Химик поправляет здоровье - Сценарии уроков на основе проблемных заданий

Цель урока. Показать значение химии для решения проблем, связанных с медициной, особенно тем учащимся, которые избрали профессию медика.

Чтобы придать уроку профориентационную направленность, можно несколько изменить условия заданий, моделируя конкретную проблемную ситуацию, связанную с профессиональной деятельностью медицинских работников (например, как и задании 1.5).

Задания

5.1. Представьте, что вы — медицинский работник (фельдшер или медсестра) в небольшом поселке, где нет аптеки. К вам обратился житель поселка с вопросом: можно ли использовать для приема внутрь раствор хлорида кальция СаСl₂, в котором образовался небольшой хлопьевидный осадок белого цвета, если ему срочно нужно принять этот препарат, а приобрести свежий в данный момент невозможно? Что вы ему ответите?

Хлорид кальция СаСl₂ — один из самых известных и распространенных препаратов для лечения различных заболеваний, особенно аллергических. Препарат вводят внутривенно или принимают внутрь в виде 5—10%-ного водного раствора. Например, при внезапном проявлении аллергической реакции можно до обращения к врачу принять внутрь одну столовую ложку водного раствора СаСl₂. Это доступное и безвредное средство.

5.2. Для лечения чесотки — заразного кожного заболевания, вызываемого чесоточным клещом, существуют высокоэффективные препараты, содержащие органические соединения, например мазь или эмульсия бензилбензоата — сложного эфира бензойной кислоты и бензилового спирта (С₆Н₅—С(О)—О—СН₂—С₆Н₅). К сожалению, у многих больных они вызывают аллергию, поэтому до сих пор не потеряли актуальность старые методы лечения, основанные на применении серы в виде мазей на вазелине. Но значительно более эффективен, хотя и трудоемок, метод М. П. Демьяновича. При лечении по этому методу в кожу втирают в течение 10—15 мин 60%-ный водный раствор тиосульфата натрия. После высыхания кожи и появления на ней кристалликов втирают в течение 10— 15 мин 6%-ную соляную кислоту. Мытье разрешают через три дня. К этому времени больной выздоравливает. Как вы можете объяснить сущность метода М. П. Демьяновича с точки зрения химии?

При выполнении этого задания желательно обсудить проблемы профилактики чесотки. Это чрезвычайно заразное заболевание, которое передается не только при непосредственном контакте с больным, но и через его личные вещи — одежду, полотенце, а также через бумажные деньги. Лучший способ уберечься от чесотки — строго соблюдать правила личной гигиены.

5.3. В книге М. М. Гурвича «Домашняя диетология» есть такая рекомендация для больных мочекаменной болезнью: «Из зелени и овощей в рацион включают те сорта, которые считаются бедными кальцием и щелочными валентностями: горох, брюссельскую капусту, тыкву». Прокомментируйте эту формулировку с позиции химика, а если сможете, то и с позиции агронома.

5.4. Для лечения малокровия (пониженного содержания в крови гемоглобина) издавна применяют препараты железа, в том числе сульфат железа (II), а иногда и восстановленное железо в порошке. Известен и старинный народный рецепт средства от малокровия — «железное» яблоко: в яблоко (.лучше антоновское) втыкают несколько гвоздей и выдерживают сутки. Затем гвозди вынимают, а яблоко съедает больной.

Как вы можете объяснить эффективность «железного» яблока с точки зрения химии?

5.5. Лечение травами становится все более популярным, однако большинство людей не соблюдают точно рецептуру приготовления отваров и настоев, особенно дозировку сырья, хотя это очень важно при лечении травами. Большинство трав рекомендуют заваривать в такой пропорции: одна полная столовая ложка (20 г) сухой измельченной травы на стакан (200 мл) кипящей воды, т. е. в соотношении массовых частей 1:10. Летом можно готовить препараты не из сушеных, а из свежесобранных трав. Как при этом правильно рассчитать соотношение травы и воды, чтобы получить настой той же концентрации?

Информация. Влажность правильно высушенной травы 8—15%, а в свежесорванных растениях, в зависимости от их вида, содержание воды составляет 70—95%.

