Содержание

Введение……………………………………………………………………………..

Теоретическая часть. Химический эксперимент в современной школе……

1.1 Виды эксперимента и методика его использования………………………….

1.2 Функции химического эксперимента…………………………………………

1.3 Проблемный эксперимент……………………………………………………..

1.4 Экологическая компонента в школьном курсе химии………………………

1.5 Критерии отбора экологического содержания……………………………….

1.6 Взаимосвязь химических, экологических и природоохранных понятий…..

1.7 Роль социальных, естественно — научных и природоохранных

понятий в формировании экологических знаний……………………………….

Экспериментальная часть. ………………………………………………………

2.1 Химический эксперимент экологической направленности…………………

2.2 Разработки лабораторных экологизированных экспериментов…………….

2.2.1 Лабораторный эксперимент по теме «Вода»: «Влияние химических загрязнителей воды на рост и развитие живых организмов»……………………

2.2.2 Разработка урока химии по теме: «Определение качества

водопроводной и речной воды»………………………………………………….

2.2.3 Влияние нефти на живые организмы

(Урок в теме «Природные источники углеводородов»)………………………..

2.2.4 Влияние ионов металлов на живые организмы

(Урок в теме: «Металлы»)………………………………………………………..

Апробация экологизированных демонстрационных опытов на уроках

химии…………………………………………………………………………….

Заключение…………………………………………………………………………..

Список литературы…………………………………………………………………

Введение

В решении проблем охраны окружающей среды важнейшая роль принадлежит образованию. Уже с самого раннего возраста каждый живущий на Земле человек должен знать к чему приводит беспечное отношение к окружающей среде; он должен знать о заболеваниях, вызванных загрязнением среды; о генетических отклонениях; о гибели животных и растений; об уменьшении плодородия почвы; об исчерпаемости запасов питьевой воды и других негативных изменениях среды обитания. И не только знать, но и ощущать личную ответственность за ее состояние.

Однако сегодняшние выпускники школы слабо ориентированы в глобальных, в том числе экологических, проблемах сохранения здоровья человека и биосферы. Преобладают потребительские взгляды на природу, низок уровень восприятия экологических проблем как личностно значимых, недостаточна развита потребность фактически участвовать в природоохранной работе. Многие отождествляют охрану окружающей среды и рациональное природопользование с охранением отдельных природных комплексов и редких видов растений и животных [1-3].

Цель дипломной работы заключалась в рассмотрении необходимости применения уроков с экологическим содержанием в курсе химии средней школы и оценки роли химического эксперимента в формировании экологических знаний.

Актуальность. Экологизация школьного курса химии обусловлена необходимостью готовить школьников к активному участию в решении насущных проблем защиты окружающей среды от загрязнения.

В настоящее время вопросы экологии находят свое отражение в новых учебных программах и содержании курса химии. Одним из эффективных методов формирования экологических знаний и умений школьников становятся экксперименты по химии с экологической проблематикой. Их оптимальное использование в учебном процессе позволяет сделать теоретический материал аргументированным, жизненным и менее академичным. В поисках ответа на экологические вопросы ученик невольно становится сопричастным к проблемам защиты природы, получает реальные возможности использовать приобретенные знания в жизни.

Экологизация химического эксперимента невозможна без включения в него исследовательского компонента. Только в этом случае у учащихся формируется широкий спектр практических умений, появляются навыки формулирования проблемы, планирования эксперимента, проведения наблюдений, сбора данных, овладения разнообразными методами и методиками исследования, обработки, анализа и обсуждения результатов, оценки реальной экологической ситуации и прогнозирования последствий применения природозащитных мероприятий [4].

Исследовательский компонент может быть реализован через систему нетрадиционного химического эксперимента, основу которого составляют:

1) моделирование экологических ситуаций, адекватных реально существующим;

2) имитация некоторых природных процессов и явлений;

3) определение биогенных элементов в биологическом материале;

4) оценка качества сельскохозяйственной продукции.

Экологизация школьного химического эксперимента позволит сделать восприятие теоретического материала более активным, эмоциональным, творческим, будет способствовать формированию у учащихся интереса к химии и экологии.

Химический эксперимент – неотъемлемая часть обучения химии. В условиях экологизации химического образования роль эксперимента возрастает. Он становится активным методом изучения окружающей природной среды, способствует формированию и совершенствованию знаний в области химии, экологии и охраны природы. Благодаря эксперименту учащиеся лучше овладевают курсом химии, воспитывается нравственное отношение к окружающему миру. Под руководством учителя школьники учатся анализировать разнообразные экологические ситуации, прогнозировать функционирование природных систем в условиях антропогенного воздействия, находить решения, направленные на защиту и сохранение среды обитания.

Химический эксперимент с экологической ориентацией предполагает:

1) определение состояния природного окружения с использованием аналитических методов;

2) переработку отходов, образующихся в результате химических реакций (уничтожение веществ, их обезвреживание с последующим помещением во внешнюю среду или повторное использование в учебном процессе).

Неотъемлемой частью решения указанных задач является грамотно выполненный химический эксперимент, поэтому, вопросы, затрагиваемые в дипломной работе, своевременны и актуальны.

Теоретическая часть. Химический эксперимент в современной школе

Химический эксперимент – важнейший метод и средство обучения химии. Методика применения химического эксперимента на уроках химии достаточно исследована и разработана учеными-методистами. Однако в настоящее время вновь возникает интерес к данной тематике. Это связано прежде всего с тем, что происходит резкое изменение содержания учебного предмета, появление пропедевтических и элективных курсов. Все это требует поиска новых опытов, вписывающихся в современное содержание обучения химии в школе.

В целом как учебное содержание, так и отбор химического эксперимента зависит от социального заказа общества. Это можно пронаблюдать по публикациям журнала «Химия в школе». Например, в послевоенное время, когда восстанавливалось разрушенное войной народное хозяйство, большое число статей было посвящено химическим производствам. В рубриках «Химический эксперимент» и «Внеклассная работа» описывались действующие лабораторные установки по получению различных веществ. Позже приоритетным направлением стало сельское хозяйство. Сельскохозяйственная тематика проявилась в синтезе гербицидов, пестицидов, различных стимуляторов роста и т.д.

1.1 Виды эксперимента и методика его использования

Общеизвестно, что школьный химический эксперимент классифицируют на демонстрационный и ученический. В зависимости от цели и способа организации ученический эксперимент подразделяют на лабораторные опыты, практические занятия и домашние опыты.

Демонстрационный эксперимент

Демонстрационный химический эксперимент – главное средство наглядности на уроке. Это определяется спецификой химии как экспериментальной науки. Поэтому эксперимент занимает одно из ведущих мест. Он позволяет не только выявлять факты, но и знакомить с методами химической науки [5].

Демонстрационный эксперимент проводит учитель или лаборант. В отдельных случаях несложный эксперимент может быть показан и учеником.

Когда применяется демонстрационный эксперимент на уроке?

В начале школьного курса – для привития экспериментальных умений и навыков, интереса к химии, ознакомления с посудой, веществами, оборудованием.
Когда он сложен для самостоятельного выполнения учащимися (получение озона).
Когда он опасен для учащихся (взрыв водорода с кислородом).
Нет соответствующего оборудования и реактивов.

Общеизвестны и требования к демонстрационному эксперименту.

Наглядность – большой объем реактивов и посуды, виден с последних рядов, на столе не должно быть лишних деталей. Для усиления наглядности могут быть использованы кодоскоп, компьютер, предметный столик, цветные экраны.
Простота – в приборах не должно быть нагромождения лишних деталей. Следует помнить, что объект изучения не прибор, а химический процесс, происходящий в нем. Чем проще прибор, тем легче объяснить опыт. Поэтому при использовании аппарата Киппа, газометра, прибора Кирюшкина необходимо объяснить принцип работы прибора.
Безопасность – учитель химии несет ответственность за жизнь учащихся. Поэтому все опыты должны проводиться с соблюдением правил техники безопасности. При демонстрации опытов со взрывами необходимо использовать защитный экран; при получении и демонстрации ядовитых газов – принудительную вентиляцию (вытяжку) и т.д.
Надежность – неудавшийся опыт вызывает разочарование у учащихся. Поэтому необходима отработка эксперимента до урока. При этом уточняется время, которое затрачивается на его проведение.
Техника выполнения опыта должна быть безукоризненная. Поэтому если осваивается новый эксперимент, то он должен быть хорошо отработан. Ошибки, допущенные учителем, легко переносятся на учеников.
Необходимость объяснения демонстрационного эксперимента. Перед демонстрацией опыта необходимо указать на цель эксперимента, сориентировать наблюдения эксперимента учащимися, после проведения опыта сделать выводы.

Методика проведения демонстрационных опытов

Постановка цели опыта: для чего проводится данный опыт, в чем должны убедиться учащиеся, что понять.
Описание прибора, где проводится опыт, и условий его проведения.
Организация наблюдений учащихся: учитель должен сориентировать учеников, за какой частью прибора должны вестись наблюдения.
Выводы.

Бывает, что при проведении урока используется серия демонстрационных опытов. Как определить последовательность их демонстрации? Рассмотрим, чем нужно руководствоваться при этом на примере темы «Кислород».

