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Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

WS 1998/99

'Fluor und Iod als Spurenelemente

Bearbeitet von Silke Tröster

1 Theorie

1.1 Einleitung

Die menschliche Gesundheit geht jeden etwas an und in unserer Gesellschaft ist die Ärzteschaft hoch angesehen und es gibt Spezialisierungen in allen Richtungen. Dennoch gibt es in der Schule kein Fach, das sich speziell mit der Gesundheit des Menschen befaßt. Daher

0. sind alle anderen Fächer aufgefordert hier ihren Beitrag zu leisten. Auch in der Chemie kann

j

man hier gut informieren, z.B. über die Notwendigkeit von Spurenelementen, die hier am Beispiel des Fluors und des Iods, zwei Halogenen, die damit zwar eine Gemeinsamkeit haben, aber dennoch verschiedene Aspekte der Spurenelemente aufzeigen. Zu den Spurenelementen gehören auch noch Eisen, Kupfer, Zink, Chrom, Selen, Calcium, Magnesium, Lithium, Cobalt, Molybdän, Silicium und Mangan.

Spurenelemente sind wichtige und notwendige Stoffe im Körper. Fehlen sie, kommt es zu Mangelerscheinungen, die schwere Krankheiten auslösen können. Auf der anderen Seite werden sie jedoch nur in "Spuren", das heißt in kleinen Mengen im Milli- oder Mikrogrammbereich benötigt. Oft besteht nur ein schmaler Grad zwischen einer Mangelerscheinung durch ein fehlendes Spurenelement und toxischen Auswirkungen aufgrund einer Überdosierung eines Spurenelementes.

Spricht man über Spurenelemente, dann verwendet man oft den Elementnamen, denn man bezieht sich bei den Mengenangaben meist auf das Element in atomarer Form und rechnet alle anderen Formen darauf zurück. Wirksam sind Spurenelemente jedoch meist in ionisch gelöster oder in komplexgebundener Form.

1.2 Das Spurenelement Flu.or

Das Spurenelement Fluor kommt im ganzen Körper sogar in größeren Mengen vor. Vor allem

im Knochen (0,9-2,7 g/kg) und in den Zähnen (Dentin 0,2-0,7 g/kg und Zahnschmelz 0,1-0,3

g/kg) ist es eingelagert. Aber auch in den Körperflüssigkeiten Blut, Magensaft und Schweiß

und in den festen Bestandteilen Haut, Haaren und Muskeln kommt es in geringeren Mengen

vor. Um die Menge an Fluor aufrechtzuerhalten, muß Fluor täglich aufgenommen werden. In

der Nahrung befinden sich kleinere Mengen an Fluor. Reichhaltig an Fluor sind vor allem

Teeblätter (8,5mg/lOOg), Walnüsse (0,7mg/l00g) und Seefische (0,1-0,5mg/100g). Auch in

Butter, Ei und Leber sind nennenswerte Mengen an Fluor enthalten (0,lmg/100g). Trotzdem

nehmen wir im Durchschnitt täglich nur etwa 0,3-0,7 mg Fluor auf. Der von der Deutschen

Gesellschaft für Ernährung empfohlene Wert liegt jedoch deutlich höher bei 1,5-4mg pro Tag

und Erwachsener. Dies ist nicht auf die leichte Schulter zu nehmen, den zu den

Mangelsymptomen gehören Wachstumsverringerungen bei noch im Wachstum begriffenen

Kindern, das allseits bekannte Karies und Osteoporose, der Knochenschwund, der vor allem

bei älteren Frauen auftritt.

Ml Um solchen Mangelerscheinungen vorzubeugen kann man zusätzliches Fluor aufnehmen.

Eine Möglichkeit ist die Verwendung einer Zahnpasta, der Fluor zugesetzt wurde. Das darin enthaltene Fluorid kann leicht mit dem im Anhang beschriebenen Versuch 1 nachgewiesen werden.

Aber es gibt noch andere Möglichkeiten die Fluorversorgung in der Bevölkerung zu steigern.

Zum Beispiel in England, der USA und der Schweiz wird seit einigen Jahren dem Trinkwasser mit Erfolg Fluor zugesetzt. Die Karieswahrscheinlichkeit vor allem der Kinder hat sich dadurch drastisch vermindert. Leider ist diese Methode nicht ganz unproblematisch, weshalb sie in Deutschland noch nicht durchgeführt wurde. Zum einen ist die Spanne zwischen von der WHO empfohlenen Fluor-Zusatz von 1 ppm und der bereits als toxisch eingestuften Menge von 2 ppm sehr gering, so daß eine Dosierung sorgfältig erfolgen muß.

Zum anderen wird ein großer Teil des Wassers nicht zur Nahrungsaufnahme, sondern z.B. für die Wäsche benötigt. Dadurch gelangt ein großer Teil des zugefügten Fluors ohne Nutzen wieder in die Kanalisation und kann sich schließlich imVorfluter zu toxischen Konzentrationen ansammeln. Zusätzlich gibt es in Deutschland ein Gesetz, daß .Zwangsmedikationen" verbietet. Moralisch problematisch ist letzendlich die Möglichkeit, daß die Industrie die Zufügung von Fluor zum Trinkwasser nutzt, um ihren Fluor-Abfall

loszuwerden. Dabei werden sie natürlich eine möglichst hohe Konzentration an Fluor i m v Trinkwasser wünschen, um möglichst viel Abfall loswerden zu können.

