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元素






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微量元素
栄養素

単位

マグネシウム(Mg)
イオン





元素
造語
  • 徳川時代の津山藩医、宇田川家の養子「宇田川榕菴」の造語

元素(element)

同一の原子番号の原子からなり、化学的方法ではそれ以上に分解できない純粋な物質のこと。
化学反応することのできる元素の最小粒子が原子(atom)。
  • 「a」=否定を表す接頭辞
  • 「tom」=分割する


元素の基本単位は原子で、中心に原子核(陽子と中性子)、そのまわりを電子が惑星のように動いている。

元素は、金属、非金属、半金属の3つに区分される。
  • 非金属17、半金属7、残りはすべて金属である。

非金属は、だいたい周期表の右側に集まっている。

生物に多い6種類の多量元素はすべて「非金属」で、軽い。 \

「C」と「N」はもと気体であった。
  • 大気中の二酸化炭素(CO2)や窒素ガス(N2)が植物や微生物による炭素固定や窒素固定でつくられた


現在、118の元素があり、天然に存在するのはその中の90種類。


生体分子に多いのは6個(H、O、C、N、P、S)の多量元素。その次に多いのが主にイオン成分となる5個(Na、Mg、Cl、K、Ca)と微量元素(Fe、Cu、Iなど)



分子(molecule)
  • 分子は1個の独立の粒子として行動する原子の結合体のこと。


化合物(compound)
  • 2種類以上の元素が結合してできた物質。

有機化合物(organic conpound)
  • 炭素を含む化合物の総称。
  • ただし、炭素を含む簡単な化合物は無機化合物に分類する。


私たちの体は6つの元素で、99%近くが構成されている
  • 「炭素」(C)
    • 炭素は4つの安定な化学構造をつくる能力をもっているので、多くの種類の大きな分子(機能性分子)をつくることができる。
  • 「水素」(H)
    • 水素は1つしか化学結合をつくれない。水素だけでは大きな分子を形成することはできない。
  • 「酸素」(O)
    • 酸素は2つしか化学結合をつくれない。
  • 「窒素」(N)
    • 窒素は3〜4つの化学結合を作れるが、炭素のように安定した機能分子の骨格がつくれない。
  • 「イオウ」(S)
    • イオウは2つの化学結合をつくれる。
  • 「リン」(P)
    • リンは、DNAのような大きな巨大分子ににも含まれる。
    • 体内では、ほとんど酸素を4つ結合したリン酸誘導体のかたちでしか存在しない。

生体分子は

1>4つのボックス
  • ・糖
  • ・脂質
  • ・アミノ酸とタンパク質
  • ・ヌクレオチドと核酸
  を設定し、それぞれを2つ(物質・代謝)に仕切る、

2>代謝はさらに2分(異化・同化)できる

3>すべての生体分子に共通する元素は「炭素C」「水素H」「酸素O」

4>糖と脂質は、基本的にC・H・Oの3つから構成されている。

5>タンパク質はC・H・Oに「窒素N」と「硫黄S」が含まれる

6>比較的多い5つの元素(Na・Mg・Cl・K・Ca)は「塩素Cl」を除けば「金属」である。これらは生体内ではC・H・Oのような化合物としてではなく単独の「イオン」として存在する。

  • 原子の性質や化学反応で重要なのは、最も外側の電子(価電子)である。
  • 原子が最も安定しているのは最外殻の電子がちょうど満員になっている状態。
    • sが2個とpが6個の時。






生元素    bioelements
生体に関わる生元素の化合物は、生体中の特定の部位に偏在している。
イオン (作用)
カリウム 細胞の内側に
ナトリウム 細胞の外側に
カルシウ
マグネシウム
リン
フッ素
骨組織や歯に分布。
カルシウム
マグネシウム
核酸の代謝に寄与する酵素を活性化し、3大栄養素の消化酵素を活性化する。

マンガン
コバルト
タンパク質とアミノ酸の分解を促進する
塩素 炭水化物の分解に触媒作用をもつ酵素を活性化する
亜鉛
クロム
脳下垂体に分布する
亜鉛 性腺に分布する
カドミウム 腎臓に分布
リチウム 肺に分布