При изучении темы «Кислород» учитель демонстрирует учащимся горение в кислороде серы, угля, фосфора и железа. Правильной будет следующая последовательность демонстраций: горение угля, горение серы, горение фосфора, горение железа. Такой порядок объясняется внешним эффектом, сопровождающим горение данных веществ. Уголь горит более энергично в кислороде, чем на воздухе. Горение серы в кислороде сопровождается появлением большого синего пламени. Фосфор ослепительно сгорает в кислороде. И наконец, горение железа похоже на горение бенгальских огней.

При изменении данного порядка эффект последующих реакций будет ниже предыдущих, что, несомненно, вызывает разочарование учащихся. Кроме того, мы демонстрируем сначала горение в кислороде веществ, горючих на воздухе (С, S, Р), и только потом горение негорючего вещества железа. Наконец, первые три процесса – это взаимодействие кислорода с неметаллами, а последняя демонстрация – взаимодействие кислорода с металлами. Если учитель акцентирует внимание на этом, то он формирует системность знаний учащихся.

Таким образом, при отборе опытов необходимо оптимально и гармонично включать их в канву урока.

Ученический эксперимент

Ученический эксперимент разделяют на лабораторные опыты и практические работы. Некоторые методисты выделяют еще и практикум, который проводится на заключительном этапе изучения химии.

Дидактическая цель лабораторных опытов состоит в приобретении новых знаний, т.к. они проводятся при изучении нового материала. Практические работы обычно проводятся в конце изучения темы, и их целью является закрепление и систематизация знаний, формирование и развитие экспериментальных умений учащихся.

При выполнении ученического эксперимента необходимо учитывать следующие этапы:

1) осознание цели опыта;

2) изучение веществ;

3) монтаж прибора (где это необходимо);

4) выполнение опыта;

5) анализ результатов;

6) объяснение полученных результатов, написание химических уравнений;

7) формулировка выводов и составление отчета.

По форме организации лабораторные опыты могут быть индивидуальными, групповыми и коллективными. Очень важно правильно организовать деятельность учащихся, чтобы на выполнение опыта затрачивалось лишь отведенное время. Для этого необходима тщательная подготовка учебного оборудования и реактивов. Склянки с реактивами должны иметь этикетки. Если реактивы выдаются в пробирках, то они должны быть пронумерованы, а на доске или на листочках сделаны соответствующие записи. Во время выполнения опытов необходимо руководить действиями учащихся. После выполнения работы нужно организовать обсуждение результатов. Оформление результатов опытов следует вести в рабочих тетрадях. Недостатком лабораторных опытов является то, что при их выполнении невозможно формировать экспериментальные умения и навыки. Эту задачу выполняют практические занятия [6].

Практические занятия делятся на два вида: проводимые по инструкции и экспериментальные задачи. Инструкция для практической работы представляет собой ориентировочную основу деятельности учащихся. На начальном этапе изучения химии даются подробные инструкции с детальным описанием выполняемых операций. По мере выполнения практических работ и усвоения экспериментальных умений инструкции делаются более свернутыми. Экспериментальные задачи не содержат инструкций, в них есть только условия. Разрабатывать план решения задачи и осуществлять его ученик должен самостоятельно.

Перед началом любой практической работы учитель знакомит учащихся с правилами безопасной работы в кабинете химии, обращает внимание на выполнение сложных операций. При выполнении первых практических работ учитель приводит примерную форму отчета, помогает учащимся сделать выводы.

Подготовка к решению экспериментальных задач проводится поэтапно. Сначала задачи решают всем классом теоретически. Для этого анализируется условие задачи, формулируются вопросы, на которые необходимо дать ответы, предлагаются опыты. Затем один ученик решает задачу у доски теоретически, экспериментально доказывает правильность своих предположений. После этого класс приступает к выполнению аналогичных задач на рабочих местах. Опытные учителя постепенно вводят экспериментальные задачи в учебный процесс. Так, например, при проведении практической работы «Получение кислорода и изучение его свойств» учитель предлагает хорошо успевающим ученикам задачу: «Какие из предложенных веществ (КNО3, К2SО4, МnО2) можно использовать для получения кислорода?»

Практическое занятие – сложный вид урока. Учителю нужно вести наблюдение за всем классом, корректировать действия учащихся. Большую помощь педагогу могут оказать специально подготовленные ученики класса – прокторы. Это может быть член кружка, ученик, интересующийся химией, или просто желающий [7].

Учитель приглашает прокторов во внеурочное время в кабинет химии и предлагает им выполнить предстоящую практическую работу под своим наблюдением, обращая внимание на возможные ошибки и тонкости.

Затем каждому проктору выдается лист учета и разъясняется, как его следует заполнять.

Прокторов нужно учить еще и общению, стилю поведения. Важно, чтобы к порученному заданию они относились ответственно, были коммуникабельны и не вели себя высокомерно.

После этого уже на уроке прокторам поручается курировать микрогруппу из 3–4 учеников, сидящих за соседними столами, во время выполнения ими практической работы. Если ученик правильно и самостоятельно, без вмешательства проктора выполнит операцию, то он получит за нее 1 балл, если при выполнении операции он допустит ошибку, то не получает баллов.

Заполненный лист учета сдается учителю по окончании работы и обязательно учитывается вместе с проверкой отчета в тетрадях. Если от учеников поступает жалоба на проктора, то учитель должен в ней обязательно разобраться и вынести справедливое решение. Прокторы не только контролируют работу учащихся, но и оказывают им необходимую помощь, поясняют то, что непонятно, т.е. выполняют некоторые функции учителя в своей группе.

Опыт использования данной методики на начальном этапе изучения химии показал ее высокую результативность.

Домашний эксперимент

Домашний химический эксперимент является одним из видов самостоятельной работы учащихся, имеющей большое значение как для развития интереса к химии, так и для закрепления знаний и многих практических умений и навыков. При выполнении некоторых домашних опытов ученик выступает в роли исследователя, который должен самостоятельно решать стоящие перед ним проблемы. Поэтому важна не только дидактическая ценность этого вида ученического эксперимента, но и воспитывающая, развивающая.

С первых уроков изучения химии необходимо нацелить учащихся на то, что они будут выполнять опыты не только в школе, но и дома. В домашний эксперимент включают опыты, для выполнения которых не нужны сложные установки и дорогие реактивы. Используемые реактивы должны быть безопасными и приобретаться в хозяйственных магазинах или аптеках. Однако и при использовании этих реактивов необходима консультация учителя.

Предлагаемые опыты могут носить разнообразный характер. Одни связаны с наблюдением явлений (сливание растворов соды и уксуса), другие – с разделением смеси веществ, при постановке третьих нужно объяснить наблюдаемые явления, используя свои знания по химии. Включаются и экспериментальные задачи, при выполнении которых ученики не получают от учителя готовых инструкций по технике выполнения опыта, например экспериментально доказать наличие солей в питьевой воде.

Желательно, чтобы при проведении эксперимента присутствовали старшие члены семьи ребенка.

Учителю полезно создать к каждой теме инструкции по выполнению опытов. Тогда это направление будет носить системный характер.

Не менее важным моментом в работе учащихся является составление письменных отчетов о результатах домашнего химического эксперимента. Можно рекомендовать учащимся составлять отчеты по той форме, которую они используют при выполнении практических работ.

Учитель может систематически просматривать домашние отчеты в рабочих тетрадях учащихся, а также заслушивать выступления учеников о результатах проделанной работы.

1.2 Функции химического эксперимента

В процессе обучения химический эксперимент выполняет различные функции. Рассмотрим некоторые из них.

Эвристическая функция химического эксперимента проявляется в установлении новых

а) фактов; б) понятий и в) закономерностей.

а) В качестве примера можно привести реакцию взаимодействия газообразного водорода с оксидом меди(II). Наблюдая данную демонстрацию, ученики устанавливают, что водород при определенных условиях может реагировать с оксидами металлов, восстанавливая металл до простого вещества.

б) Химический эксперимент обладает большими потенциальными возможностями для формирования новых понятий. Например, при изучении темы «Кислород» учитель демонстрирует способ получения кислорода из пероксида водорода. Для ускорения процесса разложения пероксида водорода в пробирку вводится диоксид марганца. После завершения реакции учитель дает определение катализатора.

в) Особенно ярко функция выявления зависимостей и закономерностей проявляется при изучении темы «Закономерности протекания химических реакций». Демонстрационный эксперимент позволяет выявить зависимость скорости химической реакции от природы реагирующих веществ, концентрации, поверхности соприкосновения реагирующих веществ и т.д.

Корректирующая функция химического эксперимента проявляется в преодолении трудностей освоения теоретического материала и исправлении ошибок учащихся. Очень часто учащиеся считают, что при взаимодействии растворов хлороводорода и серной кислоты с медью выделяется водород. Для исправления таких ошибок полезно продемонстрировать следующий опыт. В пробирки с соляной кислотой и раствором серной кислоты прибавляют кусочки меди. Учащиеся наблюдают, что при обычных условиях и при нагревании водород не выделяется [8].

Корректировке процесса приобретения экспериментальных умений способствуют эксперименты, которые демонстрируют последствия неправильного выполнения некоторых химических операций. Например, как проводить разбавление концентрированной серной кислоты водой. Для этого в высокий химический стакан наливают концентрированную серную кислоту. Стакан закрывают листом фильтровальной бумаги и через отверстие в бумаге приливают пипеткой горячую воду. При соприкосновении воды с кислотой происходит образование паров и разбрызгивание раствора. При приливании серной кислоты в воду и перемешивании раствора растворение протекает спокойно.

