Propuesta didáctica sobre los elementos metálicos en los alimentos

1 TRABAJO FIN DE MÁSTER Máster de Profesor en Educación Secundaria y Bachillerato, Formación Profesional y Enseñanzas de Idiomas PROPUESTA DIDÁCTICA SOBRE LOS ELEMENTOS MÉTALICOS EN LOS ALIMENTOS Autora: Isabel Cañizo Alonso Tutor: Dr. Luis Mariano Debán Miguel Curso 2020/21 2 ÍNDICE 1. RESUMEN/ABSTRACT ............................................................................................. 3 2. CURRÍCULO DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO ..................... 4 3. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO ............................................................................... 7 4. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 8 5. METALES ALCALINOS............................................................................................ 12 6. METALES ALCALINOTÉRREOS................................................................................. 18 7. METALES DE TRANSICIÓN ..................................................................................... 23 8. OTROS METALES A NIVEL DE TRAZAS ...................................................................... 29 9. ELEMENTOS METÁLICOS TÓXICOS .......................................................................... 31 10. PROPUESTA DE ACTIVIDADES ............................................................................. 34 11. CONCLUSIONES ................................................................................................ 46 12. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 47 3 1. RESUMEN/ABSTRACT RESUMEN En este Trabajo Fin de Máster se estudia el vínculo entre los metales más importantes en el organismo y los alimentos. El objetivo es transmitir a los alumnos que la asignatura de Física y Química es fundamental para comprender nuestra relación y dependencia del mundo que nos rodea, en este caso a través del proceso de la nutrición. En primer lugar, se describen brevemente las principales características de los metales objeto de estudio: estado en la naturaleza, principales reacciones y relatos históricos acerca de su obtención y comercialización. Esta información se enlazará con los procesos bioquímicos trascendentales de los seres humanos. Finalmente, con el fin de afianzar todos estos conceptos, se proponen una serie de actividades didácticas que incluyen tanto actividades introductorias como específicas de cada metal descrito. Además de los conceptos nuevos, los alumnos deberán razonar y aplicar sus conocimientos químicos adquiridos a lo largo del curso actual y de cursos anteriores. ABSTRACT In this Master’s Thesis, the link between the most important metals in the body and food is studied. The purpose is to convey to the students that the Physics and Chemistry course is essential to understand our relationship and dependence on the world around us, in this case through the process of nutrition. Firstly, the main characteristics of the metals under study are briefly described: state in nature, main reactions and historical accounts about their obtaining and commercialization. This information will be linked to the trascendental biochemical processes of human beings. Finally, in order to consolidate all these concepts, a series of didactic activities are proposed that include both introductory and specific activities for each metal described. In addition to new concepts, students will have to reason and apply their chemical knowledge acquired throught the current course and previous course. 4 2. CURRÍCULO DE EDUCACIÓN SECUNDARIA OBLIGATORIA Y BACHILLERATO El presente Trabajo Fin de Máster está enfocado para alumnos de 2º de Bachillerato de la modalidad de ciencias, principalmente para la asignatura de Química, aunque también puede utilizarse de forma transversal en Biología. En este nivel, sus conocimientos deben ser los suficientes para comprender todos los conceptos tratados, pues se han ido desarrollando a lo largo de los cursos de la Educación Secundaria Obligatoria (ESO) y de Bachillerato (BACH). Por ello también el trabajo interacciona con otros conocimientos de: Biología y Geología, Física y Química y Ciencias Aplicadas a la Actividad Profesional. En las Tablas 1-5 se describe para dichas asignaturas el curso en el que se imparten los distintos conceptos relacionados con el tema del trabajo y el bloque al que pertenecen. [1] QUÍMICA Tabla 1: Contenidos de la asignatura de Química impartida en 2º BACH CURSO MODALIDAD BLOQUE CONTENIDOS 2º BACH Ciencias. Troncal de opción II. Origen y evolución de los componentes del Universo Sistema periódico. Clasificación y propiedades de los elementos según su clasificación en la tabla periódica. III. Reacciones químicas Equilibrio químico: ácido-base y redox. Ajuste de reacciones redox. Importancia a nivel industrial. IV. Síntesis orgánica y nuevos materiales Estudio de funciones orgánicas. Funciones orgánicas de interés. Importancia de la Química del Carbono en el desarrollo de la sociedad del bienestar. FÍSICA Y QUÍMICA Tabla 2: Contenidos de la asignatura de Física y Química en diferentes niveles CURSO MODALIDAD BLOQUE CONTENIDOS 2º ESO 3º ESO Troncal general II. La materia Estados de agregación. Sustancias puras y mezclas. Estructura atómica. Elementos y compuestos de especial interés con aplicaciones industriales, tecnológicas y biomédicas. III. Los cambios La reacción química 5 4º ESO Troncal general II. La materia Sistema Periódico y configuración electrónica. Enlace químico. Introducción a la química orgánica. III. Los cambios Reacciones y ecuaciones químicas. Reacciones de especial interés. 