人体中の元素濃度
元素体重1kg当たりの存在量 特徴



酸素(O) 650mg 65.0 水や多くの有機物分子の一部。
一時的に化学エネルギーとして細胞の中に蓄えられるATPの合成に寄与する
炭素(C) 180mg 18.5 すべての有機分子の骨格となる鎖や環を構成。
[炭水化物][脂質タンパク質][核酸]
窒素(N) 30mg 3.2 すべてのタンパク質と核酸の構成成分。
カルシウム
(Ca)
15mg 1.5 骨や歯を硬くする。
カルシウムイオン(C++)は血の凝固、ホルモンの分泌、筋肉を凝縮させる、他の過程に必要
リン(P) 10mg 1.0 核酸やATPの構成成分。骨や歯の構成に必要。
水素(H) 9.5 水や多くの有機分子の構成成分。
水素イオン(H)は体液を酸性に傾ける



イオウ
(S)
2.5mg 0.25 ビタミンや多くのタンパク質の構成成分
カリウム
(K)
2.0mg 0.35 カリウムイオンは細胞内に多く存在。。神経や筋肉の興奮に必要。
ナトリウム
(Na)
1.5mg 0.2 ナトリウムイオン(Na+)は細胞外に最も多く存在する陽イオン。水分調整に不可欠であり、神経や筋肉の活動に必要。
塩素(CL) 1.5mg 0.2 塩素イオン(Cl-)は細胞外に最も多く存在する陰イオン。水分調節に不可欠。
マグネシウム
(Mg)
1.5mg 0.1 マグネシウムイオン(Hg++)は生体の化学反応の速度を増加する多くの酵素活性に必要。




trace elements
鉄(Fe) 85.7
µg
0.005 鉄イオン(Fe++、Fe+++)はヘモグロビンやある種の酵素の一部
フッ素(F) 42.8
µg
ケイ素(Si) 28.5
µg
亜鉛(Zn) 28.5
µg
毛髪、骨、歯、肝臓、筋肉、腎臓に存在
ストロンチウム
(Sr)
4.57
µg
ルビジウム
(Rb)
4.57
µg
鉛(Pb) 1.71
µg
マンガン(Mn) 1.43
µg
肝臓、腎臓に存在
銅(Cu) 1.14
µg
毛髪、肝臓、脳、腎臓に存在




アルミニウム 858
ng
腎臓に存在
カドミウム 714
ng
肝臓、腎臓に存在
スズ 286
ng
バリウム 243
ng
水銀 186
ng
セレン 171
ng
ヨウ素 157
ng
モリブデン 143
ng
ニッケル 143
ng
ホウ素 143
ng
クロム 28.5
ng
ヒ素 28.5
ng
血液中に存在
コバルト 21.4
ng
バナジウム 21.4
ng
糖尿病






超重元素
  • =周期表で100番を超える非常に重い元素。
  • 自然界には存在しない。
  • 核反応を起こして人工的に作り出す
  • 寿命が極めて短い





周期表
  • 物質を構成する小さな粒子(原子)には種類があり、その種類が元素。
  • 元素の誕生はビッグバンや恒星の爆発で飛び散ったものが地球に取り込まれ、岩石や生物に姿を変えながら循環し続けている。
  • ロシアのメンデレーエフが元素を質量やその他の性質によって分類し周期表を作り上げた。
  • 各元素には、原子核に含まれる陽子の個数に応じて固有の番号がつけられた。
  • 1940年までに、地球上にある安定した元素はすべて発見された。
  • 92番元素(ウラン)から先の元素は放射性が高く不安定な元素。
  • グレン・シーボーグは94番目元素(プルトニウム)の生成を1940年に確認し、1955年までに101番目元素を発見した。101番目はメンデレーエフにちなんでメンデレビウムと命名。


元素変換・・・・一部を確認
  • 2014年、トヨタグループの豊田中央研究所は、重水素を使い元素の種類を変える元素変換の現象の一部を確認した。
  • 三菱重工業が提唱した元素変換の技術実験の再現に部分的に成功した。
  • 原子炉や大がかりな加速器を使わずに、セシウムに重水素を投下すると元素番号が4つ多いプラセオジウムを検出した。
  • 金属のパラジウムと酸化カルシウムの薄膜を交互に積層した多層膜にセシウム原子をイオン注入し、重水素を約50g、1週間〜10日間湯渇せ他。その結果、「10の12乗個オーダーのプラセオジウム原子を検出した」
  • 豊田中央研では“起こるはずのない元素変換が起こっていることは否定できない”としている。