Обобщающая функция химического эксперимента позволяет выработать предпосылки для построения различных типов эмпирических обобщений. С помощью серии опытов можно сделать обобщенный вывод, например, о принадлежности различных классов веществ к электролитам.

Исследовательская функция химического эксперимента наиболее ярко проявляется в проблемном обучении. Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Проблемный эксперимент

Как известно, исходным пунктом любого направленного исследования является проблема. Поиск путей решения проблемы приводит исследователя к выдвижению той или иной идеи – первоначального предположения. С момента рождения первоначального предположения и начинается процесс формирования гипотезы. Первоначальные предположения рождаются в форме догадки, т.е. интуитивно. Поиск идеи о возможном решении проблемы – процесс глубоко творческий, и единого решения здесь не существует. Тем не менее первоначальное предположение не возникает из ничего. Оно есть результат изучения исследователем новых фактических данных на основе знаний, накопленных в науке. Подкрепление идеи все новыми и новыми аргументами ведет к созданию обоснованного предположения – гипотезы.

Существует несколько путей подтверждения истинности гипотезы. Основным и наиболее распространенным способом является выведение вытекающих из нее следствий и их верификация, т.е. установление соответствия фактическим данным, согласуемости с ними. В данном случае рассуждение строится по такой схеме: если основное предположение гипотезы истинно, то в действительности должны иметь место такие-то и такие-то конкретные явления. Если данные явления будут обнаружены путем целенаправленного наблюдения, в научных экспериментах или же в практической деятельности, то гипотеза будет подтверждена. Именно таким способом подтвердилась в свое время гипотеза о существовании в растворах ионов [9].

Другой способ подтверждения гипотезы – непосредственное обнаружение объектов, мысль о существовании которых была основным содержанием гипотезы. Данный способ широко использовался Д.И.Менделеевым для предсказания свойств еще не открытых элементов.

И наконец, гипотеза может быть подтверждена путем дедуктивного выведения ее из другого, но уже достоверного знания – научной теории, закона. Для этого необходимо, чтобы с развитием науки был достоверно установлен такой закон, из которого данная гипотеза была бы выводима. Примером может служить открытие соединений инертных газов. До 1940-х гг. считалось, что инертные газы не способны образовывать химических соединений. Развитие теоретических представлений, оценка значений энергий связи электронов в атоме, ионизационных потенциалов и ионных радиусов позволили выдвинуть гипотезу, что электронные октеты в атомах инертных газов не являются столь уж стабильными. В 1933 г. американский ученый Л.Полинг достаточно убедительно показал принципиальную возможность образования химических соединений ксенона и криптона со фтором. Но прошло почти 30 лет, прежде чем на свет появились первые в мире соединения благородных газов Хе(РtF6) и Kr(РtF6).

Применение гипотез в учебном процессе не исчерпывается только реализацией принципа историзма. Большие возможности по использованию учебных гипотез заложены в организации учебного процесса. При этом сам ученик может быть поставлен в роль исследователя, генератора идей.

Большой потенциал заложен в использовании на уроке химического эксперимента. Выполнение стандартных, предусмотренных школьной программой опытов мало стимулирует творческую работу учащихся на уроках и не вполне соответствует специфике самой химической науки. Для нее характерен эксперимент, который носит исследовательский и проблемный характер. Такие эксперименты целесообразно включать в беседы эвристического характера или в процесс проблемного изложения материала.

В качестве иллюстрации можно провести проблемные опыты, разработанные Ю.В.Суриным. Хорошо известно, что учащиеся часто допускают ошибки в написании уравнений реакций металлов с азотной кислотой, считая допустимым выделение водорода. Эту ошибку можно предотвратить, проведя эксперимент, включенный в беседу проблемного характера. Приступая к изучению вопроса о взаимодействии металлов с азотной кислотой, учитель сначала предлагает учащимся высказать предположение о возможных продуктах такого взаимодействия.

Учащиеся часто считают, что металлы выделяют водород не только из растворов хлороводородной и серной кислот, но и из азотной кислоты. Для создания проблемной ситуации учитель предлагает провести исследовательский эксперимент и дать объяснение результатов опыта.

В пробирку с соляной кислотой помещают несколько гранул цинка. После того как начинается реакция с выделением водорода, добавляют 1–2 капли концентрированной азотной кислоты. Учащиеся наблюдают, что выделение водорода практически прекращается, но через некоторое время возобновляется. Такой результат опыта кажется учащимся непонятным и ставит их в тупик. Эксперимент заставляет задуматься над рядом вопросов:

В чем причина наблюдаемого явления?
Почему добавление азотной кислоты влияет на выделение водорода из раствора соляной кислоты?
Почему через определенное время выделение водорода возобновляется?

Учащиеся выдвигают предположения, объясняющие этот необычный факт. К решению проблемы они вполне подготовлены, т.к. имеют достаточный запас знаний о свойствах кислот, знакомы с составлением уравнений окислительно-восстановительных реакций. Выдвигается рабочая гипотеза: водород, выделяющийся из соляной кислоты, затрачивается на восстановление азотной кислоты. Данной гипотезе учащиеся могут дать обоснование, актуализировав свои знания о восстановительных свойствах водорода. Вспомнив, что водород в момент выделения является очень сильным восстановителем, а азотная кислота – окислитель, учащиеся записывают уравнение реакции восстановления азотной кислоты:

HNO₃ + 8H = NH₃ + 3H₂O.

Рассуждая дальше, ученики приходят к заключению, что образующийся аммиак связывается соляной кислотой в хлорид аммония, остающийся в растворе, поэтому выделения водорода не происходит:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

То, что это действительно так, учащиеся могут доказать, проведя исследование раствора на содержание иона аммония. Полученный в ходе исследовательского эксперимента вывод ученики могут использовать для правильной записи уравнения реакции цинка с сильно разбавленной азотной кислотой:

4Zn + 10HNO₃ = 4Zn(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

Теперь учащиеся смогут ответить на все вопросы, поставленные при выделении рабочей гипотезы. Водород не выделяется из азотной кислоты и растворов других кислот в присутствии азотной кислоты потому, что расходуется на восстановление азотной кислоты. Возобновляется же выделение водорода в данном опыте потому, что происходит восстановление всей азотной кислоты.

Ученик выступает в роли исследователя и при решении экспериментальных задач. Так, при исследовании свойств веществ схема исследования может быть следующей:

актуализация знаний;
постановка целей исследования;
проведение теоретического анализа;
построение гипотезы;
составление плана экспериментальной проверки гипотезы;
выполнение эксперимента;
обсуждение результатов и формулировка выводов.

Эксперимент – важнейший путь осуществления связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Химический эксперимент, применяемый в школьной практике, обычно не противоречит существующим закономерностям и служит подтверждением определенных теоретических положений. Однако результаты некоторых химических опытов являются неожиданными и не вписываются в традиционные представления о свойствах веществ или закономерностях протекания химических реакций. Например, возможна ли химическая реакция между бромоводородной кислотой и металлом, стоящим в электрохимическом ряду напряжений металлов после водорода? Или: может ли слабая кислота вытеснить более сильную кислоту из ее соли? Ответ кажется однозначным – нет. Тем не менее такие примеры существуют и имеют научное подтверждение. Подобные опыты – благодатная почва для введения в учебный процесс проблемного обучения, формирования диалектического и системного мышления школьника.

Приведем описание нескольких примеров таких парадоксальных опытов.

Растворение меди в бромоводородной кислоте

Реактивы. Свежеосажденная медь, крепкий раствор бромоводородной кислоты.

Проведение опыта. В пробирку с небольшим количеством свежеосажденной меди приливают

3–5 мл бромоводородной кислоты и осторожно нагревают на пламени спиртовки. Начинается энергичное взаимодействие меди с кислотой. Выделяющийся водород собирают в небольшую пробирку или непосредственно поджигают у отверстия пробирки. Водород горит зеленоватым пламенем.

Получение свежеосажденной меди. В фарфоровую чашку наливают насыщенный раствор сульфата меди(II) и вносят гранулы цинка. Выделяющаяся медь осаждается на цинке в виде рыхлой массы. При перемешивании раствора осадок оседает на дне чашки. Осадок промывают, вынимают гранулы непрореагировавшего цинка; полученную медь, не высушивая, используют для опыта.

Объяснение опыта. Взаимодействие меди с бромоводородной кислотой можно объяснить тем, что в результате реакции образуется комплексное соединение Н[CuBr2]:

4HBr + 2Cu = 2H[CuBr₂] + H₂.

Комплексный ион [CuBr2]– достаточно прочный, вследствие чего концентрация ионов меди Cu+ в растворе оказывается ничтожно малой, электродный потенциал меди становится отрицательным и происходит выделение водорода.

Аналогичный опыт можно провести с серебром и йодистоводородной кислотой. С порошком серебра реакция идет очень бурно. Образующийся йодид серебра практически нерастворим в воде (произведение растворимости ПР(AgI) = 8,3•10–17). Поэтому в данном случае концентрация ионов серебра в растворе ничтожна, и потенциал серебра становится отрицательным.

Слабая кислота вытесняет сильную из ее соли

Реактивы. Борная кислота, хлорид натрия, универсальная индикаторная или синяя лакмусовая бумага.