1º BACH Ciencias. Troncal de opción III. Reacciones químicas Estequiometría de las reacciones. Reactivo limitante y rendimiento de una reacción. Química en industria. CIENCIAS APLICADAS A LA ACTIVIDAD PROFESIONAL Tabla 3: Contenidos de la asignatura de Ciencias Aplicadas a la Actividad Profesional impartida en 4º ESO CURSO MODALIDAD BLOQUE CONTENIDOS 4º ESO Troncal de opción I. Técnicas instrumentales básicas Utilización de herramientas TIC para el trabajo experimental en física, química, biología y geología. Identificación de las biomoléculas que contienen los alimentos BIOLOGÍA Tabla 4: Contenidos de la asignatura de Biología impartida en 2º BACH CURSO MODALIDAD BLOQUE CONTENIDOS 2º BACH Ciencias. Troncal de opción I. La base molecular y fisicoquímica de la vida Las moléculas orgánicas. Glúcidos, lípidos, prótidos y ácidos nucleicos. Vitaminas: concepto y clasificación BIOLOGÍA Y GEOLOGÍA Tabla 5: Contenidos de la asignatura de Biología y Geología en diferentes niveles CURSO MODALIDAD BLOQUE CONTENIDOS 1º ESO 3º ESO IV. Las personas y la salud. Promoción de la salud Nutrición, alimentación y salud. Los nutrientes, los alimentos y los hábitos alimenticios saludables. Trastornos de la conducta alimentaria. La función de la nutrición 6 1º BACH I. Los seres vivos: composición y función Características de los seres vivos y los niveles de organización. Bioelementos y biomoléculas. Relación entre estructura y funciones biológicas de las biomoléculas En la tabla 6 se muestra la organización de las asignaturas en Castilla y León para los cursos anteriormente mencionados. Tabla 6. Organización de las asignaturas implicadas en el Trabajo. Fuente: [2] [3] ASIGNATURA TIPO PRIMER CICLO ESO Física y Química Troncal Biología y Geología Troncal SEGUNDO CICLO ESO Física y Química Troncal de opción Biología y Geología Troncal de opción Ciencias Aplicadas a la Actividad Profesional Troncal de opción 1º BACHILLERATO Física y Química Troncal de opción Biología y Geología Troncal de opción Cultura científica Específica 2º BACHILLERATO Física Troncal de opción Química Troncal de opción Biología Troncal de opción 7 3. OBJETIVOS Y PLAN DE TRABAJO Los objetivos que se pretenden lograr con la realización de este Trabajo de Fin de Máster son los siguientes: • Conectar la vida cotidiana de los alumnos con la física y la química. • Destacar la importancia de determinados metales presentes en los alimentos, vinculándolos a procesos bioquímicos, trascendentales en la salud de las personas. • Diseñar actividades didácticas que relacionen los conocimientos adquiridos sobre dichos metales con su estado en la naturaleza, principales reacciones y relatos históricos vinculados a su obtención y al comercio. El plan de trabajo que se ha seguido es el siguiente: I. Introducción sobre la relación entre la química y la alimentación, los metales en los alimentos y los metales en el cuerpo humano. II. Descripción de los elementos metálicos más importantes presentes en los alimentos. III. Diseño de actividades didácticas para trabajar los elementos metálicos descritos previamente. 8 4. INTRODUCCIÓN 4.1. RELACIÓN ENTRE LA QUÍMICA Y LA ALIMENTACIÓN La química es parte de la vida cotidiana y se manifiesta, entre otras muchas aportaciones, por la presencia de elementos químicos en los alimentos, ya sea en su composición inicial o en ingredientes añadidos durante su procesamiento, es decir, lo que incluye su vida útil: obtención, cocinado, envasado almacenaje, etc., hasta su consumo. La mayoría de los componentes químicos de los alimentos se conocen como nutrientes. Son fundamentales para mantener un buen estado de salud. Durante el desarrollo de las funciones vitales del organismo, se utilizan compuestos químicos como: agua, vitaminas, sales minerales, fibra, hidratos de carbono, grasas y proteínas. [4] El estudio y seguimiento de las sustancias químicas que entran al organismo es muy importante, ya que además de comportarse como nutrientes, también pueden hacerlo como sustancias tóxicas. En la industria alimentaria, durante el proceso de producción, se pueden añadir otras sustancias denominadas aditivos, que pueden ser de origen natural o de síntesis [5]. Los aditivos se clasifican según su función: • Modifican las características físico-químicas: emulgentes, gelificantes, espesantes, antiapelmazantes, antiaglutinantes, antiespumantes, humectantes, reguladores de pH, etc. • Modifican las características sensoriales: mejoran el aspecto y la sensorialidad de los alimentos mediante colorantes, edulcorantes, potenciadores del sabor, aromas, etc. • Impiden las alteraciones químicas y biológicas: el objetivo es prolongar el buen estado del alimento y su duración mediante conservantes, antioxidantes, etc. Es necesario indicar en la etiqueta de los ingredientes del producto los aditivos empleados según el código autorizado por la Unión Europea. Se especifica con una letra E (aprobado por la Unión Europea) y un número, para facilitar su identificación a los consumidores. [6] • E100-199: colorantes • E200-E299: conservantes • E300-E399: antioxidantes y reguladores de la acidez • E400-E499: estabilizantes • E500-E599: reguladores del pH y agentes antigrumos • E600-E699: potenciadores del sabor • E900-E999: varios • E1100-E1599: distintos colorantes y edulcorantes Hasta no hace mucho tiempo, primeras décadas del siglo pasado, los alimentos no se podían conservar demasiado tiempo