Eine weitere Möglichkeit der Fluorzuführung ist die Verwendung von fluoridiertem Speisesalz. Es ist jedoch eine freiwillige Maßnahme und es kommt hier auf den Kunden an, inwieweit er diese Möglichkeit nutzen möchte.

Bei der Verwendung von fluoridierter Zahnpasta schließlich, ist die optimale Versorgung wiederum Benutzeraghängig, je nach dem wie häufig er sich mit dieser Zahnpasta die Zähne putzt.

Wird das Fluor nun aufgenommen und gelangt an die Zähne, so wirkt das Mineral Apatit als Bestandteil der Zähne als natürlicher Ionenaustauscher. Die Fluorid-Ionen werden gegen Hydroxid-Ionen im Apatit ausgetauscht. Man kann das leicht mit einer Ionenaustauscherapparatur zeigen (siehe. Versuch 2). Statt eines künstlichen Ionenaustauschers kann man auch kleingemahlene Zähne verwenden.

In der Struktur des Apatits ist das Fluorid-Ion leicht gegen das Hydroxid-Ion an gleicher Stelle austauschbar, da beide ähnlich große Ionenradien besitzen. Da das Hydroxid-Ion etwas größer ist, weitet es die Kristallstruktur etwas auf, wenn es gegen Fluorid Ionen ausgetauscht wird. Umgekehrt zieht sich die Kristallstruktur natürlich etwas zusammen, wenn Fluorid- Ionen an Stelle der Hydroxid-Ionen eingebaut werden. Dadurch wird der Zahn härter und säureresistenter. Zusätzlich wird die Bindung zwischen Mineral und Protein der Zähne fester.

Darüber hinaus hindert das Fluor die Enzyme der Karies-Bakterien und sorgt damit für eine geringere Säureproduktion. Die Säureresistenz der Zähne läßt sich sehr schön mit Versuch 3 zeigen. Man kann damit anschaulich zeigen, daß Zähneputzen mit fluoridhaltiger Zahnpasta die Zähne länger leben läßt.

1.3 Das Spurenelement Iod

i .~

Das Spurenelement Iod benötigen wir nur in einer täglichen Dosis von etwa 200·-300 ug. Die

normalen Nahrungsmittel enthalten jedoch nur wenige ~g an Iod und gerade das sonst so

mit 10-11 ug pro 100g, aber wirklich nennenswerte Mengen enthält nur Seefisch mit etwa 190 ug pro 100g. Da ist es nicht verwunderlich, wenn die täglich aufgenommene Menge an Iod in I?eutsch~and nur durchschnittlich 50-70 ug beträgt, also weit unter der empfohlenen Menge hegt. DIe Mangelerscheinungen sind jedoch nicht ungefährlich. Da ist zum einen der bekannte Kropf, der nach außen unschön ist, aber auch nach innen wachsen kann und dann Luft- und Speiseröhre abdrücken kann. Zusätzlich können sich hier auch Krebszellen ausbilden. Iodmangel bei Kindern kann schwere Intelligenzminderung verursachen, die bis zu einem Iodmangelverursachten Kretinismus gehen kann, aber auch Erwachsenen sind unter Iodmangel weniger leistungsfähig. Schließlich ist unter den vielen anderen Mangelerscheinungen noch die gestörte Fruchtbarkeit zu nennen, aber Iodmangel ist nicht leicht zu diagnostizieren, denn Iod greift in fast alle Körperfunktionen ein, wie noch gezeigt wird.

Eine Möglichkeit den Mangel auszugleichen ist die Verwendung von iodiertem Speisesalz.

Mit Versuch 4 kann leicht bestimmt werden, welche Mengen an Iod in einem Gramm iodiertem Speisesalz enthalten sind. Gesetzlich sind 15 - 251lg Iod pro Gramm Iodsalz vorgeschrieben. Da man jedoch nur etwa ein bis zwei Gramm zusalzen sollte, bekommt man nur etwa 20-40 ll g Iod zusätzlich über diesen Weg, wenn man nicht auch bei den anderen Speisen auf eine Zubereitung mit Iodsalz beim Einkauf achtet. Zusätzlich gehört Fisch mindestens einmal wöchentlich auf den Speiseplan, wenn man eine ausreichende Iodvorsorge gewährleisten will. Wer hier nicht mithalten kann, sollte sich eventuell überlegen, ob er nicht zusätzlich Iodtabletten aus der Apotheke zu sich nehmen sollte, denn ein gesunder Körper scheidet überschüssiges Iod leicht aus und erst bei einet Iodaufnahme im Grammbereich kann es zu toxischen Erscheinungen infolge Iodüberschusses kommen.