Проведение опыта. В пробирку помещают тонко измельченную смесь, состоящую из 1 г хлорида натрия и 3 г борной кислоты. Закрепляют пробирку в лапке пробиркодержателя и нагревают на пламени спиртовки. Через некоторое время у отверстия пробирки появляется белый дым. Подносят к отверстию пробирки универсальную индикаторную бумагу, смоченную водой, наблюдается покраснение бумаги. При проведении опыта учителю необходимо отметить нелетучесть борной кислоты.

Объяснение опыта. При нагревании смеси протекает следующая реакция:

2NaCl + 4H₃BO₃ = Na₂B₄O₇ + 5H₂O + 2HCl.

В растворе реакция протекала бы в обратную сторону – соляная кислота вытеснила бы борную из ее соли. При нагревании же происходит смещение равновесия в сторону образования летучих продуктов – хлороводорода и водяных паров. При этом также образуется устойчивый к нагреванию тетраборат натрия. Возможность протекания данного химического процесса можно подтвердить и термодинамическими расчетами.

Вычислим изменение энтальпии химической реакции, используя стандартные энтальпии образования участвующих в реакции веществ.

Аналогично вычислим изменение энтропии химической реакции, используя стандартные энтропии образования веществ

На основе полученных данных рассчитаем изменение энергии Гиббса:

G = H – TS,

G0 = 486,6 – 298•1 = 188,6 кДж.

Положительное значение энергии Гиббса говорит о невозможности протекания химической реакции в стандартных условиях. Рассчитаем, при какой температуре возможно протекание данной реакции:

Т = Н/S = 486,6/1 = 486,6 К, или 213,6 °С.

Данная химическая реакция протекает при сравнительно небольшом нагревании.

Растворение меди в растворе хлорида железа(III)

Реактивы. Свежеосажденная медь, 10%-й раствор хлорида железа(III).

Проведение опыта. В пробирку помещают немного свежеосажденной меди и приливают раствор хлорида железа(III). В течение минуты происходит растворение меди, и раствор окрашивается в зеленый цвет. Для увеличения скорости реакции раствор можно немного подогреть. При использовании медных опилок, стружек или медной проволоки реакция идет слишком медленно.

Объяснение опыта. Данная химическая реакция используется в радиотехнике для травления плат. При этом протекает процесс, описываемый следующим химическим процессом:

Cu + FeCl₃ = CuCl₂ + FeCl₂.

Реакция является окислительно-восстановительной. Ион железа Fe³⁺ – окислитель, атом меди – восстановитель. Мерой окислительно-восстановительной способности веществ служат их окислительно-восстановительные потенциалы. Чем больше алгебраическая величина стандартного окислительно-восстановительного потенциала данного атома или иона, тем больше его окислительные свойства, а чем меньше алгебраическое значение окислительно-восстановительного потенциала атома или иона, тем больше его восстановительные свойства.

Для определения направления окислительно-восстановительной реакции необходимо найти ЭДС элемента, образованного из данного окислителя и восстановителя. ЭДС (Е) окислительно-восстановительного элемента равна:

Е = Е(ок-ля ) – Е(вос-ля).

Если Е > 0, то данная реакция возможна. Окислительно-восстановительные потенциалы пар Е0(Fe^3+/Fe²⁺) = 0,771 В, Е⁰(Cu^2+/Cu⁰) = 0,338 В. Найдем электродвижущую силу реакции:

ЭДС = 0,771 – 0,338 = 0,433 В.

Положительное значение ЭДС подтверждает возможность протекания данной реакции в стандартных условиях.

Растворение меди в растворе аммиака

Реактивы. 15–25%-й раствор аммиака, свежеосажденная медь.

Проведение опыта. В колбу объемом 250–300 мл помещают несколько крупинок свежеосажденной меди и приливают 15–20 мл крепкого раствора аммиака. Колбу закрывают пробкой и сильно встряхивают в течение нескольких секунд. Раствор приобретает голубую окраску.

Объяснение опыта. Растворение меди в растворе аммиака можно объяснить тем, что при окислении меди кислородом воздуха в присутствии аммиака образуется устойчивый комплексный ион, который и определяет направление химической реакции:

2Cu + 8NH₃ + O₂ + 2H₂O = 2[Cu(NH₃)₄ ]₂+ + 4OH–.

Поскольку реакция является окислительно-восстановительной, можно рассчитать ее ЭДС:

Cu + 4NH₃ – 2e = [Cu(NH₃)₄]2+, Е0 = –0,07 В,

O₂ + 2H₂O + 4е = 4OH–, Е0 = 0,401 В,

ЭДС = 0,401 – (–0,07) = 0,408 В.

Положительное значение ЭДС, как и в предыдущем опыте, свидетельствует о возможности ее протекания.

Учебный химический эксперимент относится к числу методов обучения, специфика которого заключается в отражении неотъемлемой компоненты науки. Важнейшая особенность химического эксперимента как средства познания состоит в том, что в процессе наблюдения и при самостоятельном выполнении опытов учащиеся не только общаются с конкретными объектами химической науки, но могут видеть и осуществлять процессы качественного изменения веществ. Тем самым учащиеся познают многообразную природу веществ, накапливают факты для сравнений, обобщений, выводов, убеждаются в возможности управления сложными химическими процессами.

1.4 Экологическая компонента в школьном курсе химии

Планетарный, или глобальный, масштаб вносимых человеком изменений в природные условия на Земле, предсказанный еще в начале XX в. В.И. Вернадским, уже стал реальностью. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом ставится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого» [10].

Однако «перестройка биосферы» в настоящее время может рассматриваться только как негативный процесс. Хозяйственная деятельность человечества в значительной мере губительна для природы. Так, существенно сократилась площадь зеленого покрова планеты; подкисляются почва и вода; отходы промышленности и сельского хозяйства загрязняют природную среду; в результате сжигания больших масс органического топлива в атмосфере увеличивается концентрация углекислого газа, способного нарушить тепловой режим поверхности Земли; катастрофически уменьшаются численность и видовое разнообразие животного и растительного мира; ухудшается состояние здоровья людей.

Все больше мы имеем дело с искусственной средой обитания, созданной самим человеком и подчиненной логике его интересов. Часто эти интересы вступают в противоречие с законами природы, становясь несовместимыми с ними. Современное общество – это общество потребления, и его возможности близки к исчерпанию: человечество вступает в эпоху качественного изменения своего развития.

Зависимость жизнедеятельности человека от техносферы и природной среды одновременно во многом определяет приоритеты развития общества XXI в., влияет на эволюцию культуры. Только наука и соответствующий уровень образования граждан планеты могут дать ответ на вопрос: как сохранить равновесие, как уберечь человеческую цивилизацию от гибели?

В этой связи исключительное значение приобретает экологическое образование, воспитание и просвещение населения, и в первую очередь подрастающего поколения.

В сфере образования важнейшим направлением становится экологизация предметного содержания. Экологизация учебного предмета предполагает введение экологической компоненты в содержание программ, учебных материалов (учебников, задачников, практикумов, дидактических материалов, пособий) и средств наглядности.

1.5 Критерии отбора экологического содержания

При отборе содержания следует руководствоваться рядом критериев, один из которых достаточно прост: «Экологично то, что связано с живой природой, ее состоянием». Любая информация, не отражающая отклик живого организма или природной системы на антропогенное воздействие, не относится к экологическому знанию [11].

Другой критерий связан с отражением в содержании тех химических процессов, которые позволяют оценить степень воздействия антропогенного фактора на природные объекты; объяснить, как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, водоеме, почве, в организме человека; какое воздействие оказывает оно само и продукты его превращений на природные системы; понять причины деградации биологических систем вследствие изменения качества окружающей среды.

Следующий критерий акцентирует внимание на существовании неразрывной связи неживого с живым. Еще в прошлом веке (1935) русский ученый А.П.Виноградов показал, что химический состав организмов есть отражение химического состава внешней среды. Он установил, что количественное содержание тех или иных химических элементов находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс: увеличение последнего параметра влечет за собой снижение содержания элемента (по массе) в организме и соответственно доли участия в обмене веществ.

И наконец, экологическое знание должно иметь практическую направленность и социальную значимость. На конкретных примерах можно показать использование результатов познания мира веществ и их превращений для организации целенаправленного и рационального природопользования в интересах общества, человека и самой природы.

Следует отметить, что в обществе бытует искаженное представление о химии (науке и промышленности) как первопричине кризисной экологической ситуации. Считается, что все беды на Земле происходят из-за чрезмерного увлечения химизацией и что единственной мерой оздоровления природной среды станет отказ от развития химической индустрии. Такой неконструктивный подход формирует у учащихся устойчивое негативное отношение к химии как к науке в целом, снижает интерес к ее познанию. Есть и другая немаловажная сторона вопроса – ученик приучается находить причины всех несчастий в чем-то или ком-то другом, не принимая во внимание свои собственные поступки, помыслы, отношение, не анализируя сущности возникшего конфликта. Тогда как ответственность человека базируется прежде всего на критической оценке своего отношения к природе, своих мыслей и деятельности.

Один из поразительных фактов в химии живых систем – это то, что для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, где-то в природе существует фермент, способный эту субстанцию разложить. Как следствие, ни одно органическое вещество не будет синтезировано, если нет средств к его разложению. Поэтому, когда человек синтезирует новое органическое вещество, по структуре значительно отличающееся от природных веществ, есть вероятность, что для этого вещества не существует разлагающего фермента и оно будет накапливаться. К таким веществам относят все ксенобиотики (чужеродные для природы вещества) [12-14].