por lo que su consumo era estacional y rápido lo que implicaba que no se pudiera racionalizar bien la distribución de los alimentos. No obstante, se usaban y se usan, algunas técnicas como las salmueras, salazones y ahumados, pero estas técnicas pueden modificar el sabor y algunas otras propiedades. Los conservantes químicos tienen por tanto una gran importancia en la industria alimentaria. Se clasifican en tres grupos: 9 • Antioxidantes: evitan la oxidación de los alimentos, es decir, su descomposición. Algunos de los más conocidos son la vitamina C y la vitamina E. • Antimicrobianos: impiden el crecimiento del moho y eliminan bacterias. • Agentes quelantes: dificultan la oxidación mediante su unión con los iones de metal. Algunos ejemplos son el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA), el ácido cítrico o los polifosfatos. En resumen, la aportación de la química en la alimentación constituye una de las más importantes contribuciones de la ciencia a la mejora de la calidad de vida. Sin las diversas aplicaciones de la química en la alimentación, no se hubiera podido multiplicar el rendimiento en la producción, proteger los productos de agentes nocivos ni mantener las propiedades nutritivas y, por tanto, no podrían atenderse las necesidades alimenticias del ser humano. [7] 4.2. METALES EN LOS ALIMENTOS La mayor parte de los elementos que forman la tabla periódica son metales. Aproximadamente un 80% se encuentran formando parte de muchos compuestos en el medio ambiente y por ello es inevitable que aparezcan en la cadena alimentaria y se incorporen a nuestro organismo con diferentes funciones. Por un lado, se encuentran aquellos que se necesitan a nivel de trazas, entre los cuales se encuentran algunos metales pesados. Son aquellos que poseen una masa elevada respecto a otros metales, además de una densidad alta (mayor de 4g/cm3). Se suelen encontrar en el agua y en los alimentos en concentraciones que no son perjudiciales, aunque pueden presentar toxicidad si sus concentraciones son elevadas. Cuando se incorporan al organismo, parte se absorbe y el resto se elimina a través de la orina, etc. Los límites establecidos para la presencia de estos elementos en los alimentos vienen especificados en el Reglamento 1881/2006 del 19 de noviembre de 2006, donde también se incluyen los métodos de muestreo y las técnicas de análisis para su control. [8]. Por otro lado, existen otros metales que se necesitan en cantidades mayores como Na, Ca, K, Mg y Fe. La presencia de estos metales se detecta tanto en productos vegetales: legumbres, hortalizas, frutas, etc; como en animales: carne, leche, queso, huevos, etc. 4.3. METALES EN EL CUERPO HUMANO Los elementos básicos que forman aminoácidos, proteínas, grasas y azúcares son cuatro: C, H, O y N. Sin embargo, son imprescindibles otros elementos para el buen funcionamiento del cuerpo humano, entre ellos algunos elementos metálicos en mayor o menor proporción. Entre los primeros, se encuentran los siguientes: el calcio (Ca) formando parte de la composición de huesos y dientes; el potasio (K) y sodio (Na) participando en la transmisión del impulso nervioso; el magnesio (Mg) que también se encuentra en los huesos y participa en la transmisión del impulso nervioso y en la síntesis de proteínas; el hierro (Fe), asociado a la producción de hemoglobina y fundamental en el transporte de oxígeno desde los pulmones hacia las distintas partes del cuerpo. 16 • Otras reacciones a) Reacciona vigorosamente con el oxígeno del aire formando monóxido de potasio (K2O), y peróxido de potasio (K2O2) y superóxido de potasio (KO2) si hay exceso de oxígeno. [20] K + O2 → K2O → K2O2 → KO2 b) También reacciona de forma violenta con el agua dando lugar a hidróxido de potasio: 2K + 2H2O → 2KOH + H2 INCIDENCIA EN LOS ALIMENTOS El potasio se encuentra en alimentos como la fruta (plátanos, uvas y moras), los vegetales (espinacas y zanahorias), la carne, la leche, el pan o los frutos secos. Al igual que las sales de sodio, las sales de potasio también se utilizan, aunque menos, para la salazón de alimentos. Actualmente algunos alimentos se hacen bajos en sodio, pero se contrarresta con sal de potasio, lo que lo hace más caro dada su menor abundancia respecto al sodio. [18] RELACIÓN CON EL ORGANISMO El potasio tiene funciones en el cuerpo humano en el control de los sistemas de fluidos físicos y en el sistema nervioso. Ayuda a contrarrestar la cantidad de sodio que puede ser nociva para la presión arterial. La cantidad de potasio que se recomienda consumir son 3,5g diarios. El cuerpo de un adulto contiene aproximadamente un 0.2% de potasio respecto al peso. Una acumulación de potasio puede dar lugar a fallos en el funcionamiento de los riñones que, a su vez, pueden provocar una alteración en el ritmo cardíaco [20]. El potasio es importante para los deportistas. Durante la realización de actividad física se pierden electrolitos a través de la transpiración, lo cual produce pérdidas de potasio originando calambres musculares. 