Im Körper wird das Iod als Iodid in die Blutbahn aufgenommen und nur die Schilddrüse nimmt es von dort aktiv auf. Dieser aktive Transport von Iodid in die Schilddrüse ist steuerbar, so daß die Schilddrüse bei gutem Iodangebot so gut wie nichts aufnimmt, ihre Aufnahmekapazitäten bei Iodmangel aber enorm steigern kann. Diese Tatsache kann man sich bei Reaktorunfällen zunutze machen, wenn radioaktives Iod, das aktives Schilddrüsengewebe zerstören kann, leicht aufgenommen wird. Man gibt den Patienten in diesem Fall hohe Dosen an Iodid, so daß die Schilddrüse damit gesättigt ist und das radioaktive Iod so gut wie nicht aufnimmt. Auf der anderen Seite kann radioaktives Iod auch helfen Schilddrüsenoperationen zu ersetzen. Das radioaktive Iod wird dann spezifisch in überaktive Bereiche der Schilddrüse gebracht, die es inaktiviert. Schilddrüsenoperationen sind in Deutschland häufig, jedoch nicht ganz ungefährlich.

In der Schilddrüse wird dann das Iodid zu Iod oxidiert. Versuch 5 zeigt eine Oxidation von Iodid zu Iod mithilfe eines Oxidationsmittels. Dieses Iod wird nun für eine Iodierungsreaktion verwendet. Versuch 6 zeigt eine Iodierungsreaktion am Tyrosin, wie sie in der Schilddrüse in ähnlicher Weise abläuft. Dabei wird jedoch ein Komplexsalz verwendeter, bei dem das Iod bereits in aktivierter Form, gebunden als einwertig positives Iod, vorliegt. In der Schilddrüse liegt das Tyrosin jedoch nicht frei vor, sondern als Bestandteil des Thyreoglobulins. Die Tyrosylreste dieses Globulins werden einfach oder zweifach iodiert und anschließend in einer Koppelungsreaktion verknüpft. Dabei werden je zwei Diiodtyrosylreste zu einem "Thyroxin"- Rest und ein Diiodtyrosyl und ein Monoiodtyrosylrest zu einem "Triiodthyronin"-Rest verknüpft. Es wird etwa 20 mal mehr Thyroxin als Triiodthyronin in der Schilddrüse gebildet.

In dieser Form können die Schilddrüsenhormone nun in der Schilddrüse gespeichert werden.

Die Schilddrüse kann auf diese Weise eine Iodspeicher anlegen, der für zwei Monate reicht,

ohne weiteres Iod zuführen zu müssen. Erst bei Hormonstimulation der Schilddrüse werden

die Schilddrüsenhormone freigegeben, indem das Thyreoglobulin in die einzelnen

Aminosäuren gespalten wird. Dabei wird auch nicht verkoppeltes Monoiod- und Diiodtyrosin

frei. Diese werden deiodiert und das Iod kann wieder für weitere Iodierungsreaktionen

eingesetzt werden. Thyroxin und Triiodthyronin (T3) werden dann mit dem Blut in alle

1 I

Bereiche des Körpers transportiert und gelangen schließlich in die einzelnen Zellen. Erst dort wird das Thyroxin deiodiert, denn es ist vorher noch nicht sehr wirksam. Die eigentlich aktive Form ist das T3. Bei der Deiodierung in der Zelle werden jedoch außer dem T3 auch in etwa gleichen Mengen die reverse Form, das rT3 gebildet. Dieses ist inaktiv und hat keine weitere Funktion. Das T3 greift nun in die Steuerung verschiedener Enzymsysteme ein. Dabei ist es sehr vielseitig einsetzbar. Bekannt ist es vor allem für die Steuerung der Synthese von Proteinen und zwar sowohl der Transkription als auch der Translation. Aber auch der Aufbau des Nervensystems wird wesentlich von den Schilddrüsenhormonen gesteuert. Im Endeffekt werden fast alle .bekannten Enzymsysteme auf irgend eine Weise von den Schilddrüsenhormonen beeinflußt, so daß letztendlich das Iod in alle Körperfunktionen mit eingreift..

1.4 Schlußwort

\

.

Vor etwa 70 Jahreri stellte der amerikanische Schilddrüsenarzt David Marine fest: "Der Iodmangelkropf ist von allen bekannten Krankheiten die am leichtesten zu verhütende. Sie kann von der Liste menschlicher Krankheiten gestrichen werden, sobald die Gesellschaft dies zu tun beschließt." Trotzdem gibt es immer noch die Iodmangelkrankheiten und gerade in dem sonst so fortschrittlichen, industrialisierten Deutschland nehmen sie eine feste Stellung ein. Die WHO hat es sich zur Aufgabe gemacht den Iodmangel auf der Welt bis zum Jahr 2000 eliminiert zu haben, aber in Deutschland wird dieses Ziel wohl nicht erreicht. Ein Grund ist sicherlich auch eine mangelnde Aufklärung. Solche Aufgaben sind sicherlich auch durch die Schule zu übernehmen. Hier ist es keine Frage, daß die Schüler dabei etwas für ihr Leben lernen. Solche Dinge sollten in der Schule viel mehr betont und von allen Seiten her unterrichtet werden, den Mangelkrankheiten aufgrund von Spurenelementmangel müssen nicht sein. Sie sind mit einfachen Mitteln zu verhindern. . .

l.

