Химия и здоровье. Химия в медицине и сельском хозяйстве

Цели урока

• Приводить примеры лекарственных средств и объяснять их действие на основе химических свойств.
• Классифицировать минеральные удобрения (азотные, фосфорные, калийные) и понимать принципы их применения.
• Характеризовать пестициды (ядохимикаты) и знать правила безопасности при их использовании.
• Понимать биологическую роль витаминов и последствия их недостатка.

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание №25 в ЕГЭ по химии охватывает прикладные темы: химию в быту, медицине, сельском хозяйстве, экологии и промышленности. Вам могут встретиться вопросы:

• о химическом составе лекарств (аспирин, парацетамол, активированный уголь, аммиак);
• о витаминах (аскорбиновая кислота, ретинол, кальциферол);
• о классификации удобрений и их химических формулах;
• о пестицидах и их влиянии на окружающую среду;
• о безопасном применении химикатов в сельском хозяйстве.

Также эти знания необходимы для понимания роли химии в решении продовольственных и медицинских проблем.

Теория

1. Химия в медицине

1.1. Лекарственные препараты

Лекарства — это вещества или смеси веществ, влияющие на биохимические процессы в организме. Их действие основано на химическом взаимодействии с рецепторами, ферментами или другими молекулами.

Примеры распространённых лекарств и их химическая основа:

Важно: многие лекарства — это органические кислоты, основания или их соли. Например, аспирин — слабая кислота, парацетамол — амид.

1.2. Витамины

Витамины — органические соединения, необходимые в малых количествах для нормального обмена веществ. Большинство не синтезируется в организме и должно поступать с пищей.

Химическое свойство: аскорбиновая кислота — хороший восстановитель ($C_6H_8O_6 \rightarrow C_6H_6O_6 + 2H^+ + 2e^-$), поэтому её используют для защиты других веществ от окисления.

2. Химия в сельском хозяйстве

2.1. Минеральные удобрения

Удобрения — вещества, содержащие элементы (N, P, K, а также Mg, S, Fe и др.), необходимые для роста растений. Делятся на азотные, фосфорные, калийные и комплексные.

Азотные удобрения

Усиливают рост вегетативной массы. Применяют весной.

Химическая реакция гидролиза мочевины:

$$CO(NH_2)_2 + H_2O \xrightarrow{\text{уреаза}} 2NH_3 + CO_2$$

Важно: аммиачная селитра — сильный окислитель; её нельзя хранить вместе с горючими веществами и органическими удобрениями (навоз, торф).

Фосфорные удобрения

Стимулируют цветение, плодообразование, рост корней. Вносят осенью или весной, так как фосфор малоподвижен в почве.

Взаимодействие фосфоритной муки с кислотами почвы: $Ca_3(PO_4)_2 + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + 2CaHPO_4$ (переход в доступную форму)

Калийные удобрения

Повышают устойчивость к засухе, болезням, улучшают вкус плодов.

Запомните: большинство растений чувствительны к хлору, поэтому для картофеля, томатов, винограда предпочтительнее $K_2SO_4$.

Комплексные удобрения

Содержат два или три основных элемента (NPK).

• Аммофос — $NH_4H_2PO_4$ (N ~12%, P ~50%).
• Диаммофос — $(NH_4)_2HPO_4$ (N ~18%, P ~46%).
• Нитроаммофоска — $NH_4H_2PO_4 + NH_4NO_3 + KCl$ (в разных пропорциях, например, 16:16:16).

2.2. Ядохимикаты (пестициды)

Пестициды — химические средства защиты растений от вредителей, болезней и сорняков.

Безопасность при работе с пестицидами:

• Использовать СИЗ (респиратор, перчатки, очки, защитную одежду).
• Проводить обработку в отсутствие людей и животных.
• Соблюдать сроки ожидания до сбора урожая (указаны на упаковке).
• Не допускать попадания в водоёмы (токсичны для гидробионтов).
• Хранить в недоступном для детей и животных месте, отдельно от продуктов питания.

Химические реакции:

• Гидролиз фосфорорганических инсектицидов в щелочной среде (разложение).
• Взаимодействие фосфида цинка с водой: $Zn_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 2PH_3 \uparrow + 3Zn(OH)_2$ (фосфин — очень ядовит).

Примеры

Пример 1 (классификация удобрения). На пакете удобрения написано: «Аммофос, содержание N — 12%, $P_2O_5$ — 52%». К какой группе удобрений оно относится? Напишите химическую формулу основного компонента.