17 BOMBA SODIO-POTASIO La bomba de sodio-potasio (Na+/K+) tiene como función desplazar el sodio que está en el interior de las células al compartimento extracelular. También el potasio que está en dicho comportamiento extracelular vuelve al interior de las células. Para llevar a cabo este proceso, utiliza como fuente de energía trifosfato de adenosina (ATP). La concentración de sodio en el interior de las células es aproximadamente 14 veces menor que en el exterior (medio extracelular), mientras que la de potasio es 30 veces menor en el exterior que en el interior. Estas partículas de sodio osmóticamente activas no deben acumularse en el interior de las células ya que pueden dar lugar a un edema intracelular debido a la posterior entrada de agua. La bomba de Na+/K+ es la encargada de evitarlo. Figura 5. Funcionamiento de la bomba de Na+/K+. Fuente: [23] 18 6. METALES ALCALINOTÉRREOS 6.1. MAGNESIO Su símbolo atómico es Mg y su número atómico es 12. Es de los elementos más abundantes en la corteza terrestre y en el agua del mar. HISTORIA Su nombre viene del griego “Magnesia”, distrito de la región de Tesalia (Grecia) en el cual fue encontrado el óxido de magnesio (MgO). En el siglo XVII un granjero de Epsom (Inglaterra) comprobó que el agua curaba las heridas y erupciones de la piel. Esta agua contenía las llamadas “sales de Epsom”, que adquirieron gran fama que se extendió rápidamente. Esta sal era sulfato de magnesio (MgSO4). No obstante, ya se había empleado con anterioridad con esta finalidad. En el año 1755, J. Black afirmó que el magnesio era un elemento. No obstante, no fue hasta 1808 cuando Humprey Davy lo obtuvo a partir de magnesia (óxido de magnesio) y mercurio. [24] ESTADO EN LA NATURALEZA Es un metal alcalinotérreo de color plateado brillante. Es liviano. Está protegido por una fina capa de óxido. Figura 6. Magnesio metálico. Fuente: [25] Es altamente inflamable cuando se encuentra como virutas o polvo. Cuando arde, forma una llama blanca muy intensa. [26] [27] Esta propiedad se utilizaba como iluminación en las fotos antiguas. La fabricación de los primeros flashes data del año 1864 y consistía en una mezcla de magnesio y clorato potásico (KClO3). Se provocaba de forma manual la ignición. No obstante, su uso era peligroso debido a su carácter explosivo. En el año 1930 surgió un sustituto al polvo de magnesio que fueron los flashes de bombilla. Estas bombillas, que eran de un solo uso, contenían un filamento de magnesio en una atmósfera de oxígeno. En este caso, la ignición se provocaba eléctricamente accionando el obturador de la cámara. Para evitar que explotase, la presión del oxígeno en el interior debía ser inferior a 1 atm. [28] No obstante, el magnesio se encuentra en la naturaleza formando distintos compuestos y no como metal en estado libre. La mayoría de estos compuestos son sales y óxidos. [29] 19 REACCIONES IMPORTANTES • Obtención Electrólisis de las sales de magnesio. Se usa cloruro de magnesio (MgCl2) principalmente. Su proceso sería análogo al indicado para el NaCl. • Otros métodos de obtención Se reduce el óxido de magnesio con ferrosilicio (aleación de hierro y silicio) en vacío y a 1150oC. El silicio reduce el MgO. 2 MgO + Si → 3Mg + SiO2 • Reacciones metabólicas El magnesio participa en más de 300 reacciones metabólicas como: síntesis y utilización de compuestos ricos en energía; síntesis de transportadores de protones y electrones; síntesis y actividad de numerosas enzimas; y elemento estabilizador de la membrana celular. • Reacción de combustión Cuando se calienta magnesio en presencia de oxígeno, se produce una reacción muy exotérmica y rápida que emite gran cantidad de energía lumínica. 2Mg + O2 + calor → 2MgO + luz INCIDENCIA EN LOS ALIMENTOS El magnesio se encuentra de forma natural en legumbres, nueces, semillas, cereales integrales, hortalizas de hojas verdes y en productos lácteos [30]. RELACIÓN CON EL ORGANISMO El magnesio es importante para muchos procesos del cuerpo humano: regula la función de los músculos y el sistema nervioso, los niveles de azúcar en sangre, la presión sanguínea, la masa ósea y el ADN e interviene en la formación de proteína [30]. La cantidad de magnesio diaria recomendada es de 0,3-0,4g. El cuerpo de un adulto contiene aproximadamente un 0.05% de magnesio respecto a su peso [18]. Alguno de los problemas del cuerpo humano derivados de la falta de magnesio son presión arterial alta, enfermedad cardíaca y migrañas. Por el contrario, una ingesta excesiva de magnesio puede provocar efectos adversos. 20 6.2. CALCIO Su símbolo atómico es Ca y su número atómico es 20. Es uno de los elementos más abundantes y sus compuestos constituyen aproximadamente un 4% de la corteza terrestre. HISTORIA La cal (óxido de calcio, CaO) ya era usada por los romanos en sus morteros de construcción. La obtenían de una forma similar a como se hace actualmente: quemando caliza. La palabra “calcio” deriva de “calx” en latín que significa “cal”. La calcita (CaCO3) y la dolomita [CaMg(CO3)2] son carbonatos de calcio que se conocen desde la antigüedad. Sin embargo, fue el británico Humpry Davy quien preparó por primera vez el calcio en Londres en 1808. Lo obtuvo al realizar la electrólisis de una mezcla de cal con óxido de mercurio. [31] ESTADO EN LA NATURALEZA Es un metal alcalinotérreo de color blanco plateado brillante, dúctil y maleable. Es más duro que el sodio, pero menos que el aluminio. Reacciona de forma violenta con agua en su estado metálico para formar hidróxido de calcio, Ca(OH)2. [32] Figura 7. Calcita blanca. Fuente: [32] En la naturaleza no se encuentra en estado puro, sino que forma minerales como la calcita blanca o la aragonita, que son dos formas cristalinas del CaCO3 [33]. Es muy importante la minería del yeso (CaSO4·1/2H2O), concretamente en la provincia de Valladolid, hay localidades en las que esta actividad ha tenido gran importancia: Tudela de Duero, Quintanilla de Arriba, Alcazarén, Íscar, Camporredondo, Cabezón de Pisuerga, Piña de Esgueva, Villavaquerín y Portillo entre otras. En