2 Versuchsbeschreibungen

2. 1 Versuch 1: Nachweis von Fluorid in Zahnpasta

Geräte: 600 ml Becherglas, Glasstab, 100 ml Erlenmeyerkolben, Trichter, Filterpapier, Reagenzglas, Reagenzglasständer

Chemikalien: Zahnpasta mit Fluorid, Salzsäure (c=2 mol/l), Eisen(III)chlorid (R: 22-38-41, S:

26 Xn), Kaliumthiocyanat (R: 20/21/22-32, S: 13 Xn).

R- und S-Sätze:

R 22: Gesundheitsschädlich beim Verschlucken

R 20/21/22: Gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut 0. R 32: Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase

R 38: Reizt die Haut

R 41: Gefahr ernster Augenschäden

S 13: Von Nahrungsmitteln, Getränken und Futtermitteln femhalten

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren Versuchsdurchführung: In das Becherglas werden ca. 50 g Zahnpasta eingewogen und mit ca.

100 ml der Salzsäure aufgeschlemmt. Nach dem es abreagiert hat, kann die füssige Phase abfiltriert werden. Darin sollte sich das gelöste Fluorid befinden. Aus dem Eisen(III)chlorid und dem Kaliumthiocyanat stellt man eine rotgefärbte Eisen(III)thiocyanatlösung her. Zu dieser gibt man das Filtrat. Die Eisen(III)thiocyanatlösung sollte sich entfärben.

Reaktionsgleichung: Fe(NCS)3 + F- ~ [FeF 6 r ^{+ 3 SCN-}

Die Zusammensetzung des Eisen(III)thiocyanates ist je nach den verwendeten

Konzentrationen unterschiedlich. Es können ein bis sechs Thiocyanat Ionen am Eisen angelagert sein, wobei der Rest durch Wasser aufgefüllt wird. Beim Eisen-Fluorid-Komplex gelten ähnliche Prinzipien.

Entsorgung: Das überschüssige Fluorid wird durch die Zugabe von weiterem Eisen(III)chlorid

komplexiert, bis wieder der rote Eisen(III)thiocyanat-Komplex sichtbar ist. Die Lösung kann

dann in die Schwermetallabfälle entsorgt werden.

2.2 Versuch 2: Ionenaustauscher

Geräte: Ionenaustauschersäule, Tropftrichter, Stativmaterial, 600 ml Erlenrneyerkolben,

~agne~er ,ftührfisch

.

~

. , . .

^,

.

-,

Chemikalien: Austauscherharz Lewatit M 500 , Natronlauge (c= 4 mol/l) (R : 35, S: 2-26-27- 37 /39 C) , Natriumfluorid (ft: 25-32-36/38 , S: 22.,-36-45 T), entionisiertes Wasser, Glaswolle, Thymolblau

R- und S-Sätze:

R 25: Giftig beim Verschlucken

R 32: Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase R 35: Verursacht schwere Verätzungen

R 36 /38: Reizt die Augen und die Haut

S 2: Darf nicht in die Hände von.Kindern gelangen S 22 : Staub nicht einatmen

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 27: Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen

S 36: Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen

S 37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich dieses Etikett

vorzeigen)

Versuchsdurchfiihrung: Die Ionenaustauschersäule wird am Stativmaterial befestigt Am Ausfluß wird ein Hahn befestigt. Zunächst wird etwas Glaswolle unten in die

Ionenaustauschersäule gelegt und dann wird die Säule mit dem Austauscherharz etwa bis 5 cm unter den Rand befiillt. Man sollte darauf achten, daß keine Luftblasen in der Säule eingeschlossen werden und die Säule nicht trocken fällt. Zur Regeneration gibt man nun etwa

150 ml der Natronlauge auf die Säule, fängt es in einem Erlenrneyerkolben auf und spült mit entionisiertem Wasser solange nach, bis der Ausfluß eine neutrale Reaktion zeigt. Nun gibt man eine neutrale Lösung von Natriumfluorid auf die Säule, fängt den Ausfluß auf und spült mit Wasser nach. In den Erlenrneyerkolben, der den Ausfluß auffängt, gibt man noch etwas Thymolblau al s Indikator und rührt das Ganze mit R ührfisch und Magnetrührer, Die zunächst.

gelbe Indikatorfarbe sollte nach blau umschlagen.

Reaktionsgleichungen: G ::::; Grundgerüst K=organisch gebundenes Kation

Entsorgun g: Der Ausfluß wird neutralisiert und in die Kanalisation entsorgt. Der

Ionenaustauscher wird nochmals mit 4 molarer Natronlauge regeneriert, siehe oben.