Следовательно, химик, планирующий промышленный способ получения того или иного продукта, должен выбрать такую технологию, которая бы наносила наименьший урон окружающей среде. Только в этом случае его можно назвать нравственным человеком, обладающим экологическим сознанием и экологической культурой.

При изучении химии до учащихся необходимо донести следующие идеи:

природа в своем естественном развитии находится в динамическом равновесии;
непосредственным результатом взаимодействия человека и природы становится изменение химического состава компонентов окружающей среды, приводящее к нарушению природного баланса;
используя разнообразные методы химико-аналитического контроля состояния объектов окружающей среды или качества готовой продукции ряда отраслей промышленности (химической, нефтехимической, микробиологической, фармацевтической, пищевой), химия позволяет получить информацию, необходимую для последующего принятия решений по предотвращению поступления вредных веществ в контролируемые объекты, очистке этих объектов, способах их защиты и т.д.

Конкретизируя химический аспект экологических проблем, целесообразно выделить специфические положения, отражающие:

взаимозависимость химических, экологических и природоохранных понятий;
зависимость биологических функций веществ от их состава, строения и свойств;
двойственную роль веществ в природных системах в зависимости от концентрации;
взаимосвязь, взаимообусловленность и взаимозависимость живой и неживой природы как основы единства и целостности мира, в котором живет человек.

На протяжении всей истории общества отношение человека к природе менялось в зависимости от характера, направленности и масштабов человеческой деятельности. Отношения прямого потребления природных веществ заменялись отношениями «покорения» природы, интенсивной эксплуатацией ее ресурсов.

В современную эпоху происходит переход от идеи абсолютного господства над природой к идее отношений общества и природы как отношений «партнеров». Предотвратить экологический кризис можно только при условии, если человек научится сознательно применять в широких масштабах принципы экологической саморегуляции и предвидеть не только непосредственные, но и отдаленные последствия своего вмешательства в природу.

В основе оценки воздействия многих антропогенных факторов на самого человека и окружающую его среду лежит понимание химических процессов. Именно поэтому в школьном образовании важное место должен занимать химический аспект экологических знаний. Его изучение в традиционном курсе химии позволит понять причины деградации биологических систем вследствие изменения качества окружающей среды. На основании изучения истории атомов на нашей планете можно сопоставить два различных процесса – биогеохимической миграции элементов и техногенной, что в свою очередь позволит оценить уровень антропогенной нагрузки на биосферу. Выявление путей круговоротов веществ в природе способствует решению задачи наиболее естественного и «безболезненного» вхождения промышленного производства в природные циклы. Химия может объяснить, как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, водоеме, почве, в организме человека, какое воздействие оказывает оно само и продукты его превращений на природные системы. Химические знания являются неотъемлемой частью знаний об основах охраны природы, рационального природопользования и гуманного преобразования окружающей среды.

Важна и мировоззренческая роль химии. Прежде всего химия выступает как связующее звено неживого с живым. А.П.Виноградов (1935) выявил, что химический состав организмов есть отражение химического состава внешней среды. Он установил, что количественное содержание тех или иных химических элементов находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс.

Велика роль химии в формировании фундаментальных знаний о природе, развитии методов исследования. Химия указывает пути получения новых экологически безопасных веществ и материалов. Знакомство с биологическими функциями белков и нуклеиновых кислот дает представление о материальной сущности процессов, совершающихся в клетках на молекулярном уровне. Цель познания природы состоит в удовлетворении запросов общественной практики, материальных и духовных потребностей человека [15-16].

В последнее время в обществе появилось искаженное представление о химии (науке и промышленности) как первопричине кризисной экологической ситуации. Полагают, что все беды на Земле происходят из-за чрезмерного увлечения химизацией и что единственной мерой оздоровления природной среды станет отказ от развития химической индустрии. Такой однобокий, неконструктивный подход вызывает устойчиво негативное отношение к химии как к науке в целом, снижает интерес к ее познанию. Кроме того, ученик приучается находить причины всех несчастий в чем-то или ком-то другом, не принимая во внимание свои собственные поступки, не анализируя сущность возникшего конфликта, а ведь ответственность человека базируется прежде всего на критической оценке своей деятельности [17].

Химическое образование в средней школе должно включать и основы экологии. Чтобы обеспечить рациональное поведение, а во многих случаях и элементарную безопасность свою и окружающих, чтобы не наносить ущерба природе, необходимо формировать у школьников определенную систему взглядов и навыков. Эта задача может быть решена через экологоориентированный курс химии средней школы. Основные идеи курса:

природа в своем естественном развитии находится в динамическом равновесии;
непосредственным результатом взаимодействия человека и природы становится изменение химического состава компонентов окружающей среды, приводящее к нарушению природного баланса;
методы химико-аналитического контроля состояния объектов окружающей среды или качества готовой продукции позволяют получить информацию о поступлении вредных веществ в контролируемые объекты, разработать способы очистки и защиты этих объектов.

Экологоориентированный курс химии дает возможность привлечь школьников к исследовательской работе по изучению состояния природной среды, воспитать у них чувство личной ответственности за сохранение природы. Содержание такого курса помимо теоретического материала и химического эксперимента включает расчетные и экспериментальные задачи, экскурсии, наблюдения за природой, краеведческую работу [18,19]. Необходимо формировать представления о химических параметрах окружающей среды, их нормах и пределах изменения в результате хозяйственной деятельности человека, о контроле за качеством среды и химических способах ее защиты.

Преподавать курс можно в разных вариантах. Один вариант предусматривает систематическое включение экологической информации в конкретные темы, другой – предполагает ознакомление учащихся с общими экологическими закономерностями и законами, предваряющими изучение химии.

Экологическая составляющая курса химии затрагивает не только теоретический материал, но также химический эксперимент, расчетные и экспериментальные задачи, игры, экскурсии, наблюдения природы и краеведческую работу.

1.6 Взаимосвязь химических, экологических и природоохранных понятий

Основа приобретения учащимися знаний, в том числе в области охраны природной среды, – формирование и развитие научных понятий в процессе обучения. Правильно сформированные понятия объективно отражают научную картину мира, поэтому важно отобрать такие понятия из области экологии и охраны природы, которые так же объективно отражали бы взаимодействие человека с окружающей его средой [20-22].

В школьном курсе химии традиционно выделяют две основные системы понятий: «вещество» и «химическая реакция». Однако для более полного раскрытия экологического содержания необходимо также включить понятия «химический элемент» и «химическое производство». Важно получить представление о химических элементах, составляющих основу живого вещества планеты (водород, углерод, кислород, азот, фосфор, сера). Внимание учащихся обращается на то, что эти элементы отвечают трем критериям, лежащим в основе их «отбора» природой: небольшая относительная атомная масса, малый радиус и способность образовывать кратные связи (исключение составляет водород).

Оба понятия необходимы для понимания причин изменения концентрации химических элементов в окружающей среде, установления зависимости между качественным составом внешней среды и внутренней среды организма (элементный уровень). Они играют существенную роль в обсуждении проблемы химического загрязнения среды как фактора нарушения устойчивости экосистем (и биосферы), ухудшения общего состояния здоровья населения планеты (появление новых видов болезней, мутаций, загрязнение продуктов питания, снижение их питательной ценности для человека).

Учитывая, что в курсе химии рассматривается вопрос о круговороте веществ в природе, а в экологии эта природная закономерность занимает одно из центральных положений, необходимо рассматривать круговорот веществ одновременно и как химическое (превращение веществ и энергии), и как экологическое понятие (биогеохимический круговорот веществ) [23,24].

За основу отбора экологических понятий взята концепция уровней организации жизни. С позиций этой концепции выделены следующие понятия:

«живой организм» – совокупность признаков, характеризующих живую материю;
«экологическая система», или «экосистема», – сообщество живых организмов, возникшее в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания;
«биосфера» – биологическая система, включающая все живые организмы Земли, глобальная экосистема;
«биогеохимический круговорот веществ» – повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер;
«экологические факторы» – абиотические, биотические, антропогенные факторы среды, оказывающие влияние на организмы;
«окружающая среда» – среда обитания и производственной деятельности человека, которую можно рассматривать как целостную систему взаимосвязанных и взаимозависимых природных и антропогенных объектов и явлений (включает природную, техногенную и социальную среды).

Понятие «охрана природы» имеет несколько толкований. Если подходить к природе как универсуму планеты Земля, то оно включает мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения человечества. В более узком смысле это понятие можно рассматривать как систему мер:

направленных на рациональное использование и воспроизводство природы Земли;
обеспечивающих сохранение и восстановление (возобновляемых) природных ресурсов;
предупреждающих прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека;
поддерживающих в необходимых пределах физические, химические и биологические параметры функционирования природных систем.

К основным природоохранным понятиям следует отнести:

«рациональное природопользование»;
«комплексное использование сырья и отходов производства»;
«кооперирование различных производств»;
«экологически безопасные технологии»;
«малоотходные и бессточные технологии»;
«эффективные методы очистки газообразных, жидких и твердых отходов»;
«использование вторичного сырья»;
«производство экологически безопасных продуктов и материалов».

