosti

3.1. Uhlík

Uhlík je prvek, který tvoří základ všech organických sloučenin a tím i všech živých

organizmů na této planetě. Jeho sloučeniny jsou také jedním ze základů naší

energetiky, kde jejich zdrojem jsou především fosilní paliva. Je rovněž hlavní

součástí ropy, jež má obrovské množství využití. Je přítomen také v nerostech

(uhličitany, hydrogenuhličitany) a tvoří dvě přírodní formy uhlíku diamant a grafit.

Chemické vlastnosti: Ve svých sloučeninách se uhlík vyskytuje v mocenství +II, +IV

a -IV. Díky své schopnosti tvořit dlouhé řetězce spojených atomů tvoří obrovské

množství sloučenin (uvádí se asi 9,8 milionů, počet neustále roste). V organických

sloučeninách je čtyřvazný.

7

Biogenní sloučeniny: Uhlík je základním stavebním prvkem všech biogenních

sloučenin. Jejich přehled je uveden v následující tabulce:

Sloučenina Popis Význam

Sacharidy Uhlovodíky s nejméně třemi uhlíky,

obsahující karbonylové (CO) a

hydroxylové (OH) skupiny dělí se na

mono- ; di- a poly- sacharidy

hlavní zdroj energie pro

živočichy (monosacharidy

a disacharidy), stavební

látky rostlin (polysacharidy)

Tuky (lipidy) nejčastěji estery vyšších mastných

kyselin a alkoholu glycerolu

zásobárna energie,

stavební prvek živočišných

buněčných stěn

Aminokyseliny sloučeniny s různě dlouhým a

strukturovaným uhlíkovým řetězcem,

na němž jsou nejdůležitější skupiny

aminová (-NH2) a karboxylová (-

COOH)

tvoří bílkoviny

Bílkoviny více aminokyselin spojených

peptidovou vazbou

mají různé funkce:

stavební, enzymy,

hormony, zásobní látky ...

Nukleové

kyseliny

nukleové kyseliny jsou původem blízké

proteinům

zodpovídají za reprodukci,

způsobují odlišnost druhů,

ovlivňují dědičnost

Vitamíny různě stavěné sloučeniny, dělí se na

rozpustné v tucích a ve vodě

důležité pro správnou

funkci organismů

8

Obr. 5 glukóza

(hroznový cukr) -

monosacharid

Obr. 6 sacharóza (řepný cukr) - disacharid

Obr. 7 schéma bílkoviny - barevně

jednotlivé aminokyseliny

9

3.2 Vodík

Je nejrozšířenější prvek ve vesmíru, tvoří 75% veškeré vesmírné hmoty, ale na Zemi

má zastoupení jen asi 0,88% . Tvoří dvouatomové molekuly H2 , je součástí všech

kyselin a hydroxidů. Jeho nejrozšířenější sloučeninou je voda. Vodík je to velmi

důležitá průmyslová surovina. Používá se ke ztužování tuků, výrobě kovů, sváření,

řezání kovů atd… Poslední dobou se také zkoumá využití vodíku v energetice

pomocí termonukleární fůze. Kdy z atomů deuteria (isotop vodíku s jedním

neutronem 12H) a tritia (isotop vodíku se dvěma neutrony 1

3H) vzniká atom helia 24He

a velké množství energie.

Chemické vlastnosti:

Je to bezbarvý, hořlavý plyn. Se vzduchem tvoří výbušnou směs (katastrofa

vzducholodi Hindenburg v roce 1937). Vodík se ve sloučeninách vyskytuje

v mocenství –I a +I. Je schopen tvořit zvláštní druh vazby tzv. vodíkový můstek kdy

je přitahován i k atomům se kterými není poután klasickou chemickou vazbou.

Z kyselin se ve vodě odštěpuje a vzniká oxoniový kation H3O+.

V organických sloučeninách je jednovazný.