algunas como Portillo, esta actividad se ha estado desarrollando hasta los años 60 del siglo XX. [34] REACCIONES IMPORTANTES • Obtención Electrólisis de cloruro cálcico fundido: se añaden fundentes como fluoruro cálcico y cloruro potásico a la sal para disminuir su punto de fusión a 790 oC. [31] Ánodo (oxidación): 2Cl- + 2e- → Cl2 Cátodo (reducción): Ca2+ + 2e- → Ca 21 • Reacción ácido base Reacción del carbonato de calcio (CaCO3) que es una base, con el ácido clorhídrico. CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O • Producción de acetileno El acetileno, un gas de gran importancia industrial, se obtiene a partir del carburo de calcio y agua. Como subproducto se obtiene hidróxido de calcio, Ca(OH)2. En la industria el acetileno se usa principalmente para soldar (soldadura oxiacetilénica). CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2 • Formación de sulfato de calcio Si se mezcla hidróxido de calcio, Ca(OH)2, con ácido sulfúrico, H2SO4, se obtiene sulfato de calcio (CaSO4), que es una oxosal, y agua. El yeso, ampliamente usado en construcción, es esta oxosal dihidratada (CaSO4·2H2O). H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4 + H2O • Hipoclorito de calcio El hipoclorito de calcio, Ca(ClO)2, es un agente blanqueador y purificador de agua. También posee funciones similares el hipoclorito de sodio, NaClO, comúnmente conocido como lejía. INCIDENCIA EN LOS ALIMENTOS Las principales fuentes de calcio son los productos lácteos. También se puede encontrar en fuentes de origen vegetal como las espinacas, el brocoli, la col, la coliflor, las lentejas y las nueces [33]. Durante el proceso de panificación se puede añadir sulfato de calcio a la harina, para convertir la masa pegajosa en una más firme y manejable. RELACIÓN CON EL ORGANISMO De los minerales que forman parte del organismo, el calcio es uno de los elementos más abundantes e importantes. Es muy importante la concentración de cationes Ca2+ en las células, ya que interviene en la coagulación de la sangre, en la transmisión del impulso nervioso, en la regulación de los latidos cardiacos y en la contracción muscular. Además, tiene una función estructural ya que se encuentra en los huesos y en los dientes. También está implicado en la regulación de algunas enzimas. [31] La cantidad de calcio diaria necesaria es de aproximadamente 1g. El cuerpo de un adulto contiene aproximadamente un 1.5% de calcio respecto al peso [18]. La falta de calcio es una de las causas de la osteoporosis, que se trata de una enfermedad que se manifiesta en la 22 fragilidad de los huesos. El exceso de calcio también puede causar dolor en los huesos y debilidad muscular. El magnesio y el calcio actúan de forma conjunta para dar lugar a la masa ósea. La proporción en la que deben combinarse es de dos de calcio por cada unidad de magnesio. [33] 23 7. METALES DE TRANSICIÓN 7.1. HIERRO Su símbolo es Fe y su número atómico 26. Es uno de lo de metales más abundantes en la corteza terrestre. El núcleo de la tierra está formado en su mayoría por hierro. HISTORIA Gracias a las evidencias arqueológicas, se conoce que el ser humano lleva utilizando el hierro aproximadamente 5000 años. Se sabe que los primeros en usarlo, en la elaboración de armas, fueron Hititas, posteriormente se propaga su uso a pueblos como sumerios y egipcios. Cabe destacar que posee su propio periodo, la Edad del Hierro, que tuvo lugar en diferentes fechas dependiendo del lugar. [35] Su nombre proviene del latín “ferrum” y el símbolo deriva de las dos primeras letras de dicha palabra. [36] ESTADO EN LA NATURALEZA El hierro no se encuentra en estado puro en la naturaleza, sino que forma parte de distintos minerales. En la Figura 8 se muestran los más utilizados en la actualidad para la obtención de hierro metálico. Figura 8. Hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (FeO·OH nH2O) y siderita (FeCO3). Fuente: [37] REACCIONES IMPORTANTES • Obtención Actualmente, la industria del hierro se basa en altos hornos donde se reducen los minerales de hierro con carbón a temperaturas elevadas, dando lugar al hierro fundido. 2Fe2O3 + 3C →3CO2 + 4Fe • Oxidación del hierro Es una reacción redox, donde el hierro se oxida a Fe3+ y el oxígeno se reduce a O2-. 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3 24 • Otras reacciones a) Precipitación del hierro como hidróxido de hierro (III) a pH básico. Fe3+ + 3OH- ↔ Fe(OH)3 b) Reacción del hierro con sulfocianuro. El complejo formado es de color rojo, por lo que este ensayo sirve para detectar la presencia de Fe3+ en una disolución. Fe3+ + 3SCN- → [Fe(SCN)3] • Relación con el organismo: metabolismo del hierro Figura 9. Estructura de la hemoglobina y del grupo hemo. Fuente: [38] El cuerpo humano usa el hierro para formar la hemoglobina que es una proteína de los glóbulos rojos encargada de transportar oxígeno desde los pulmones hacia diferentes partes del cuerpo. Además, produce mioglobina que transporta el oxígeno a los músculos. También se emplea en la producción de hormonas y tejidos conectivos. [36] [39] La falta de hierro provoca fatiga, palpitaciones y anemia. INCIDENCIA EN LOS ALIMENTOS Forma parte de huevos, carne, verduras, patatas, legumbres, etc. El organismo humano absorbe el hierro más rápido cuando ingiere productos de origen animal que cuando lo hace a partir de los de origen vegetal. Esto se debe a que en todas las carnes el hierro es hémico o hemo (forma parte de la hemoglobina) lo que facilita su absorción frente al no hemo de origen vegetal [40]. La cantidad