Химические, экологические и природоохранные понятия тесно взаимосвязаны. Например, понятие «химический элемент» позволяет описать качественный и количественный состав живой и неживой (неорганической) природы, ввести понятие «биогенные элементы» (элементы, необходимые для существования живых организмов); сформировать понятие о макро- и микроэлементах и их биологической роли; раскрыть понятие о взаимозаменяемости элементов в природе (в случае их избытка в окружающей среде, например, вследствие чрезмерного загрязнения) и проанализировать негативную сторону этого процесса; сформировать одно из основных понятий экологии – биогеохимический круговорот элементов в природе – и рассмотреть это понятие на атомно-молекулярном, электронном и ионном уровнях, установить причины нарушения биогеохимических циклов [25,26].

При формировании понятия «вещество» (после изучения состава, строения и свойств каждого конкретного вещества) появляется возможность обратить внимание учащихся на некоторые важные биологические функции в организме, на двойственную роль веществ в природе в зависимости от их концентрации (избыток или недостаток одного и того же вещества оказывает на организм различное воздействие). При обсуждении проблемы загрязнения окружающей природной среды целесообразно ввести новые понятия: «предельно допустимая концентрация» (ПДК) для опасных соединений и «лимитирующий экологический фактор», позволяющий учесть процесс биологического накопления вещества при его продвижении по пищевым цепям даже в том случае, если ПДК не превышена. В качестве примера можно рассмотреть случаи образования новых веществ с сильным токсическим действием из веществ, менее токсичных или даже безвредных (превращение нитратов в нитриты и нитрозамины, образование пероксиацилнитратов и озона из углеводородов и оксидов азота при фотохимическом смоге и др.). Следует обсудить также природоохранные мероприятия, направленные на сохранение природной среды и стабильности природных циклических процессов, на предупреждение загрязнения среды обитания живых организмов, на обезвреживание и утилизацию опасных химических соединений.

Понятие «химическая реакция» позволяет раскрыть сущность химических и некоторых биохимических процессов, протекающих в биосфере без учета антропогенного фактора. К ним можно отнести горение, дыхание, гниение, фотосинтез, обменные процессы в почве и водоемах. Химические реакции, обусловленные антропогенным воздействием на окружающую среду, многочисленны. В качестве примеров можно привести образование кислотных осадков, разрушение озонового слоя, фотохимические реакции в атмосфере, коррозию металлов, переход нерастворимых форм соединений в растворимые (соли тяжелых металлов).

Большой интерес представляют химические реакции, лежащие в основе защиты окружающей природной среды. Это процессы нейтрализации, обезвреживания (перевод в нетоксичные соединения), сжигания, получения труднодоступных для организма форм соединений [27].

Если ввести понятие о биокаталитических процессах, то тем самым можно значительно расширить понятие «каталитическая реакция». Важный момент здесь – формирование представлений об изменениях в основных циклах биогеохимических круговоротов веществ, связанных с процессами загрязнения биосферы и приводящих к ацикличности (размыканию природных циклов). Суть таких изменений сводится к нарушению хода биокаталитических процессов (их ускорению или замедлению) из-за изменения концентрации реагирующих веществ или появления других, неспецифичных для природы, биокатализаторов. Здесь можно рассмотреть природоохранные мероприятия, направленные на поддержание равновесных условий биохимических и химических процессов в биосфере.

Формирование знаний об основах химического производства сопровождается развитием представлений о загрязняющих веществах, источниках загрязнения, позволяет анализировать последствия включения в природный круговорот веществ продуктов и отходов химического производства, причины нарушения природного баланса в экосистемах и биосфере в целом [28,29].

Понятие «химическое производство» тесно связано с такими важнейшими природоохранными понятиями, как «малоотходные, экологически безопасные технологии», «водооборотная система», «рациональное природопользование» и др. Здесь необходимо рассмотреть меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввести понятие о мониторинге (системе наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды), одна из целей которого – выявление антропогенных загрязнений.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внешней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), проявления токсичности и конкурентных отношений.

Вот некоторые из них.

Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.
С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, а следовательно, и живом организме, и уменьшается доля их участия в обмене веществ (в метаболизме).
С увеличением атомного номера, относительной атомной массы и радиуса атома (в группах периодической системы) возрастает токсичность элементов (в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: ее пары ядовиты).
Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкурентные отношения и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность, на биохимические процессы. Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca – Ba, Zn – Hg, Fe – Ni (Co),

S – Se, Ni – Cd, Zn – Cd, Al – Ca, Al – Fe, Mg – Mn, K – Li, K – Tl, Ca – Sr, Ni – Cu, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрируют зависимость химических свойств элементов и их биологической функции от строения атомов. Взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании других (например, при загрязнении среды). Этот процесс объясняется прежде всего аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов. Например, замена натрия или калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, т.к. в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах нервных клеток и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающегося в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Галогены как элементы-аналоги могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в организме человека (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятий по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в него йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы и эндокринной системы в целом.

Подобную информацию учащиеся могут получить при изучении темы «Периодическая система», когда будут знакомиться с закономерностями, проявляющимися в главных и побочных подгруппах.

Курс органической химии достаточно сложен для восприятия и усвоения. Учащиеся часто утрачивают к нему интерес уже после первой темы. Однако трудно переоценить мировоззренческое значение изучения органических веществ, из которых состоит весь природный мир Земли и каждый из нас. Введение экологической компоненты поможет ученику взглянуть на этот мир «изнутри», не только раскрыть особенности строения и свойства биомолекул, но и понять причины проблем, которые возникают в природной среде (на уровне отдельных организмов, экосистем и биосферы в целом).

Изучение курса органической химии следует начинать с выявления особенностей атома углерода. Как истинный биофил, углерод обладает небольшой относительной атомной массой, малым радиусом и способностью к образованию кратных связей. Это единственный элемент, который может сохранять в цепях одновременно одинарные, двойные и тройные связи. Ковалентные связи между атомами углерода обеспечивают устойчивость и самосохранение разнообразных сложных структурных образований с большим запасом энергии, что очень важно для жизнедеятельности организмов.

Молекулы на основе атомов углерода, помимо того что прочны, еще и подвижны, гибки и могут геометрически приспосабливаться друг к другу. Повороты отдельных групп в молекулах без разрыва связей C—C (конформационная подвижность) определяют свойства биополимеров. По цепям сопряженных связей в биомолекулах осуществляется передача энергии. Кроме того, если в углеродной цепи содержится более пяти сопряженных связей, то такие молекулы поглощают свет видимой части спектра и приобретают окраску.

Большой интерес у учащихся может вызвать информация о закономерностях, отражающих взаимосвязи в системе «строение — свойства», на примере проявления веществом токсичности [30].

Зависимость токсичности веществ от их строения

В гомологическом ряду сила наркотического действия и токсичность веществ возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.
Разветвление углеродных цепей ослабляет наркотическое и токсическое действие; напротив, при замыкании цепи токсичность веществ возрастает.
Наличие кратных связей увеличивает химическую активность органических соединений. Это может вызвать усиление наркотического и токсического эффектов, а порой даже изменить характер воздействия вещества. Например, такие соединения могут обладать раздражающим действием.
Воздействие токсического вещества зависит от его концентрации, что зачастую обусловлено такими показателями, как летучесть (зависит от температуры кипения) и растворимость. (Вещество попадает в организм либо в растворенном состоянии, либо непосредственно растворяется в жидкостях организма.)

Знание перечисленных закономерностей поможет учащимся более осмысленно и целенаправленно подойти к анализу структур органических соединений и по возможности прогнозировать их свойства с позиций воздействия на живые объекты природы.

Важна и мировоззренческая роль химии. Прежде всего химия выступает как связующее звено неживого с живым. А.П. Виноградов (1935) выявил, что химический состав организмов есть отражение химического состава внешней среды. Он установил, что количественное содержание тех или иных химических элементов находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс.

Роль социальных, естественно-научных и природоохранных понятий в формировании экологических знаний

Для обучения учащихся необходимо отобрать такие понятия из области экологии и охраны природы, которые объективно отражают взаимодействие человека с окружающей его средой.

Понятие «охрана природы» имеет несколько толкований. Если подходить к природе в масштабе планеты Земля, то подразумеваются мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения человечества. В более узком смысле это понятие можно рассматривать как систему мер, направленных на рациональное использование и воспроизводство природы Земли. Такие меры обеспечивают сохранение возобновляемых природных ресурсов, предупреждают прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека, поддерживают в необходимых пределах физические, химические и биологические параметры природных систем.

Таким образом, экологическое образование предполагает социальные, естественно-научные и природоохранные знания. Их сочетание обеспечивает междисциплинарный, комплексный подход к изучению экологической проблематики [31].

Анализ содержания и структуры школьного курса химии позволяет выделить в нем четыре важнейших понятия: «химический элемент», «вещество», «химическая реакция» и «химическое производство». Учитывая, что в курс химии включен вопрос о круговороте веществ в природе, а в экологии эта природная закономерность занимает одно из центральных положений, необходимо рассматривать круговорот веществ одновременно и как химическое понятие (превращение веществ и энергии), и как экологическое понятие (биогеохимический круговорот веществ).

За основу отбора экологических понятий взята концепция уровней организации жизни. С позиций этой концепции были выделены следующие понятия: «живой организм» (совокупность признаков, характеризующих живую материю), «экосистема» (сообщество живых организмов, возникшее в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания), «биосфера» (биологическая система, включающая все живые организмы Земли, глобальная экосистема), «биогеохимический круговорот веществ» (повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер), «экологические факторы» (абиотические, биотические и антропогенные изменения среды, оказывающие влияние на организмы), «окружающая среда» (среда обитания и производственной деятельности человека, которую можно рассматривать как целостную систему взаимосвязанных и взаимозависимых природных и антропогенных объектов и явлений).