2.3 Versuch 3: Säureresistenz von Zähnen

Geräte: 4 Bechergläser, Zange

Chemikalien: 2 Schweinezähne, Natronlauge (c= 2 mol/l) (R: 35, S: 2-26-27-37/38 C), Natriumfluorid-Lösung (c= 2 mol/l) (R: 25-32-36/38, S: 22-36-45 T), Salzsäure (konz.) (R 34-37, S: 2-26 C)

R- und S-Sätze:

R 25: Giftig beim Verschlucken

R 32: Entwickelt bei Berührung mit Säure sehr giftige Gase R 34: Verursacht Verätzungen

R 35: Verursacht schwere Verätzungen R 36/38: Reizt die Augen und die Haut R 37: Reizt die Atmungsorgane

S 2: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen S 22: Staub nicht einatmen

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 27: Beschmutzte, getränkte Kleidung sofort ausziehen

S 36: Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung tragen

S 37/39: Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich dieses Etikett

vorzeigen)

Versuchsdurchführung: Die Schweinezähne werden inje ein Becherglas gelegt. In das eine Becherglas wird Natronlauge, in das andere Natriumfluorid-Lösung gefüllt, bis die Zähne gut bedeckt sind. Der Ansatz wird einige Tage stehen gelassen. Dann werden die Zähne mit der Zange vorsichtig herausgeholt, mit Wasser abgespült und jedes in ein Becherglas mit konzentrierter Salzsäure gelegt, so daß die Zähne wiederum gut bedeckt sind.

Reaktionsgleichung:

Austauscherprozeß:

Cas[(OH)(P04)3] + P- ~ Cas[F(P04)3] + OH-

Lösungsprozeß: . .

Cas[(OH)(P04h] + _{7 H30+ ~} 5 Ca 2+ + 7 H20 + 3 H2P04- Cas[P(P04)3] + _{6 H30+ ~} 5 Ca ²⁺ + 6 H 20 + 3 H2P04- + P-

Entsorgung: Natronlauge und Salzsäure werden neutralisiert und in die Kanalisation entsorgt.

Die Zähne kommen in den Hausmüll.

2.4 Versuch 4: Quantitativer Nachweis von Iod in Speisesalz .

Geräte: Photometer, Filter 560 nm, Küvetten, 50 ml Meßkolben, Pipetten

Chemikalien: iodiertes Speisesalz, Kaliumiodid (p.A.), Schwefelsäure (c= 3 mol/I) (R: 35, S:

2-26-30 C), Stärke (w= 0,01), entionisiertes Wasser, Kaliumiodat (p.A.) (R: 8, S: 17) R- und S-Sätze:

R 8: Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen R 35: Verursacht schwere Verätzungen

S 2: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen S 17: Von brennbaren Stoffen fernhalten

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 30: Niemals Wasser hinzugießen

Versuchsdurchführung: Zunächst muß eine Kalibriergerade erstellt werden. Dazu werden 50 <:.

mg Kaliumjodat in einen 11 Meßkolben eingewogen und mit entionisiertem Wasser bis zur.

Marke aufgefüllt. Davon werden nun 10 ml abgenommen, in einen 100 ml Meßkolben überfuhrt und nochmals bis zu Marke aufgefüllt. Von der nun entstandenen Lösung werden Proben von 2 ml, 3 ml, 4 ml, 5 ml, 6 ml und 8 ml inje einen 50ml Meßkolben abgenommen.:

Die Proben werden mit je 5 ml der Schwefelsäure angesäuert, mit 5 ml einer Kaliumjodid-- Lösung (w= 0,1) versetzt und schließlich mit 1 ml der Stärkelösung angefärbt. Die Proben werden bis zur Marke aufgefüllt und gegen einen Blindwert, der als Probelösung ,

entionisiertes Wasser hatte (dann mit Schwefelsäure, Kaliumiodid und Stärke versetzt wurde), gemessen. Diese Kalibriergerade geht nicht durch denNullpunkt, da das überschüssige - Kaliumiodid mit dem Luftsauerstoff zu Iod oxidiert wird. Man kann eine zweite Gerade zur Kalibriergeraden parallelverschoben durch den Nullpunkt ziehen. Der wahre Wert der Probe liegt dann mit hoher Wahrscheinlichkeit zwischen den beiden Geraden. " '.

In einen 50 ml Meßkolbenwird nun ein Gramm Speisesalz eingewogen und mit etwas entionisertem Wasser gelöst.dannmit 5 ml Schwefelsäure, 5 ml Kaliumiodid-Lösung und 1 ml Stärke versetzt und ebenfall gegen den Blindwert (der gleichzeitig mit der Probenlösung angesetzt werden muß), gemessen. Die gemessene Extinktion kann in das Kalibrierdiagramm übertragen und dort der Gehalt der Probe abgelesen werden.

Sobald man die Reaktionslösungen zu den Proben gegeben hat, muß die Messung zügig

;, erfolgen, da sonst die Oxidation des Kaliumiodid bereits zu weit fortgeschritten ist.

Reaktionsgleichung: _{+5 -1} ±o 10 _3- + r + H ₃₀₊ ~ h + H ₂₀

,:',

'

Entsorgung: Das Iod wird mit Thiosulfat reduziert, die Lösung neutralisiert und dann der

Kanalisation übergeben.