重金属の摂取量・・・・調査
「魚や野菜に含まれる水銀・ヒ素など重金属による健康被害が懸念されていることから、厚生労働省は2004年度から5年かけて全国の約15000人の食行動を分析し、これらの物質の摂取量を推計する初の調査を実施することを決めた。
調査対象者から連続3日分の食事内容を聞き取り、食品ごとの摂取頻度を調べる計画。従来の国民栄養調査は1日だけの食事データで、摂取頻度は不明だった。厚労省は調査結果をデータベース化して地域、年代、生別など属性ごとの「食」傾向を把握し、今後の食品リスク管理の基礎データとして活用する方針だ。
調査対象は水銀ヒ素カドミウムスズ
国民栄養調査の対象者のうち、各年度ごとに約1200世帯(3750人)を訪問し、生別、年代、朝昼晩に食べた食品名と量、妊娠中や授乳中かどうかなどを聞き取る。調査は毎年3日間続け、栄養士らの調査員が量の計算を手助けする。
摂取頻度調査と並行して、市販の食品からサンプルを採取して4物質の含有量を調査。4年間かけて2つの調査データを蓄積した上で、それをもとに5年目の2008年に摂取量を割り出す。
水銀などの重金属は環境汚染が原因で魚介類や米、野菜、果物など幅広い食品に含まれ、神経系や腎臓などへの悪影響が懸念されている。自然界に存在するため規制が難しく、厚労省は正確な摂取量の把握と安全性の検証が必要と判断した。
水銀は主に魚介類に蓄積し、妊婦が摂取しすぎると胎児の神経系などに悪影響があるとされる。ヒ素は魚介類や野菜に含まれ、慢性中毒になると神経障害や皮膚の色素沈着が現れる。カドミウムは水や土壌汚染により米・小麦などに蓄積、特に中高年の女性の腎臓障害を引き起こす恐れがある。スズは果実缶詰やジュース缶のメッキで使われたのが溶け出す恐れがあり、胃腸障害を招く。
106
番目
106番元素「シーボギウム」
2014年、理化学研究所は、その詳しい性質を突き止めた。
シ−ボギウムは周期表で、クロムやモリブデン。タングステンと同じ縦列(族)にあり、質量がとても大きく寿命が短い。
ガスクロマトグラフィーで調べたところ、タングステンと同じ性質と分かった。
112
番目
2010年、2/19、元素名の国際的な基準を定める機関「国際純正・応用化学連合(IUPAC)」は、原子番号112の元素を『コペルニシウム(Cn)』と命名した。
正式な名前がついている元素の中で、最も重い元素である。
この元素は、1996年、ドイツ重イオン研究所(GSI)によって、初めて人工的に合成された。
加速器を使って、亜鉛の原子核を鉛の原子核に高速でぶつけ、原子核を融合させて合成した。
113
番目
最も重い
「理化学研究所は2004年9/28、これまで確認されている中で最も重い113番目の元素を発見したと発表。実験で1個を人工的に作り出すことに成功した。
発見したのは理研の森田浩介研究員らのグループ。理研の野依良治理事長は「科学の歴史に永遠に残る成果。新元素の名前は『ジャポニウム』という案もあるが、個人的には『リケニウム』と名付けて欲しい」と話している。
理研のグループは加速器などを使い、原子番号30の亜鉛原子を原子番号83のビスマスに照射して合成した。亜鉛がビスマスに衝突した瞬間に核反応が起こり、中性子1個を放出して新元素が1個できた。新元素は極めて不安定で、作り出してから344マイクロ秒(1マイクロ=1/100万)後にはヘリウムの原子核を放出し始め、別の軽い元素に変わってしまった。
新元素は国際的に発見競争が続いており、原子番号110までの元素に命名されている。
新元素の命名権を得るには、新元素が既知の元素になるまで崩壊する流れを示して国際的に認知されなければならない。
2016年1月、命名権を獲得した。
予測 2010年、豊田理化学研究所の大野公一フェローと京都大学の前田理特任助教は、100個以上の原子が様々な化学物質を形作る様子を計算する手法を開発した。
医薬品や触媒になる原子の組み合わせが分かる。
開発したのは、原子がいくつも集まった化学物質が化学反応などでどのように構造を変えるのかを予測する計算手法。
コンピューターで逆算すれば、狙った構造をどうすれば作れるのか予測できる。
研究チームは化学物質の構造が変わるときに、物質のエネルギー状態が一定の理論値から大きく離れる点に着目。
原子98個の分子が、有用物質を効率的に作る「不斉触媒」になる構造を探す計算をした。反応が成り立つ構造は68種類あり、不斉触媒になる構造は10種類あった。このうち1つは実用化されている構造と同じで、計算の有効性を確認した。
学術研究向けに計算ソフトの配布を始めた。




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