В блоке технических знаний следует выделить систему природоохранных понятий, важнейшие из которых следующие: «рациональное природопользование», «комплексное использование сырья и отходов производства», «кооперирование различных производств», «экологически безопасные технологии», «малоотходные и бессточные технологии», «эффективные методы очистки газообразных, жидких и твердых отходов», «использование вторичного сырья», «производство экологически чистых продуктов и материалов». Все эти понятия отражают проблемы рационального использования природных ресурсов, сохранения природной среды, основные направления развития безотходной технологии (как идеальной модели производства).

Чтобы правильно оценить воздействие современной цивилизации с ее бурно развивающимся научно-техническим прогрессом на природную среду, необходимо проследить общие закономерности взаимодействия человека и природы, оценить результаты хозяйственной деятельности на Земле предшествующих поколений и общественных формаций. Учащиеся должны понять, что если человек не учитывает законы природы в своей деятельности, то он нарушает гармонию, отчуждается от природы, принося тем самым огромный вред себе и окружающей среде.

Большое значение для воспитания школьников имеет нравственная сторона проблемы. Возвращение к гармонии, в основе которой лежит бережное, разумное, научно обоснованное отношение человека к природе, – вот путь к восстановлению, сохранению и улучшению природной среды. Решать экологические проблемы можно с помощью как научных, так и технических достижений, но движущими силами при этом должны быть высокая нравственность и экологическая культура каждого человека и общества в целом.

«Социальный блок» включает: «происхождение человека и общества» (понятие антропосоциогенеза), «человек – продукт природы и общества» (понятие о человеке как биопсихосоциальном существе), «отношение человека к природе в различных общественных формациях» (понятие об исторической ретроспективе), «взаимозависимость, единство и сотрудничество человека и природы» (понятие об основе сохранения социоприродной среды).

В свою очередь химические, экологические и природоохранные понятия тоже тесно взаимосвязаны. Например, понятие «химический элемент» позволяет описать качественный и количественный состав живой и неживой (неорганической) природы, ввести понятие «биогенные элементы» (элементы, необходимые для существования живых организмов, сформировать понятие о макро- и микроэлементах и их биологической роли, раскрыть понятие о взаимозаменяемости элементов в природе (в случае интенсивного загрязнения окружающей среды) и проанализировать негативную сторону этого процесса, сформировать одно из основных понятий экологии – «биогеохимический круговорот элементов в природе» – и рассмотреть это понятие на атомно-молекулярном уровне, установить причины нарушения биогеохимических циклов.

При рассмотрении понятия «вещество» помимо традиционных химических представлений о составе, строении и свойствах вещества появляется возможность обратить внимание учащихся на биологические функции веществ. Здесь уместно рассказать учащимся о двойственной роли вещества в природе в зависимости от его концентрации в экосистеме (избыток или недостаток одного и того же вещества оказывает на организм различное воздействие). Сведения о загрязнении окружающей природной среды и источниках загрязнения позволяют ввести новые понятия: «предельно допустимые концентрации» (ПДК) для опасных соединений и «лимитирующий экологический фактор», позволяющий учесть процесс биологического накопления веществ при их продвижении по пищевым цепям даже в том случае, если ПДК тех или иных веществ не превышена.

Можно рассмотреть случаи образования новых веществ с сильными токсичными свойствами из веществ менее токсичных или даже безвредных (превращение нитратов в нитриты и нитрозоамины, образование оксидов азота при фотохимическом смоге и др.). Следует обсудить также природоохранные мероприятия, направленные на сохранение природной среды и стабильности природных циклических процессов, на предупреждение загрязнения среды обитания живых организмов, на обезвреживание и утилизацию опасных химических соединений.

Понятие «химическая реакция» позволяет раскрыть сущность химических и биохимических процессов, протекающих в биосфере. Например, понятие о биокаталитических процессах расширяет представление о каталитических реакциях. Важный момент – формирование представлений об изменениях основных циклов биогеохимических круговоротов веществ, вызванных процессами загрязнения биосферы. Суть таких изменений сводится к нарушению хода биокаталитических процессов (их ускорению или замедлению) из-за изменения концентрации реагирующих веществ или появления других, неспецифичных для природы биокатализаторов. Можно рассмотреть природоохранные мероприятия, направленные на поддержание равновесных условий биохимиеских и химических процессов в биосфере.

При изучении основ химического производства углубляется представления о загрязняющих веществах и источниках загрязнения. Учащиеся анализируют последствия включения в природный круговорот веществ продуктов и отходов химического производства, причины нарушения природного баланса в экосистемах и биосфере в целом. Понятие «химическое производство» тесно связано с такими важнейшими природоохранными понятиями, как «малоотходные технологии», «экологически безопасные технологии», «водооборотная система», «рациональное природопользование» и др. Здесь необходимо рассмотреть меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввести понятие о мониторинге (системе наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды), одна из целей которого – выявление антропогенных загрязнений [32].

Экологизация содержания школьного курса химии может быть проиллюстрирована на примерах некоторых ключевых тем.

Тема «Периодический закон и периодическая система химических

элементов Д.И.Менделеева». Периодический закон – это не только один из важнейших законов природы, но и методическая основа изучения химии. Познание периодического закона дает возможность сформировать представление о единстве и целостности материального мира, раскрыть закономерности процессов и явлений, происходящих в нем.

Воспитательная цель темы – подвести учащихся к пониманию прогностического значения периодического закона и периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева для развития науки и производства, сохранения природной среды, раскрыть отрицательные последствия нарушения сложных взаимосвязей в природе для всего живого.

При изучении этой темы учащиеся знакомятся с биогенными элементами, определяют их место в периодической системе и биологическую роль в организмах. Учащиеся сравнивают свойства биогенных элементов и их аналогов в зависимости от зарядов их ядер, радиусов атомов и относительных атомных масс. Они устанавливают, что химический состав организмов есть отражение химического состава окружающей их естественной среды и что количественное содержание тех или иных химических элементов в живом веществе зависит от величины относительных атомных масс.

Приведенная ниже информация поможет учащимся понять причины происходящих в живой природе процессов, которые напрямую связаны с экологическими проблемами.

Основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (H, C, N, O, P, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества (остальные элементы периодической системы составляют не более 2%). Три основных признака биогенных элементов: 1) малый размер атомов;

2) небольшая относительная атомная масса; 3) способность образовывать прочные ковалентные одинарные и кратные связи. Для молекул живой клетки последнее обстоятельство имеет первостепенное значение, поскольку в основе всех биохимических реакций лежит разрыв одних связей и образование других. Что же касается водорода, то этот элемент хоть и не образует кратных связей, зато соединяется с каждым из пяти биогенных элементов. Так, прочно соединяясь с углеродным скелетом, водород создает относительно малореакционноспособную внешнюю часть органических молекул. Поэтому органические молекулы слабо притягиваются друг к другу и активно участвуют в обменных процессах. Межмолекулярные водородные связи обусловливают уникальные свойства воды, ее растворяющую способность, удерживают в устойчивом положении вторичную (спиральную) структуру молекулы белка. В живом веществе на долю водорода приходится 10% массы организма [33].

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем. Изменение состава внешней среды вызывает негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Распространение элементов в природе и концентрация их в живых организмах подчиняются определенным закономерностям.

Элементы с четными атомными номерами распространены в природе несколько больше, чем элементы с нечетными атомными номерами.
Чем выше температура плавления и плотность металла, тем реже элемент встречается в природе.
Распространенность в природе близких по свойствам элементов обычно убывает с ростом их относительных атомных масс.
Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.

Для иллюстрации этого положения можно использовать данные таблицы (см. далее).

С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, уменьшается доля их участия в обмене веществ (метаболизме) в живом организме.
С увеличением атомного номера, относительной атомной массы и радиуса атома возрастает токсичность элементов (в соединениях и в виде простых веществ).

Таблица 1. Среднее содержание химических элементов в живом организме на примере элементов II группы периодической системы Д.И.Менделеева

Химический элемент	Относительная атомная масса	Содержание в организме, % мас.
Mg	24	10–2 (в растениях)
Ca	40	10–2 (в животных)
Zn	65	10–3
Sr	87	10–3
Cd	112	10–4
Ba	137	10–5
Hg	201	10^–6–10^–7
Ra	226	10–12

Например, химический элемент кальций – это макроэлемент, участвующий в образовании костной ткани животных и человека, в белковом обмене. Магний входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Он необходим для функционирования митохондрий («энергетических станций» живой клетки). Элемент этой же подгруппы, барий, даже в небольших количествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария – хлорид, нитрат, сульфид – очень ядовиты. При остром отравлении ими поражаются нервная система, сосуды, а при хроническом – костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальциевого обмена и тяжелому поражению костной ткани, известному под названием уровской болезни (размягчеие костей).

Элемент побочной подгруппы II группы цинк – незаменимый для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов, например инсулина, вырабатываемого поджелудочной железой. Инсулин регулирует содержание глюкозы в крови. Кроме того, цинк влияет на рост растений и животных (недостаток его вызывает карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спиртовое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, в разрушении пептидных связей при переваривании (гидролизе) белков.