5.6. Для уменьшения кислотности желудочного сока и снижения его протеолитической активности при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гастритах с повышенной кислотностью в арсенале врачей есть такие препараты, как бекарбон (одна таблетка содержит сухого экстракта красавки 0,01 г и гидрокарбоната натрия 0,3 г), оксид магния MgO, магнезия белая Mg(OH)₂ · 4MgCО₃ · Н₂О, викалин (в состав которого входят BiNО₃(ОH)₂, Mg(OH)₂ · 4MgCО₃ · Н₂О, NaHCО₃), гидроксид алюминия (в виде аморфного белого порошка), алмагель (смесь специально приготовленного геля Аl(ОН)₃ с MgO и сорбитом). Многие больные до сих пор, если нет этих лекарств, пользуются обычной питьевой содой, чтобы избавиться от изжоги (что врачи делать не рекомендуют!). Попробуйте сравнить механизм действия всех названных препаратов и объяснить, какие есть преимущества у каждого из них, почему врачи сейчас отдают предпочтение препаратам на основе Аl(ОН)₃ и не рекомендуют принимать соду для нейтрализации избыточной кислотности желудочного сока.

5.7. Профессиональные спортсмены обычно имеют при себе препараты для неотложной помощи при небольших травмах (например, растяжении связок голеностопного сустава). В качестве таких препаратов часто используют хлорэтил С₂Н₅С1 в ампулах или комплект из двух герметичных пакетов: в одном находится сухой NH₄NO₃, в другом — вода. С точки зрения физиологии оба препарата действуют одинаково: вызывают быстрое охлаждение поврежденного сустава, это снимает боль и отечность. Однако с точки зрения химии их действие принципиально различается. Попробуйте объяснить, в чем заключается различие.

Подсказка. Температура кипения хлорэтила 12—16 °С.

5.8. Многим известен способ лечения насморка или радикулита с помощью поваренной соли. Ее нагревают на сковороде или в духовке, насыпают в мешочек из плотной ткани, а мешочек прикладывают к больному месту на несколько часов. Какие свойства поваренной соли использованы в этом рецепте? Кстати, вместо соли можно использовать и чистый песок, который, как известно, состоит преимущественно из Si0₂.

5.9. В рекламе лечебно-косметического крема «Ксения» рассказывается о свойстве крема восстанавливать солевой баланс в мышечных и костных тканях. В числе прочих в тексте есть и такая фраза: «Тем временем «Ксения» перемывает вам косточки, выясняя свои отношения с кальцием, то бишь известкой, и делает из вас ягодку в полном смысле слова. Если вы пользуетесь «Ксенией», вам не грозит отложение солей кальция в аорте, сердце и почках. Вы избежите остеохондроза, кальциноза мягких тканей, остеопороза...» Что в этом тексте может вызвать возражение с точки зрения химии?

5.10. Кариес стал настоящим бичом населения России. По статистике, им болеют более 96% населения. Одна из мер профилактики — тщательный уход за зубами. Желательно их чистить щеткой после каждого приема пищи. Но есть одно исключение: если вы ели кислые ягоды или фрукты, лучше в течение часа не чистить зубы, особенно жесткой щеткой. Почему?

Подсказка. Химический состав зубной эмали близок к составу минерала гидроксилапатита Са₅ОН(РО₄)₃.

5.11. Кальций играет важную роль в жизнедеятельности организма. Ионы кальция необходимы для осуществления процесса передачи нервных импульсов, для сокращения скелетных мышц и мышцы сердца, для формирования костной ткани, для свертывания крови. Препараты кальция широко используют, в частности, при лечении переломов, при усиленном выделении кальция из организма, что имеет место у долго лежащих больных. В арсенале медиков есть несколько препаратов кальция. Чаще всего применяют глюконат, лактат и глицерофосфат кальция, которые выпускаются в таблетках. По своему действию на организм эти препараты похожи, поэтому врачи нередко рекомендуют приобрести любой из них, оставляя право выбора за пациентом. Какой препарат рациональнее выбрать из вышеперечисленных, если их цена примерно одинакова?