Obr.8 schéma fůze deuteria a tritia Obr.9 Zlatá Haná k namazání – přiklad

rostlinného ztuženého tuku

10

Biogenní sloučeniny:

Společně s uhlíkem tvoří všechny organické sloučeniny, tudíž tvoří i všechny

biogenní sloučeniny. Velký význam pro život mají ale některé jeho anorganické

sloučeniny:

Voda – látka, bez které by život na Zemi nemohl existovat. Tvoří vnitřní prostředí

všech organismů. Zajímavostí je, že led je lehčí jak voda což umožňuje přežití

vodních organismů během zimy.

Čpavek (amoniak) – ve formě amidové (-NH2) skupiny je přítomen ve všech

bílkovinách. Vzniká mikrobiálním rozkladem organických zbytků a je důležitou

součástí dusíkového cyklu v přírodě.

3.3 Kyslík

Je nejrozšířenější prvek na Zemi a třetí nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Kyslík

rovná se život, bez něj by nebyl možný život vyšších organismů. Tvoří dvouatomové

molekuly O2 a vytváří velké množství sloučenin. V průmyslu nalézá využití při výrobě

a sváření kovů, výrobě kyselin (H2SO4, HNO3) a některých organických látek.

V medicíně se používá při operacích a traumatických stavech. V kosmonautice

kapalný kyslík slouží jako okysličovadlo do raketových motorů při letech kosmických

lodí.

Chemické vlastnosti:

Kyslík se vyskytuje převážně v mocenství -II. Slučuje se s každým prvkem a vytváří

oxidy (O-II). Dále tvoří mnoho kyselin (kyselin sírová H2SO4, kyselina dusičná HNO3,

kyselina uhličitá H2CO3). V organických sloučeninách je kyslík dvojvazný a tvoří tzv.

kyslíkaté deriváty.

11

Biogenní sloučeniny:

Alkoholy - uhlovodíky s hydroxylovou skupinou -OH. Nejdůležitější glycerol, který

s mastnými kyselinami tvoří tuky.

Karboxylové kyseliny - uhlovodíky s karboxylovou skupinou -COOH. Tvoří

aminokyseliny a mastné kyseliny.

Obr. 10 glycerol

Obr. 11 kyselina glutamová

Obr. 12 kyselina palmitová

Obr. 12 kyselina palmitová

Obr. 13 molekula tuku

12

3.4 Dusík

Dusík je bezbarvý plyn, který tvoří 78% zemské atmosféry. Vyrábí se destilací ze

zkapalněného vzduchu a má mnoho průmyslových využití. Haber-Boschovým

procesem se z něj vyrábí čpavek, z něhož se vyrábí hnojiva a kyselina dusičná. Ta

se využívá k výrobě plastů, léků, výbušnin (nitroglycerin - dynamit, TNT -

trinitrotoluen). Dalším jeho využitím je chlazení, protože kapalný dusík má teplotu

okolo -196°C.

Chemické vlastnosti:

Vyskytuje se v mocenství -III až V. Jeho vazba v molekule N2 je nejsilnější známou

chemickou vazbou. S kovy tvoří nitridy, s nekovy vytváří oxidy, halogenidy a kyseliny

(nejdůležitější dusičná HNO3), s vodíkem tvoří čpavek (NH3). V organické chemii je

trojvazný.

Biogenní sloučeniny:

Amidy - uhlovodíky s NH2 (NH) skupinou, součást každé aminokyseliny, tudíž je ve

všech bílkovinách. Tvoří i nukleonové kyseliny - DNA

Obr. 14 bílkovina Amanitin - jed muchomůrky zelené

(Amanita phalloides)

13

3.5 Fosfor

Fosfor (zastarale kostík, latinsky Phosporus = světlonoš) je pevná látka, která má tři

různé modifikace: bílý fosfor, červený fosfor a černý fosfor.