de hierro a ingerir diariamente varía de hombres a mujeres, entre 8 y 18 mg/día. El cuerpo de un adulto debe contener aproximadamente un 0.006% de hierro. [18] 25 7.2. COBRE Su símbolo es Cu y su número atómico 29. Su abundancia en la corteza terrestre es muy baja en estado puro. HISTORIA El cobre se lleva usando aproximadamente 11.000 años. Su nombre proviene del latín “cuprum” que es el nombre de la isla de Chipre donde se encontraban los yacimientos que los romanos explotaban. No obstante, ya era conocido en la Prehistoria siendo el cobre uno de los primeros metales utilizados, lo que dio lugar a la Edad del Cobre. Los primeros métodos que se usaron para refinar cobre a partir de sus minerales se llevaron a cabo hace 5.000 años aproximadamente. [41] [42] ESTADO EN LA NATURALEZA Es un metal de transición que puede encontrarse en estado puro en la naturaleza o formando parte de minerales. Los principales minerales son: calcopirita (CuFeS2), azurita (Cu3(CO3)2(OH)2) y cuprita (Cu2O). En estado puro es un metal muy blando, dúctil y maleable. Es por esto por lo que la mayoría de las aplicaciones implican la previa formación de aleaciones. Su color es rojizo anaranjado (cobrizo) con brillo metálico. [43] Figura 10. Cobre puro. Fuente: [44] REACCIONES IMPORTANTES • Obtención El cobre se obtiene en bruto en un 94-97% por concentración, tostación y fusión en hornos eléctricos. Mediante este proceso se purifica al 99% por afino con aditivos que dan lugar a escorias con níquel y hierro. El óxido de cobre (I), Cu2O, se reduce con carbón. 2Cu2O + C → 4Cu + CO2 Finalmente se realiza el afino electrolítico. [41] • Electrolisis Se realiza sobre una disolución de CuSO4 sobre un cátodo de cobre y un ánodo de platino. Oxidación: H2O → ½ O2 + 2H+ + 2eReducción: Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s) 32 Como ejemplo práctico, si sobre una moneda de cobre se añade Hg+2 se “platea”. Esta reacción sirve para reconocer si en una disolución está presente el Hg2+. 2Cu + Hg2+ → Cu(Hg) + Cu2+ • Ciclo del mercurio en la biosfera Figura 15. Ciclo biogeoquímico del mercurio. Fuente: [60] Oxidación: Hg + H2O2 → HgO + H2O Metilación: Hg2+ → CH3Hg+ Desmetilación: CH3Hg+ → CH4 + Hg INCIDENCIA EN LOS ALIMENTOS Las principales fuentes alimenticias contaminadas con este metal son, los pescados de mediano y gran tamaño, así como los mariscos, y moluscos bivalvos. [59] RELACIÓN CON EL ORGANISMO No se ha encontrado ninguna función del mercurio en los organismos vivos [39]. Sin embargo, los efectos tóxicos generan graves problemas, fundamentalmente relacionados son los sistemas nervioso y cardiovascular. Un caso grave de envenenamiento por mercurio fue la denominada enfermedad de Minamata caracterizada por ser un síndrome neurológico grave y permanente. Algunos de los síntomas principales son atalaxia, deterioro de la vista y el oído y debilidad. En casos extremos puede derivar en parálisis o incluso la muerte. El gobierno de Japón anunció en 1968 que la causa de esta enfermedad fue la ingestión de pescado y marisco que estaba contaminado debido a los vertidos de una empresa petroquímica. Estos vertidos contenían mercurio, que era usado como catalizador. El principal problema es que en el agua de mar se forma cloruro de mercurio. [60] 33 Figura 16. Valores de concentración de Hg (ppm) en sedimentos en el año 1959, consecuencia del desastre de Minamata. [60] 34 10. PROPUESTA DE ACTIVIDADES Las actividades propuestas están diseñadas para alumnos de 2º Bachillerato de la modalidad de ciencias, principalmente para la asignatura de Química. También se pueden adaptar y llevar a cabo en los distintos cursos y asignaturas que se describen en el apartado 2. Los alumnos deberán realizar las actividades en pequeños grupos de 3 a 5 componentes. Cada grupo deberá hacer las actividades iniciales (10.1 y 10.2) y una de las actividades específicas de los metales. Una vez finalizadas, deberán realizar una exposición oral de su trabajo en el aula. Para ello podrán realizar una presentación de Power Point o bien un mural (tipo mapa conceptual) usando la herramienta PADLET [62]. Finalmente entregarán un trabajo escrito que reúna toda la información obtenida. Dado que en el curso de 2º Bachillerato los horarios son muy limitados, este trabajo será voluntario y las exposiciones orales se llevarán a cabo en horario extraescolar. Podrá realizarse de forma presencial o de forma online vía Microsoft Teams en función de las restricciones sanitarias por el covid-19. En el caso de Bachillerato, el trabajo se valorará con un 10% adicional de la nota del trimestre en el que se realice. Por lo tanto, será a finales del segundo trimestre (la semana previa a las vacaciones de Semana Santa) con el fin de que los alumnos tengan todos los conocimientos necesarios. La adaptación para alumnos de ESO se evaluará con un 15% de la nota del segundo trimestre. Se tendrá en cuenta para la evaluación el trabajo en equipo, la participación, la distribución de las tareas, la interacción entre los miembros y el contenido y secuenciación de la exposición oral. Además, se valorarán las fuentes de información, la redacción y la organización del trabajo. 35 10.1. ACTIVIDAD GENERAL 1. Realiza un eje cronológico que muestre el descubrimiento del metal asignado a cada grupo, (Na, K, Ca, Mg, Fe, Cu, Zn, Se o Hg) así como de los principales acontecimientos históricos en los que esté involucrado. Siempre que se pueda, anota los años exactos. Utiliza la herramienta PADLET (https://es.padlet.com/) y la opción “cronología”. Figura 17. Ejemplo de cronología para el sodio realizado en PADLET. 