Ответы и решения

5.1. Да, этот препарат можно использовать без риска для здоровья. Белый осадок — это карбонат кальция СаСО₃, который образовался в результате взаимодействия СаСl₂ с СO₂ воздуха. Небольшое количество СаСО₃ абсолютно безвредно.

Следует помнить, что описанный нами случай все-таки является исключением из общего правила — большинство лекарственных препаратов нельзя употреблять после истечения срока их хранения, указанного на упаковке, так как многие из них являются органическими соединениями сложного состава и продукты их разложения могут быть очень токсичны.

5.2. При лечении по методу М. П. Демьяновича непосредственно на коже происходит окислительно-восстановительная реакция:

В момент выделения сера особенно активно действует на чесоточного клеща, аналогичным действием обладает и SO₂. Именно поэтому метод М. П. Демьяновича дает такие хорошие результаты.

5.3. У химика формулировка «щелочные валентности» вызывает недоумение. Валентность — это способность атома присоединять или замещать определенное число других атомов или атомных групп с образованием химической связи. А что имел в виду автор под «щелочными валентностями», можно только догадываться. Если воспользоваться справочником химического состава растительных продуктов, то можно обнаружить, что в состав овощей входят, наряду с кальцием, также калий, натрий, рубидий, литий, т. е. щелочные металлы. Можно предположить, что их-то автор и называет «щелочными валентностями». Поскольку причина мочекаменной болезни заключается в нарушении солевого обмена в организме, минеральный состав пищи очень важен для больного, и ему необходимо следить за содержанием в его рационе всех минеральных веществ, в том числе и щелочных металлов. Более корректно, с точки зрения химика, этот совет должен быть сформулирован так: «Из зелени и овощей в рацион включать те сорта, которые бедны ионами кальция и щелочных металлов». Кстати, в этом тексте есть формулировка, некорректная и с точки зрения биолога: термин «сорт» следовало бы заменить термином «вид» или «культура».

5.4. Железо применяют для лечения малокровия потому, что оно входит в состав гемоглобина. Рекомендуют таким больным и яблоки, так как они — настоящий чемпион среди фруктов по содержанию железа (в среднем 2200 мг в 100 г продукта). Железо, входящее в состав сплава, из которого сделаны гвозди, растворяется, хотя и медленно, в органических кислотах, содержащихся в яблоке. Яблоко обогащается железом. Считается, что из всех сортов яблок больше всего железа в антоновских, много в них и кислот, что облегчает растворение железа.

5.5. Примем для расчета среднеарифметические значения содержания влаги как в свежих, так и в высушенных растениях: в свежих (70 + 95) : 2 = 82,5%, в сухих (8 + 15) : 2 = 11,5%. Для приготовления одного стакана настоя надо взять 20 г сушеного сырья и 200 г воды. Если массовая доля воды в сушеном сырье составляет 11,5%, то содержание сухого растительного материала составляет 100 - 11,5 = 88,5%.

В 100 г сырья — 88,5 г растительного материала,

в 20 г — х г,

Для приготовления одного стакана настоя необходимо иметь 17,7 г растительного сырья в пересчете на сухое вещество.

В свежесорванных растениях массовая доля сухого вещества составляет 100 - 82,5 = 17,5%.

В 100 г сырья — 17,5 г сухого растительного материала,

в х г — 17,7 г,

Поскольку в настоях и отварах трав абсолютно точно дозировать содержание лекарственного вещества невозможно, с достаточной степенью точности можно принять, что необходимое нам количество абсолютно сухого растительного сырья содержится в 100 г свежесорванной травы. В таком количестве травы содержится и значительное количество воды, следовательно, надо уменьшить объем воды для приготовления настоя. В 100 г свежесорванной травы содержится 82,5%, т. е. 82,5 г воды. Для приготовления стакана настоя надо взять 200 - 82,5 = 117,5 г воды.

Чтобы проверить правильность расчетов, определим массовую долю сухого растительного препарата в настоях, приготовленных из высушенных и свежесорванных растений.