2.5 Versuch 5: Oxidation von Iodid

Geräte: Reagenzglas und Stopfen

Chemikalien: Kaliumiodid, Kaliumnitrit (R: 8-25, S: 45 T), Schwefelsäure (c = 2 mol/l) (R:

35, S: 2-26-30 C), n-Octan (R: 11, S: 9-16-29-33 F) R- und S-Sätze:

R 8: Feuergefahr bei Berührung mit brennbaren Stoffen R 11: Leichtentzündlich

R 25: Giftig beim Verschlucken

R 35: Verursacht schwere Verätzungen

S 2: Darfnicht in die Hände von Kindern gelangen S 9: Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren S 16: Von Zündquellen fernhalten - Nicht rauchen

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 29: Nicht in die Kanalisation gelangen lassen

S 30: Niemals Wasser hinzugießen

S 33: Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen

S 45: Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich dieses Etikett vorzeigen)

Versuchsdurchfiihrung: Zu einer Kaliumiodid-Lösung gibt man einige Tropen Schwefelsäure und eine Kaliumnitrit-Lösung. Das Iod kann dann mit Octan ausgeschüttelt werden.

Reaktionsgleichung: ^-1 +3 ±O +2

r + N02- + H _{30+ ~} 1 2 + NO + H20 NO + O 2 ^b:=; N0 ₂

hCaq) ~ ^hCOctan) Entsorgung: organische Lösemittelabfälle

2.6 Versuch 6: lodierung von Tyrosin

Geräte: 2 Reagenzgläser, Kapillare, DC-Kammer, Fön

Chemikalien: Tyrosin, Silbemitrat (R: 34, S: 2·26 C), Pyridin (R: 11-20/21/22, S: 26-28, Xn,F), Chloroform (R: 22-38-40-48/20/22, S: 36/37 x», Xi), Iod (R: 20/21, S: 23-25, Xn), Diethylether (R: 12-19, S: 9-16-29-33, F+), De-Karte, Laufmittel: Butanol:Eisessig:Wasser = 10: 1:1 (Butanol: R: 10-20, S: 16, Xn, Eisessig: R: 10-35, S: 2-23-26, C), Ninhydrin (R: 11, S:

7-16 F), Salzsäure (c = 2 mol/I)

, 1 "

. . .

^~

R- und S-Sätze:

RIO: Entzündlich R 11: Leichtentzündlich R 12: Hochentzündlich

R 19: Kann explosionsfähige Peroxide bilden R 20: Gesundheitsschädlich beim Einatmen

R 20/22: Gesundheitsschädlich beim Einatmen und Verschlucken

R 20/21: Gesundheitsschädlich beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut

R 20/21/22: Gesundheitsschädlich beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit der Haut R 34: Verursacht Verätzungen

R 35: Verursacht schwere Verätzungen R 38: Reizt die Haut

R 40: Irreversibler Schaden möglich

R 48: Gefahr ernster Gesundheitsschäden bei längerer Exposition S 2: Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen

S 7: Behälter dicht geschlossen halten

S 9: Behälter an einem gut gelüfteten Ort aufbewahren S 16: Von Zündquellen femhalten - Nicht rauchen . S 23: Gas/Rauch/Dampf/Aerosol nicht einatmen S 25: Berührung mit den Augen vermeiden

S 26: Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S 28: Bei Berührung mit der Haut sofort abwaschen mit viel Wasser

S 29: Nicht in die Kanalisation gelangen lassen

S 33: Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladungen treffen

S 36/37: Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzkleidung tragen

Versuchsdurchführung: Zunächst wird das Komplexsalz hergestellt. Dazu löst man unter . Erwärmen 8,5 g Silbernitrat in 10 ml Pyridin und löst nach dem Erkalten in 50 ml

Chloroform. Die Lösung versetzt man mit 13 g Iod unter Rühren bis zur vollständigen

Umsetzung und filtriert vom ausgefallenen Silberiodid ab. Dann gießt man die Lösung in 87,5 ml Diethylether, wobei das Komplexsalz in kristalliner Form ausfällt. Es wird trocken gesaugt und im Vakuumexsiccator getrocknet. Man erhält etwa 15 gKomplexsalz. Das Tyrosin wird in Salzsäure gelöst, weil es durch die Salzsäure protoniert wird und dadurch leicht löslich wird. Zu einem Teil der Lösung gibt man nun das Komplexsalz und läßt es reagieren. Zur vollständigen Reaktion benötigt es ca. einen Tag. Um alle Zwischenstufen gut zu erhalten ist eine Reaktionszeit von ca. 40 Minuten angebracht. Nun trägt man auf die DC-Karte einmal die reine Tyrosin- Lösung und zum anderen die Reaktionslösung auf. Man läßt die

Chromatographie etwa 1 3/4 Stunden laufen. Anschließend läßt man die DC- Karte trocknen, besprüht mit Ninhydrin zum Anfärben der Aminosäuren und trcknet nochmals intensiv mit dem Fön. Man erkennt die beiden Tyrosin-Flecken, die auf gleicher Höhe und in gleicher Färbung zu erkennen sein sollten. Darüber liegt der oft etwas dünn erkennbare Fleck von Monoiodtyrosin und darüber der kräftiger gefärbte Fleck von Diiodtyrosin.