Bílý fosfor tvoří molekuly P4. Je nejreaktivnější a také nejnebezpečnější. Na vzduchu

dochází k samovznícení, jeho páry ve tmě světélkují. Je používán jako zbraň

hromadného ničení v podobě fosforových pum. Zanechává velké, špatně hojitelné a

často smrtelné popáleniny.

Červený fosfor se připravuje zahřátím bílého fosforu v inertním prostředí na 250 °C.

je prekursorem všech sloučenin fosforu, protože je méně reaktivní, tudíž zde nehrozí

riziko úrazu.

Obr. 15 bílý fosfor Obr. 16 krystalová struktura

bílého fosforu

Obr. 17 červený fosfor Obr. 18 krystalová struktura

červeného fosforu

14

Černý fosfor vzniká zahříváním červeného fosforu pod tlakem za teploty přes 400 °C

a používá se k výrobě polovodičů typu N. Má kovové vlastnosti.

Nejdůležitější sloučeninou fosforu je kyselina trihydrogenfosforečná H3PO4. Vyrábí se

spalováním fosforu ve vzduchu a vodní páře. Nalézá využití při zpracování ropy,

přidává se do některých nealkoholických nápojů např.: Coca-Cola a je hlavní složkou

odrezovačů.

Chemické vlastnosti:

Fosfor se vyskytuje v mocenství -I, III, V, VI. Reaguje s kyslíkem za vzniku dimerních

oxidů P4O6 a P4O10. Slučuje se i se sírou a halogeny za vzniku různých sulfidů a

halogenidů.

Biogenní sloučeniny:

V organizmech se vyskytuje hlavně v kostech a zubech ve formě hydroxyapatitu

Ca5(PO4)3(OH)2. Důležitou funkci má sloučenina ATP (adenosintrifosfát), hlavní

složka DNA a RNA. ATP se taky účastní metabolismu cukrů a tuků. ATP je

transportér energie pro buněčné procesy. Celé lidské tělo každou minutu rozloží asi

1 gram ATP. V extrémních případech samozřejmě potřeba ATP roste. Bylo

spočítáno, že svaly maratonského běžce za přibližně dvě hodiny běhu spotřebují

(rozloží) kolem 60 kg ATP, každá molekula ATP je ve svalech totiž mnohokrát

recyklována.

Obr. 19 černý fosfor Obr. 20 krystalová struktura

černého fosforu

15

3.6 Síra

Síra je pevná žlutá látka. Elementární síra je využívaná ve farmacii a při vulkanizaci

kaučuku. Jako velmi perspektivní se jeví využití síry v nových lithium síro-uhlíkových

akumulátorech. V minulosti spotřebovala značné množství síry výroba černého

střelného prachu. Mnohem větší význam mají sloučeniny síry. Kyselina sírová je

jednou z nejdůležitějších chemikálií tzv. krev průmyslu. Využívá se v ohromném

počtu chemických výrob. Soli kyseliny sírové se nazývají sírany např.: síran vápenatý

- sádra, nebo síran měďnatý - modrá skalice a další.

Chemické vlastnosti:

Síra se vyskytuje v mocenství -II, IV a VI. S kovy vytváří sulfidy a s vodíkem sulfan

(sirovodík). S kyslíkem tvoří oxid siřičitý a sírový, kyselinu siřičitou a sírovou.

V organické chemii je síra dvojvazná.

Biogenní sloučeniny:

Síra je součástí dvou esenciálních aminokyselin metioninu a cysteinu, které se

nacházejí ve většině bílkovin. Cystein vytváří strukturu bílkoviny tím, že tvoří tzv.

disulfidické můstky.

Obr. 21 molekula ATP

16

Obr. 22 aminokyselina

cystein

Obr. 23 aminokyselina

methionin

Obr. 24 disulfidický můstek mezi

molekulami cysteinu

17

4. Závěr

Ve své ročníkové práci na téma biogenní prvky jsem se zabýval tzv. makroelementy.