36 2. En la tabla 7 se muestra la frecuencia de consumo de determinados alimentos en 3 países diferentes (A, B y C) y en la figura 18, unas gráficas de la incidencia de algunos problemas de salud en dichos países. Analiza las figuras y responde a las cuestiones. Tabla 7. Frecuencia de consumo de determinados alimentos en 3 dietas de 3 países. ALIMENTO DIETA 1 DIETA 2 DIETA 3 Aceite de oliva Alto Bajo Bajo Carne de vaca/cerdo Medio Alto Bajo Carne de pollo Medio Alto Bajo Cereales Alto Alto Bajo Huevos Medio Alto Medio Legumbres Medio Bajo Alto Lácteos Medio Alto Bajo Mantequilla Bajo Alto Bajo Pescado Alto Bajo Medio Verduras y frutas Alto Bajo Alto Figura 18. Diagramas de barras de los problemas de salud de los tres países. Fuente: [63] CUESTIONES a) Relaciona las dietas 1, 2 y 3 con sus correspondientes países (A, B y C). b) ¿Qué dieta podría ser de un país del tercer mundo? ¿Y de un país desarrollado? c) ¿Alguna de las dietas es de tipo “mediterráneo”? d) Representa en los diagramas de barras cuál es el factor que contribuye a la aparición del problema de salud de la población afectada e) ¿Qué metales encontrarías en cada uno de los alimentos de la tabla? 37 10.2. SODIO ¿Cuánto sodio ingiero en un día? Un exceso de sal en nuestro organismo puede provocar enfermedades cardiacas o accidentes cerebrovasculares. La pregunta entonces es: ¿cuál es el límite en el consumo de sal? La Organización Mundial de la Salud (OMS) recomienda ingerir un máximo de 5g diarios de sal, en los cuales debemos incluir aquella que ya lleven los alimentos debida a los procesos de manufacturación. Esta cantidad es para un adulto, siendo inferior para los niños. No obstante, el consumo medio en España es superior. Por cada gramo de sal, se consumen aproximadamente 0,4g de sodio. Por lo tanto, el consumo diario de sodio límite en adultos son 2g. Durante 1 día, anota en la siguiente tabla tu consumo de sal. Para ello deberás fijarte en las etiquetas de información nutricional de los alimentos o bien pesar la cantidad que añades a las comidas. Cantidad de sal Cantidad de sodio Observaciones Desayuno Almuerzo Comida Merienda Cena TOTAL - CUESTIONES a) Compara tu consumo de sal y de sodio con los límites establecidos por la OMS. b) ¿Te ha resultado difícil obtener la cantidad de sal? En caso afirmativo indicar en qué alimentos. c) ¿Consideras que los alimentos sometidos a algún proceso industrial (enlatados, encurtidos, procesados, precocinados, etc) tienen un exceso, un defecto o una cantidad adecuada de sal? d) ¿Qué alimentos tomarías para reducir la ingesta diaria de sal? 38 10.3. POTASIO La bomba de sodio-potasio La función de la bomba de sodio-potasio (Na+/K+) es desplazar el sodio del interior de las células al compartimento extracelular, y el potasio que está en dicho compartimento introducirlo en el interior de las células. Visualiza el siguiente vídeo acerca del funcionamiento de la bomba y responde a las cuestiones. “El funcionamiento de la bomba sodio-potasio. El transporte activo” https://www.youtube.com/watch?v=Q-pgypwEYgA Figura 19. Captura del vídeo de la actividad. CUESTIONES a) Señala sobre la Figura 18 los elementos de las células que muestra y están implicados en el proceso. b) ¿Qué son los iones de sodio y potasio? c) Describe detalladamente el funcionamiento de la bomba sodio-potasio usando dibujos. d) ¿Qué tipo de transporte es? Explícalo brevemente. e) ¿Qué relación tiene la bomba sodio-potasio con el movimiento muscular? 39 10.4. MAGNESIO El purgante milagroso A finales del siglo XIX y durante las primeras décadas del XX, en todas las casas de España había una botella de este famoso purgante: el agua de Carabaña. Figura 20. Publicidad para promocionar el Agua de Carabañas (1910) Estas aguas tenían un alto contenido en sulfato de sodio y magnesio. También en Centroeuropa contaron con un gran mercado, pero la diferencia era que predominaba el sulfato de magnesio. Se trata de agua incolora con un fuerte sabor salado. CUESTIONES a) ¿Qué propiedades prometía tener esta agua? ¿Cuáles de ellas son verdaderas teniendo en cuenta los efectos del magnesio en el organismo? b) Compara su composición química con la del agua mineral natural. c) Busca referencias en la prensa del siglo XIX y XX, resúmelo brevemente y anota la fuente utilizada. 40 10.5. CALCIO La influencia del calcio en el agua potable Nuestros dientes contienen fosfato de calcio, Ca3(PO4)2. Forma parte del esmalte dental reforzándolo, neutralizando la acidez de la placa bacteriana, favoreciendo el mecanismo de reparación natural de los dientes, así como evitando en gran medida la aparición de caries. A principios de los años 40-50 en EE.UU y otros países de Europa, fluoraban el agua para evitar la aparición de caries. Hoy en día el flúor se añade a los dentífricos y colutorios. La función del flúor era reaccionar con el calcio para dar fluoruro cálcico. Este compuesto se disuelve en los ácidos mucho menos que el fosfato cálcico. Como consecuencia, se evita que lo dientes “se piquen”. Figura 21. Relación entre la aparición de caries dental (línea continua) y la concentración de flúor en agua potable (línea discontinua). Fuente: [64] CUESTIONES a) Escribe y ajusta la reacción que tiene lugar entre el flúor y el calcio. b) ¿Cuál es la concentración de calcio recomendada en aguas potables? c) ¿Cuáles son las principales fuentes de calcio en los alimentos? d) ¿Qué consecuencias puede tener en nuestro organismo un exceso de calcio? 