Решение: Аммофос — комплексное фосфорно-азотное удобрение. Его формула $NH_4H_2PO_4$ (дигидрофосфат аммония). Проверка: $M(N) = 14$, $M(P_2O_5) = 142$, в одной формуле $NH_4H_2PO_4$ содержится 1 атом P, что соответствует 0,5 $P_2O_5$. $M(NH_4H_2PO_4) = 115$. Массовая доля N = $14/115 \approx 12.2\%$, $P_2O_5$ = $0.5 \cdot 142 /115 \approx 61.7\%$. Расхождение из-за примесей или других компонентов.

Пример 2 (сравнение удобрений). Что эффективнее как источник азота: 1 кг карбамида или 1 кг аммиачной селитры? Рассчитайте массу азота в каждом.

Решение:

• Карбамид $CO(NH_2)_2$: $M = 60$ г/моль, 2 атома N = 28 г, массовая доля N = $28/60 \approx 0.467$ (46.7%). В 1 кг — 467 г азота.
• Аммиачная селитра $NH_4NO_3$: $M = 80$ г/моль, 2 атома N = 28 г, массовая доля N = $28/80 = 0.35$ (35%). В 1 кг — 350 г азота. Карбамид содержит больше азота на 117 г.

Пример 3 (лекарство и химия). Какие химические свойства аспирина позволяют использовать его для разжижения крови? Почему аспирин нельзя принимать одновременно с алкоголем?

Решение: Аспирин (ацетилсалициловая кислота) необратимо ацетилирует фермент циклооксигеназу (COX), что снижает синтез тромбоксана $A_2$ — вещества, вызывающего агрегацию тромбоцитов. Поэтому кровь становится более жидкой. Алкоголь усиливает раздражение слизистой желудка и повышает риск кровотечений (синергический ульцерогенный эффект).

Пример 4 (пестицид). Бордоская смесь готовится смешиванием растворов медного купороса и гашёной извести. Какое соединение образуется в результате? Почему смесь эффективна против грибков?

Решение: Происходит реакция: $CuSO_4 + Ca(OH)_2 \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + CaSO_4$. Основное действующее вещество — малорастворимый гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$. При попадании на лист он разлагается с выделением ионов меди $Cu^{2+}$, которые токсичны для грибков, ингибируя ферменты. Известь нужна для нейтрализации кислоты и предотвращения ожога листьев.

Вопросы для самопроверки

1. Напишите формулу карбамида. Как он гидролизуется в почве?
2. Почему аммиачную селитру нельзя смешивать с органическими удобрениями (навозом, торфом)?
3. Какое удобрение лучше использовать для подкормки картофеля — хлорид калия или сульфат калия? Почему?
4. Чем отличается суперфосфат простой от двойного?
5. Назовите два витамина, которые являются антиоксидантами (защищают клетки от окисления).
6. Какое лекарство применяют при отравлении угарным газом? (Вспомните метгемоглобинобразователи.)
7. Какую роль играет кобальт в витамине $B_{12}$?
8. Каков механитоксического действия фосфида цинка на грызунов?

Краткий конспект

• Лекарства — многие являются кислотами или их производными (аспирин), адсорбентами (уголь), слабыми основаниями (аммиак), окислителями ($H_2O_2$, $I_2$).
• Витамины — органические соединения, незаменимые факторы питания. Примеры: $C$ (аскорбиновая кислота — восстановитель), $A$, $D$, $E$, $B_{12}$ (содержит $Co$).
• Азотные удобрения — $NaNO_3$, $Ca(NO_3)_2$, $NH_4NO_3$, $(NH_4)_2SO_4$, $CO(NH_2)_2$.
• Фосфорные удобрения — суперфосфат $Ca(H_2PO_4)_2$, преципитат $CaHPO_4$, фосфоритная мука $Ca_3(PO_4)_2$.
• Калийные удобрения — $KCl$, $K_2SO_4$, $K_2CO_3$.
• Пестициды — инсектициды, гербициды, фунгициды. Бордоская смесь ($Cu(OH)_2 + CaSO_4$) — фунгицид. Фосфид цинка $Zn_3P_2$ — зооцид.
• Правила безопасности: строгое соблюдение инструкций, СИЗ, сроки ожидания.

Что изучать дальше

Следующий урок — урок 70 «Химическая промышленность. Производство важнейших веществ». Вы познакомитесь с производством серной кислоты, аммиака, переработкой нефти и металлургией. Эти темы также входят в задание №25 и расширяют понимание применения химии в промышленности.

Для закрепления решите задания №25 из сборников ЕГЭ, относящиеся к медицине, витаминам и удобрениям.