Ty tvoří většinu hmoty v organismech. Probral jsem, jak se tyto prvky využívají

v průmyslu a jaké jsou jejich chemické vlastnosti. Také jsem se zabýval biogenními

sloučeninami, ve kterých se daný prvek vyskytuje v organismech nejvíce. Cílem mé

práce bylo představit vám, z čeho se skládá všechen život na naší planetě.

Nakonec bych ještě rád poděkoval mojí konzultantce, paní učitelce Mgr. Janě

Janákové

5. Resumé

I chosed biogenic elements for my coursework. I focused on the major ones that

make up most of all mass in living organisms. I discussed use of biogenic elements in

industry and their chemical properties. I wrote about biogenic compounds which

contain given element most. I enjoyed writing this coursework, because I already

know a lot of information about this topic. But still I learned something new and

interesting.

18

6.Použitá literatura:

6.1 Z internetu:

Heslo "Biogenní prvky" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Biogenn%C3%AD_prvky

Heslo "Uhlík" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Uhl%C3%ADk

PDF soubor "Biogenní prvky" na adrese:

www.eprojekt.gjs.cz/Services/Downloader.ashx?id=2948

Heslo "Co je biogenní prvek" na internetové stránce:

http://www.priroda.cz/slovnik.php?detail=260

Článek stopové prvky na internetové stránce:

https://www.celostnimedicina.cz/stopove-prvky.htm

Heslo "Beilsteinova databáze" na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Beilsteinova_datab%C3%A1ze

http://ucebnicechemie.wz.cz/index.php?prvek=uhlik

Heslo “Vodík“ na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Vod%C3%ADk

http://ucebnicechemie.wz.cz/index.php?prvek=vodik

www.mojechemie.cz

Heslo “Kyslík“ na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Kysl%C3%ADk

http://www.prvky.com/8.html

Heslo “Dusík“ na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Dus%C3%ADk

http://www.prvky.com/7.html

Heslo “Fosfor“ na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Fosfor

http://www.prvky.com/15.html

Heslo “Síra“ na veřejné internetové encyklopedii Wikipedia:

https://cs.wikipedia.org/wiki/Síra

http://www.prvky.com/16.html

19

6.2 Z knihy, encyklopedie, časopisu:

ROBERT WINSTON, To je pěkný chaos, 2008, s. 42;46

JIŘÍ BANÝR – PAVEL BENEŠ A KOLEKTIV, Chemie pro střední školy, 1995,

s. 46;47 , kap. 3.

Prof. RNDr. Jiří Vacík a kolektiv Chemie I, pro I. ročník gymnazií, 1989

7. Použité obrázky

Úvodní obrázek: 1url.cz/ptjg6

Obr.1 : 1url.cz/otGr2

Obr.2 : 1url.cz/QtGro

Obr.3 : 1url.cz/ttGrB

Obr.4 : 1url.cz/0tGrp

Obr.5 : 1url.cz/wtG8Y

Obr.6 : 1url.cz/LtG8c

Obr.7 : 1url.cz/ItG89

Obr.8 : 1url.cz/otGx3

Obr.9 : 1url.cz/atGxV

Obr.10 : 1url.cz/EtTdF

Obr.11 : 1url.cz/HtTd3

Obr.12 : 1url.cz/4tTdV

Obr.13 : 1url.cz/4tjgP

Obr.14 : 1url.cz/NtTdk

Obr.15 : 1url.cz/QtTdT

Obr.16 : 1url.cz/ttTdj

Obr.17 : 1url.cz/CtTdD

Obr.18 : 1url.cz/ZtTd4

Obr.19 : 1url.cz/itTdh

Obr.20 : 1url.cz/NtTdC

Obr.21 : 1url.cz/ntTdZ

Obr.22 : 1url.cz/rtTdU

Obr.23 : 1url.cz/6tTdI

Obr.24 : 1url.cz/AtTd