41 10.6. HIERRO ¿Los cereales tienen hierro? Para determinar la cantidad de hierro de los cereales se va a llevar a cabo una pequeña práctica experimental. MATERIALES - Cereales altos en hierro - Agua - Batidora eléctrica - Bolsa de cierre hermético - Imán PROCEDIMIENTO Se añade agua caliente sobre cereales “altos” en hierro y se deja reposar unos 2 minutos para que se reblandezcan. A continuación, se bate con una batidora eléctrica para formar una pasta, la mezcla así obtenida se introduce en una bolsa de cierre hermético y se reparte bien de forma que quede una capa fina de la misma. Se acerca un imán por la bolsa hasta que aparezca una mancha oscura o sólido de color negro, que es el hierro. ENSAYO Pasa a un vaso el sólido correspondiente con la mancha y añade HCl. Filtra la disolución resultante. Finalmente, añade KSCN. Se observará una intensa coloración roja. CUESTIONES a) ¿En qué propiedad se basa este experimento? Explícalo brevemente. b) ¿Por qué se trituran los cereales? c) ¿Qué función tiene el agua? d) Realiza el experimento con 2 marcas de cereales y compara la cantidad de hierro obtenida. Anota los resultados en la siguiente tabla: Cereales Observaciones Marca 1: Marca 2: e) Indica los equilibrios y reacciones que tienen lugar en el ensayo con HCl y KSCN. 48 [17]https://www.fundaciondiabetes.org/sabercomer/405/alimentos-con-contenidomoderado-o-bajo-en-sodio [18] La química y la alimentación. Foro permanente de química y sociedad https://www.quimicaysociedad.org/tabla-periodica-de-los-elementos-quimica/ [19] https://www.muyinteresante.es/salud/fotos/la-sal-historia-curiosidades-y-salud/cantidadde-sal-recomendada [20] https://www.lenntech.es/periodica/elementos/k.htm [21] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/potasio.htm [22] https://www.infometales.com/potasio/ [23] Ann Crawford, Helene Harris, 2011. Equilibrio entre el sodio y el potasio. Nursing. Elsevier, volumen 29, número 9, páginas 14-20. [24] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/magnesio.htm [25] https://www.abametales.com/productos.php?producto=magnesio-metalico [26] https://www.lenntech.es/periodica/elementos/mg.htm [27] https://www.quimicas.net/2015/07/el-magnesio.html [28] https://www.camarassinfronteras.com/articulos/flash/magnesio.html [29] P. Aranda, E. Planells, J. Llopis. Magnesio. Ars Pharmaceutica, 41: 1; 91-100, 2000 [30] https://ods.od.nih.gov/factsheets/Magnesium-DatosEnEspanol/ [31] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/calcio.htm [32]https://www.dciencia.es/los-elementos-en-los-humanos-o-c-h-n-ca-p/ [33] https://www.lenntech.es/periodica/elementos/ca.htm [34] https://jesusantaroca.wordpress.com/tag/minas-de-yeso/ [35] https://www.lenntech.nl/periodiek/elementen/fe.htm [36] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/hierro.htm [37] https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/1464947174/contido /421_obtencin_del_mineral_de_hierro.html [38] https://www.infosalus.com/salud-investigacion/noticia-hierro-organismo-causa-excesodeficit-20191011075944.html 49 [39] Underwood, Eric J., (1977), Trace Elements in Human and Animal Nutrition, Nueva York, Estados Unidos, Academic Press. [40] https://ods.od.nih.gov/factsheets/IronDatosEnEspanol/#:~:text=El%20cuerpo%20utiliza%20el%20hierro,elaborar%20hormonas%20y %20tejido%20conectivo [41] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/cobre.htm [42] https://www.lenntech.nl/periodiek/elementen/cu.htm [43] https://www.edu.xunta.gal/espazoAbalar/sites/espazoAbalar/files/datos/1464947174/contido /531_metales_pesados.html [44] https://elementos.org.es/cobre [45] https://www.lavanguardia.com/internacional/20200616/481765334345/cangrejoherradura-coronavirus-vacuna-sangre-azul.htm [46] https://medlineplus.gov/spanish/ency/article/002419.htm#:~:text=Las%20ostras%20y%20otro s%20mariscos,pimienta%20negra%20y%20la%20levadura [47] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/zinc.htm [48] https://www.lenntech.nl/periodiek/elementen/zn.htm [49] https://blogs.20minutos.es/yaestaellistoquetodolosabe/cual-es-el-origen-de-la-expresionno-hay-tu-tia [50] López A., (2017), Ya está el listo que todo lo sabe: Una curiosidad para cada día del año, Ed. Leeme; nº1 edición. [51] https://www.infometales.com/zinc/ [52] https://ods.od.nih.gov/pdf/factsheets/Zinc-DatosEnEspanol.pdf [53] https://www.lenntech.es/periodica/elementos/se.htm#:~:text=La%20abundancia%20de%20es te%20elemento,en%20asociaci%C3%B3n%20con%20azufre%20elemental [54] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/selenio.htm [55] https://www.cosmos.com.mx/wiki/selenio-c7dz.html [56] https://ods.od.nih.gov/pdf/factsheets/Selenium-DatosEnEspanol.pdf [57] http://www.quimicaweb.net/tablaperiodica/paginas/mercurio.htm [58] https://www.lenntech.nl/periodiek/elementen/hg.htm 50 [59] https://www.caracteristicas.co/mercurio-metal/ [60] Metales pesados tóxicos: el mercurio. Química inorgánica ambiental. Tema 3 (pp. 4;11-12). Universidad de Granada. https://www.ugr.es/~mota/QIA_TEMA-3_Hg.pdf [61] https://www.prevensystem.com/internacional/673/noticia-como-nos-afecta-la-presenciade-metales-pesados-en-los-alimentos.html [62] PADLET. 2016. [Recurso electrónico]. Disponible en: https://es.padlet.com [63] https://datos.redomic.com/userfiles/3/files/G47.pdf [64] “Fluoridation Facts”: páginas 14-16, apartados 2-5 https://www.ada.org/~/media/ADA/Files/Fluoridation_Facts.pdf?la=en [65] Molina Maisincho, A.E. (2019). Selenio: un elemento tóxico y esencial (Trabajo Fin de Grado). Universidad Complutense.