В первом случае общая масса настоя 200 + 20 = 220 г, массовая доля сухого вещества (17,5 : 220) · 100 = 8%.

Во втором случае общая масса настоя 117,5 + 100 = 217,5 г, массовая доля сухого вещества (17,7 : 217,5) · 100 = 8,1%.

Массовая доля сухого лекарственного препарата и в том и в другом случае практически совпадает, что подтверждает правильность расчетов.

Таким образом, для приготовления настоя лекарственных трав из высушенного сырья надо взять 20 г сырья и 200 мл воды, а для приготовления настоя такой же концентрации из свежесорванных растений надо взять 100 г сырья и приблизительно 120 мл воды.

5.6. При приеме внутрь соды, как и таблеток бекарбона, магнезии, викалина происходит взаимодействие карбонатов с соляной кислотой, содержащейся в желудочном соке, при этом выделяется СO₂ и в довольно значительном количестве: если принять 1 г NaHCO₃, то при условии его полного взаимодействия с НСl выделится 0,52 г СO₂ (около 0,3 л). Углекислый газ не только вызывает дискомфорт в желудке (ощущение тяжести, переполнения, отрыжка), но и возбуждающе действует на рецепторы слизистой оболочки желудка, вызывая усиление секреции желудочного сока. Кстати, именно поэтому больным гастритом и язвенной болезнью не рекомендуется употреблять газированные напитки. Поэтому с точки зрения физиологии предпочтительнее такие вещества, как MgO и Аl(ОН)₃. Последний не только нейтрализует кислоту, но и образует гель, который обволакивает стенки желудка, равномерно распределяясь по всей его поверхности, и обеспечивает более продолжительное действие.

5.7. В этом задании рассматривается изменение энергии в процессе фазовых переходов: при испарении жидкости и при растворении твердого вещества. При обработке сустава хлорэтилом понижение температуры происходит за счет его быстрого испарения. При смешивании содержимого двух пакетов второго препарата (нитрата аммония и воды) понижение температуры обусловлено процессом растворения соли в воде. В данном случае энергия расходуется на разрыв ионных связей в молекуле NH₄NO₃.

5.8. Это задание на повторение физических свойств химических соединений, которые нередко определяют сферу их применения.

В данном случае играют роль не химические, а физические свойства хлорида натрия: его довольно высокая теплоемкость. Аналогичными свойствами обладает песок.

5.9. У химика прежде всего вызывает недоумение термин «известка». Этим словом в просторечии обозначают группу строительных материалов, применяемых для побелки. В нее входят гашеная известь Са(ОН)₂ и мел СаСO₃. Во-первых, непонятно, что имели в виду авторы рекламного текста — известь или мел, во-вторых, абсолютно некорректно отождествлять все соли кальция, в виде которых этот элемент может находиться в организме, с «известкой», что сделали авторы, написав «...с кальцием, то бишь известкой». Правильно здесь только то, что любая «известка» действительно содержит кальций.

5.10. Гидроксилапатит относится к основным солям, которые легко растворяются в кислотах, даже в таких слабых, как яблочная, лимонная, щавелевая, содержащихся в кислых фруктах. Поэтому эмаль частично размягчается и при чистке зубов ее легко повредить. Лучше сразу же после того, как вы поели кислые ягоды или фрукты, прополоскать рот раствором питьевой соды.

5.11. Очевидно, по экономическим соображениям следует выбрать тот препарат, в котором больше массовая доля кальция. Поэтому прежде всего необходимо рассчитать массовую долю кальция в грех соединениях.

Глюконат кальция

Лактат кальция

Глицерофосфат кальция

Таким образом, из трех солей массовая доля кальция больше всего в глицерофосфате кальция.

Надо также иметь в виду, что по своему физиологическому действию глицерофосфат кальция несколько отличается от лактата и глюконата, так как содержит фосфор. Поэтому он стимулирует обмен веществ и оказывает общеукрепляющее и тонизирующее действие. В целом можно сказать, что глицерофосфат кальция не только содержит больше кальция, но имеет и более высокую биологическую активность за счет содержания фосфора.