2.3.1: Їжа - елементарні дієти

Автор: Ед Вітц, Джон В. Мур, Джастін Шорб, Ксав'є Прат-Ресіна, Тім Вендорф та Адам Ган
ChemPRIME у Цифровій бібліотеці з хімічної освіти (ChemEd DL)

Атомна теорія в продуктах харчування

Вступ: Мінерали, елементи та сполуки

Книги з питань харчування часто бентежать, коли вони обговорюють потреби людини у поживних речовинах. Наприклад, один, обговорюючи основні мінерали у спортивному харчуванні [1], говорить: "Мінерали - це елементи". Але лише один загальний важливий мінерал, залізо (символізується Fe як латинський "Ferrum"), зазвичай потрапляє в організм як елемент. Залізо - це елемент тому що вона складається з один вид атома, позначений символом Fe. Інші символи наведені в таблиці нижче. Частинки металевого заліза насправді містяться в пластівцях для сніданку [2], і найпростіший спосіб це довести - це плавання зернової пластівці на воді та натягування її за допомогою магніту. Ви також можете побачити його витяг у кількох відео YouTube, подібних до цього. Іноді залізо додають як з'єднання, як "сульфат заліза", FeSO4. З'єднання має атоми декількох елементів, пов'язаних між собою, є певними співвідношеннями. Співвідношення задаються індексами у формулі; в цьому випадку сульфат заліза виготовляється з 1 атома заліза, 1 елемента сірки та 4 атомів елемента кисню.

Ще одним важливим мінералом, який прийнято помилково ідентифікувати, є "йод". Поживна речовина, яку ми насправді вживаємо, не є елементом йодом, а сполукою йоду, як йодид калію, KI (K - символ калію, після німецького калію).

Хоча мінерал KI виглядає і на смак нагадує кухонну сіль, елемент йод являє собою темно-фіолетову (майже чорну) тверду речовину, іноді розчинену в спирті з отриманням коричневого розчину, який використовується для дезінфекції незначних ран. Це токсичний елемент з формулою I2 2+) і 2 "фосфат-іонами", кожен з яких складається з 1 атома фосфору, зв'язаного з 4 атомами кисню, і має загальний 3-заряд. Фосфор також постачається в біомолекули міститься в м’ясі та овочах.

"Елементарні дієти"

"Елементарна дієта" - це розчин поживних речовин, який можна вводити внутрішньовенно (або за допомогою шлункової трубки для годування) людям з розладами травлення, такими як хвороба Крона або коліт. Немає жодних елементів в елементарному харчуванні, але найпростіші хімічні сполуки, які можуть забезпечити повноцінне (або майже повноцінне) харчування. Типовий елементарний раціон показує нам, що потрібно для підтримки нашого тіла. [3] Щодня нам потрібні унції до фунта макроелементів, але, як правило, менше 5 г мікроелементів.

Співвідношення хімічних елементів у нашому тілі іноді представляється як "формула для людини", яка не представляє жодної фактичної хімічної сполуки, а просто повідомляє нам відносну кількість атомів:

Отже, лише для 1 атома кобальту (Co) нам потрібно 2680 атомів заліза, 1500000 атомів кальцію (Ca) тощо. Очевидно, що хімія може багато сказати нам про харчування. Але звідки ми знаємо, що таке «елемент», а що «сполука», і які сполуки забезпечують елементи, необхідні нам для підтримки нашого тіла?

Звідки ми знаємо, які речовини містять основні елементи?

Ранні грецькі філософи (Емпедокл, Лукрецій і Демокріт) припускали, що все було зроблено з атомів, але не мали можливості надати докази для цього твердження. Докази того, що кожен хімічний елемент складається з одного виду атома (який залишається незмінним під час хімічних реакцій), нарешті, сформувались між 1750 і 1850 роками. Перегляд зображень йодистого калію (KI) та йоду (I2) вище допоможе уявити, наскільки неправдоподібно мабуть, здавалося, що вони мають спільний атом йоду.

Докази незмінності атомів як компонентів елементів були отримані в результаті вимірювань ваги. Джозеф Прістлі та Антуан Лавуазьє нарешті правильно інтерпретували втрату ваги при згорянні одних речовин (деревина або цукор) та збільшення маси інших, визнавши той факт, що масою атомів у газах нехтували. Лавуазьє показав, що ртуть (Hg) набирає вагу, оскільки вона поєднується з молекулами кисню з повітря, утворюючи твердий оксид ртуті: 2 Hg + O2 → 2 HgO. Але деревина втрачає вагу, оскільки перетворюється на газоподібні молекули вуглекислого газу та води однакової маси. Реакція горіння подібна до спалювання цукру, глюкози, яка є основою для метаболізму вуглеводів у нашому тілі для забезпечення енергією:

Раніше Ван Гельмонт [5] не визнав, що включення вуглекислого газу найбільше сприяє збільшенню ваги дерев; він думав, що це вода, оскільки ґрунт практично не демонструє змін у масі. Тим не менше, він виявив відданість ідеї збирання маси, що жодна маса не повинна бути втрачена або набрана під час хімічної зміни. Рівняння для фотосинтезу - це лише зворотне рівняння згоряння вище,

вуглекислий газ + вода + світлова енергія → вуглевод + кисень

отже, ми могли б сказати, що дерева - це переважно CO2, і коли вони згорають, вони виділяють енергію, яку вони поглинули від сонця під час росту:

Продовжуючи експерименти з киснем Лавуазьє, він помітив ще щось. Хоча кисень поєднувався з багатьма іншими речовинами, він ніколи не поводився так, ніби сам був комбінацією інших речовин. Лавуазьє зміг розкласти червоний теля на ртуть і кисень, але не міг знайти способу розщеплення кисню на дві або більше нових речовин. Через це він припустив, що кисень повинен бути елемент—Проста речовина, яка в кінцевому підсумку не може бути розкладена хімічними змінами.

Це було фундаментальне відкриття, яке дозволяє нам визначити трикальційфосфат як хороше джерело "фосфору" або йодид калію як хороше джерело "йоду".

Джон Далтон [1] (1766-1844) був поколінням молодшим за Лавуазьє і майже в усіх відношеннях відрізнявся від нього. Далтон походив із робітничої родини і відвідував лише початкову школу. Окрім цього, він був цілком самоуком. Навіть після того, як він прославився, він ніколи не прагнув далі скромного холостяцького існування, в якому він підтримував себе, викладаючи математику приватним учням. Дальтон зробив багато внесків у науку, і, схоже, він не усвідомлював, що його атомна теорія була найважливішою з них. У його "Новій системі хімічної філософії", опублікованій у 1808 р., Їй присвячено лише останні сім сторінок із загальної кількості 168!

Список літератури

↑ Дріскелл, Дж. "Спортивне харчування", CRC Press, Boca Raton, FL, 2000, с. 85
↑ http: //www.chymist.com/iron.pdf
↑ www.neocate.com/aaa_neocate/6. gredients.html
↑ Стернер, Р. В. і Дж. Дж. Ельсер, "Екологічна стехіометрія: біолгія елементів від молекул до біосфери", Прінстонський університетський прес, Прінстон, Нью-Джерсі, 2002, с. 3
↑ en.Wikipedia.org/wiki/Van_Helmont

Співавтори та атрибуції

Ед Вітц (Університет Куцтауна), Джон В. Мур (UW-Медісон), Джастін Шорб (Коледж Хоуп), Ксав'є Прат-Ресіна (Університет Міннесоти, Рочестер), Тім Вендорф і Адам Хан.