Reaktionsgleichung: siehe Folie 15 und 16

Entsorgung: organische Lösemittelabfälle

Fluor und Iod als Spurenelemente Folie 1

Uns geht's Jod

. ^~JIII Ärbeitskreis

~ ^Jodmangel

.. . . . . ..

unicef~iJ

Fluor und Iod als Spurenelemente

Spurenelemente

Folie 2

- wichtig und notwendig für die normalen Körperfunktionen - ' nur in "Spuren" benötigt "" " : .

(z.B . im MiIIi- oder Mikrogrammbereich) --' ..

! \ '\

- oft schmaler Grad zwischen Mangel und· ,überdOSierun g)

- Beispiele: Eisen, Kupfer, Zink, Chrom, Selen, Calcium,/

Magnesium, Lithium, Cobalt, Molybdän, , Silicium, - r..

Mangan

- In ionisch gelöster oder komplexgebundener Form wirksam

Fluor und Iod als Spurenelemente

Fluor

Vorkommen im Menschen (Römpp 1995):

Folie 3

- Knochen - Dentin

- Zahnschmelz

(0,9 - 2,7 g/kg) (0,2 - 0,7 g/kg) (0,1 - 0,3 g/kg) - Blut, Magensaft und Schweiß - Haare, Haut und Muskeln

Vorkommen in Nahrungsmitteln (www.hi-tec.de):

Teeblätter Walnüsse Seefische

Butter, Ei, Leber

8,5 mg/100g 0,7 mg/100g 0,1-05 mg/100g 0,1 mg/100g

Empfohlene Zufuhr: 1,5 - 4 mglTag für Erwachsene (DGE)

, r<; Tägliche Aufname: 0 0,3-0,7 mglTag (WHO)

Symptome bei Mangel:

- Wachstumsverringerung - Karies

- Osteoporose

Fluor und Iod als Spurenelemente

Versuch 1:

Nachweis von Fluorid

Folie 4

Fe(SCN)3 + 6 F-

farbloser Komplex

; t I

.'J

\

Trinkwasser

Fluor und Iod als Spurenelemente

Fluorversorgung

Folie 5

Probleme:

- Spanne zwischen empfohlener und toxischer Menge gering Empfohlen: 1 ppm (WHO)

Toxisch: 2 ppm (WHO)

- Fluorid im Abwasser (Bundesregierung) - "Entsorgung" des Fluorids

Speisesalz Problem:

- freiwillige Maßnahme

Zahnpasta ("\ Problem:

- benutzerdifferierende Anwendung

, Fluor und Iod als Spurenelemente

Versuch 2:;:

Ionenaustauscher

G = organisches Grundgerüst $

K = organisch gebundenes Kation z.B.: -N(CH _{3) 3}

Folie 6

H ₂₀ H ₂₀

0 _F-

J H 20

H ₂₀ Na+

H ₂₀

H 20 HO ₂

Fluor und Iod als Spurenelemente

Kristallstruktur von Apatit

Folie 7

B,

..

. .

^{, ~}

0 ^calcium

e ^f1uorine

e ^phosphorus

0 ^oxygen

.. ^8, •

Fluor und Iod als Spurenelemente Folie 8

Versuch 3: '

Säureresistenz von Zähnen

Austauscherprozeß:

Lösungsprozeß:

Ca5[(OH)(P04)3] + _{7 H30+ ~} 5 Ca ²⁺ + 7 H ₂₀ + 3 H _2P04-

C a5[F(P0 ₄ )3] + 6 H _{30 + ~} 5 Ca ²⁺ + 6 H ₂ 0 + 3 H _2P04- + F-

Fluor und Iod als Spurenelemente

Iod

Tagesbedarf Iod: _200~g (WHO)

1QQgehalt ausgewählter Lebensmittel in bl9/100g (Arbeit und Technik in der Schule, 7 1996)

Obst und Gemüse: 0-4 _~g Fleischwaren: 2 _~g Milchprodukte: 4 IJQ

Ei: 10IJg

Milch: 11 IJg

Fischfilet: 190 _~g

Tägliche Aufnahme: 0 50-70 IJg (WHO)

..

~.,

Folie 9

Fluor und Iod als Spurenelemente

Mangelerscheinungen

- Kropf

Folie 10

- Verminderte Intelligenz

- Gestörte Fruchtbarkeit

Fluor und Iod als Spurenelemente

Versuch 4:

Bestimmung von Iodat in Speisesalz

+5 -1 ±O

10 _3- + 5 r ^{+ 6 H} ₃₀₊ ~ 1 ₂ + 9 H ₂₀

Nachweis: lod-Stärke-Reaktion

Speisesalz: mindestens 0,0025%) Kaliumiodat

r"\ 25~g Kaliumiodat in 19 Speisesalz

14,8~g Iod in 19 Speisesalz

Folie 11

Gesetzliche Vorgaben: 15 ~g - 25 ~g Iod pro Gramm lodsalz

"';

. .... , - .

^_

..

Fluor und Iod als Spurenelemente Folie 12

,," t .

._~

0,500 0,600 Extinktion 0,400

0,300 0,200

0,100

1-- -I---\---f- 1---1---1--- I-I--- f - -

I

^I---i---

- --\---I---\--- I-I---1---1--- -\---1---

I

V

- - I-I-- -

t--t

^{I-\---\--- \---\--- 1-\---1- I-I--- -f-}

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1---1---1-- I\--- f---f-

I i

-\---f- f--I---f-- I t-\---I---f- I---l---I--

111-- ^/

V 1/

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1

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I

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V

I--f-

V

f---f---i--- -\----

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^{- -}1----

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V

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I

1/

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I-i---

l/lL

^{f---I-- I--+-t-t- -~-\--- 1_ I-f---} I---I---f--

V

.I v

1/

L

/

/

f-

1---1--1---

17

- gesetzlich vorgeschriebener Gehalt 5

o

20

15

25

10

Kalibriergerade zur photometrischen Bestimmung von Iod

IJg Iod in 19lodsalz

30

Fluor und Iod als Spurenelemente

Aufnahme von Iodid

In die Schilddrüse:

aktiver Transport - spezifisch

- sättigbar - hemmbar

r>. radioaktives Iod:

- wandelt aktives Gewebe in inaktives Gewebe um

- ' kann Operation ersetzen

Folie 13

v

Fluor und Iod als Spurenelemente

i Versuch 5:

Oxidation von Iodid

t

Folie 14

-1 +3 ±O +2 ' . . .

2 r ^{+ 4 H} 30+ + 2 N0 _{2- ~} 1 ₂ + 2 NO/' + 6 H ₂₀ .

+2 ±O +4 -2

Löslichkeit:

^{' .}

^'

,;

,

. .

:' . '

. . . . ^,

J2(aq .)

Fluor und Iod als Spurenelemente

Versuch 6 - 1. Teil:

Auflösung des Tyrosins

! '

Folie 15

r>.

I

~', "

• f

! -; ~

j' l , r

. .

^,~

,~ ,

Fluor und Iod als Spurenelemente

. .

^{.. "} ~

Folie 16

, i ' i

il

, ' Versuch 6 - 2. Teil:

I

; lodierunq des Tyrosins

~ ⁱ

\ , ;

.

^,

t

t'

Komplexsalz:

- positives, einwertiges Iod

- zweibindig an Pyridin gebunden

- Hydrolysiert leicht, wobei Iod frei wird

\'

Elektrophile Substitution am Aromaten:

--0- ^{/NH 2}

HO _~ /; CH2-CH _ + [1(Pyr)2]N0 3

"'C-OH

~ -

10

/NH 2

HO CH2-CH + [H(Pyr)]N0 ₃ + Pyr

"'C-OH

~ -

Monoiodtyrosin (MJT) 10

HO

/NH 2

HO CH _{2 - C H}

"'C-OH

~ -

+ [H(Pyr)]N0 ₃ + Pyr

Fluor und Iod als Spurenelemente

Bildung von Thyroxin Thyreoglobulin

Folie 17

.r'--,..:''' < .

"CH "CH

I I

CH ₂ CH ₂

I I

luYW luYlll _{lOH IOH-}

Diiodtyrosyl Diiodtyrosyl

(DJT) (DJT)

~ /

Koppelungsreaktion

"CH

I

CH ₂

' ~UJ o

101

"Thyroxin"

" _CH ^/ " _CH ^/

I I

CH ₂ CH ₂

I I

luYW1nO _{lOH lOH}

- -

Diiodtyrosyl Monoiodtyrosyl

(DJT) (MJT)

~ ' :/

^.

Koppelungsreaktion

" CH

I

CH ₂

I

luYW ₁₀₁

~

I

11 ~

lOH

"Triiodthyronin"

(T 3)

Fluor und Iod als Spurenelemente

Abgabe von Thyroxin

- Hormon-Stimulation der Schilddrüse - Abbau des Thyreoglobulins, dabei

Freisetzung von Thyroxin, T _{3 ,} MJT und DJT

Folie 18

- Recycling des Iod durch Dejodierung von MJT und DJT - Transport von Thyroxin und T 3 mit dem Blut

- Dejodierung des Thyroxin in den Zellen

lOH

Triiodthyronin (T ₃₎ aktiv

Thyroxin

reverses

Triiodthyronin (rT ₃₎

inaktiv

Fluor und Iod als Spurenelemente

Wirkung des Thyroxin

Thyroxin: gering wirksam - T _3: aktiv

. .. .. rT 3: inaktiv '

^{.. , j ... .}

Wirkungsweise: . - vielfältig

Regulator der Synthese von Proteinen

- Beeinflußt fast alle bekannten Enzymsysteme

Folie 19

-,; , .

Fluor und Iod als Spurenelemente

Schlußwort

David Marine (amerikanischer Schilddrüsenarzt):

Folie 20

Der lodmangelkropf ist von allen bekannten Krankheiten die am leichtesten zu verhütende. Sie kann von der Liste der

menschlichen Krankheiten gestrichen werden, sobald die

G c cellschaft dies zu tun beschließt.