В то же время содержание кадмия и ртути – элементов той же подгруппы – в живом организме минимально. Биологическая роль кадмия отрицательная. Известно, что кадмий проявляет канцерогенные свойства. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, печень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Этот элемент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (как примесь в составе суперфосфата) и фунгицидами (противогрибковыми препаратами), при сжигании мусора, содержащего изделия из пластмассы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1–2 мкг кадмия, 25% от этого количества остается в организме.

Гипотетически ионы ртути в ультрамикроколичествах участвуют в синтезе простых белков и передаче наследственной информации. В то же время в повышенных дозах они разрушают белковые молекулы, образуя с ними устойчивые соединения, вызывают расстройства нервной системы, ухудшают работу сердца, угнетают синтез фитопланктона.

При анализе элементов главной подгруппы III группы отмечают, что бор входит в число обязательных для организма микроэлементов (содержание его составляет 10–3%). Этот элемент положительно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток бора приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней. Сравнивая строение бора со строением других элементов этой подгруппы – галлием и таллием, учащиеся могут сделать предположение о том, что с увеличением заряда ядра и относительной атомной массы элементов содержание последних в растительных и животных организмах должно значительно понизиться. Это предположение можно подтвердить количественными данными: концентрация галлия в организме человека составляет 10–6%, а для таллия (сильный яд) эта величина равна 10–12%.

Среди элементов IV группы углерод – основа жизни (концентрация его в организме человека – 10%), а свинец (10–6–10–12%) и его соединения – яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишечного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связано с применением его в промышленности в технических целях. Основной вид использования свинца, при котором он широко рассеивается, – производство и применение алкилсвинцовых присадок (тетраэтилсвинец) к топливу. Большие количества свинца сбрасываются с отходами в почву и воду при добыче и переработке руд, производстве стали, аккумуляторных батарей, печатных шрифтов, пигментов, нефтепродуктов, фотографических материалов, взрывчатых веществ, стекла и телевизионных трубок. Для снижения выбросов свинца переходят к широкому использованию на транспорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и переходу на сжиженный газ. Совершенствуются двигатели внутреннего сгорания, создаются новые системы двигателей и электромобилей, свинцовые кабели заменяют на мелковолокнистые материалы и малотоксичные металлы. В «свинцовую» промышленность внедряют безотходные технологии.

Может вызвать интерес школьников сообщение о возможных причинах вырождения династии римских военачальников: существует гипотеза, что полководцев погубили домашняя утварь и водопровод, изготовленные из свинца. Значительные дозы этого металла попадали в их организмы вместе с пищей и водой и там накапливались. Хроническое свинцовое отравление сказывалось прежде всего на функциях центральной нервной системы: ослабевала воля, снижалась быстрота реакции, утрачивалась способность быстро принимать верные решения и т.п.

Элементы V группы – азот и фосфор – истинные биогены. Их содержание – по 10–1%. Они, как и углерод, образуют живое вещество биосферы. Их аналог – мышьяк (10–6%) – в больших концентрациях вызывает нарушение тканевого дыхания и снижение энергетических ресурсов клетки. Вследствие угнетения окислительных процессов и накопления в тканях молочной и пировиноградной кислот, а также других кислых продуктов обмена происходит закисление организма. Присутствие мышьяка изменяет толщину стенок сосудов, наблюдается расстройство сердечной деятельности. Другие беды – обезвоживание организма и потеря солей, нарушение транспорта кислорода из-за включения мышьяка в молекулу гемоглобина (развивается анемия). Доказана взаимосвязь между внешним воздействием мышьяка и повышенной заболеваемостью раком кожи, лимфатической системы и желудочно-кишечного тракта. Предполагают также, что мышьяк заменяет в организме фосфор в молекуле ДНК и тем самым вызывает разрушение хроматинного материала. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и серно-кислотного производств [34].

Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкуренцию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность. Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca–Ba, Zn–Hg, Fe–Ni (Co), S–Se, Ni–Cd, Zn–Cd, Al–Ca, Al–Fe, Mg–Mn, K–Li, K–Tl, Ca–Sr, Ni–Cu, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрируют зависимость химических свойств элементов, их биологической роли от строения атомов.

Так, замена натрия или калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, т.к. в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах, и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.

Таллий, биологический конкурент калия, заменяет его в клеточных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Аналог серы – селен. Их содержание в животном организме соответственно 10–2 и 10–5%. Селен – единственный элемент, который при высоком содержании в растениях может вызвать внезапную смерть животных и человека, употреблявших их в пищу. Селен замещает серу в аминокислотах, белках, эфирных маслах. Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязнении среды) других. Этот процесс объясняется прежде всего аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающийся в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает активность пищеварительных ферментов, угнетает синтез гликогена в печени, влияет на углеводный обмен, вызывает декальцификацию скелета, приводящую к его деформации, угнетению роста костей, тяжелым болям в пояснице и в мышцах ног, к хрупкости костей (например, перелому ребер при кашле). Другие негативные последствия – рак легких и прямой кишки, нарушение функции поджелудочной железы, поражение почек, снижение содержания в крови железа, кальция, фосфора. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в природных водоемах, накапливается в водных и наземных растениях (отмечается, например, 20–30-кратное увеличение содержания кадмия в листьях табака).

Галогены как элементы-аналоги могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в окружающей среде (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в организм человека йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы, эндокринной системы в целом [35].

При изучении данной темы можно использовать проблемные вопросы. Такой подход стимулирует интерес учащихся не только к изучаемому материалу, но и к смежным дисциплинам: биологии, географии, физике, предметам общественно-гуманитарного цикла.

Экспериментальная часть

С целью апробирования данных умозаключений относительно химического эксперимента с экологическим содержанием мною было проведено несколько занятий (лабораторных работ). Планы проведения уроков описаны ниже.

2.1 Химический эксперимент экологической направленности

Химический эксперимент с экологической ориентацией предполагает:

1) определение состояния природного окружения с использованием аналитических методов;

При разработке химического эксперимента можно использовать различные подходы.

1-й подход. Химическое содержание эксперимента сохраняется, но обязательным элементом становится экологическая чистота проведения опыта, которая достигается либо хорошей герметизацией лабораторного оборудования, либо нейтрализацией или обезвреживанием продуктов реакций, либо заменой опасных для здоровья реактивов на безопасные. Например, при демонстрации опыта, в котором образуются токсичные продукты, используют поглотители на выходе из реакционного сосуда.

Демонстрационный опыт 1. Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с медью.

Опыт небезопасен из-за продукта реакции – оксида азота(IV) – токсичного вещества, поражающего альвеолярную ткань легких, вызывающего расширение сосудов, снижение кровяного давления, повреждение эритроцитов крови, химические некрозы зубной эмали.

Опыт демонстрируют с использованием традиционного лабораторного оборудования, дополненного поглотительной склянкой для обезвреживания оксида азота(IV). Склянку заполняют либо раствором щелочи, либо гидрокарбонатом натрия. В качестве поглотителя используют также водный раствор аммиака и карбонат аммония. В этом случае образуется нитрит аммония – нестойкое соединение, которое разлагается с выделением воды и элементарного азота – экологически безвредных веществ.

2-й подход. Химическое содержание эксперимента сохраняется, но становится ориентированным на экологическую проблему.

Демонстрационный опыт 2. Действие кислот на карбонаты.

В опыте используют скорлупу куриного яйца, на которую действуют раствором соляной кислоты. С помощью известковой или баритовой воды доказывается выделение углекислого газа. Опыт иллюстрирует факт снижения численности птиц в районах выпадения кислотных дождей.

3-й подход. Химическое содержание заменяется на экологическое при сохранении смысловой нагрузки эксперимента или тематического раздела курса.

Все опыты должны быть безвредны и безопасны для учащихся, при необходимости для их постановки используют полумикрометод.

Демонстрационный опыт 3. Разложение пероксида водорода каталазой крови.

Опыт демонстрирует одну из биологических функций железа (каталаза – геминовый фермент, содержащий железо). Обсуждаются причины появления большого числа заболеваний крови, связанных с загрязнением окружающей среды.

Демонстрационный опыт 4. Действие на белок минеральных кислот, щелочей, фенола и солей тяжелых металлов.

В указанных случаях происходит осаждение белков. Природные белки теряют присущие им специфические свойства, становятся нерастворимыми, денатурируют. Опыты по осаждению белков свидетельствуют о том, что загрязнение природной среды кислотами, щелочами, фенолами, ионами тяжелых металлов имеет отрицательные последствия для живых организмов.

Экологизация химического эксперимента невозможна без включения в него исследовательской компоненты, поскольку только в этом случае у учащихся формируется широкий спектр практических умений: постановка проблемы, планирование эксперимента, проведение наблюдений, сбор данных, овладение разнообразными методами и методиками исследования, обработки, анализа и обсуждения результатов, оценки реальной экологической ситуации и прогнозирования последствий проведения природозащитных мероприятий.

Исследовательская компонента может быть реализована через систему нетрадиционного химического эксперимента, основу которого составляют:

1) моделирование экологических ситуаций, адекватных реально существующим;

2) имитация некоторых природных процессов и явлений;

3) определение биогенных элементов в биологическом материале;

4) оценка качества сельскохозяйственной продукции и продуктов питания.

Химический эксперимент является неотъемлемой частью проектной деятельности. Проекты могут быть определены на уроке в ходе обсуждения какой-либо экологической проблемы, выполнены во внеурочное время, а результаты представлены либо снова на уроке, либо на ученической конференции. Объектами проектов являются: помещения и территория школы, воздух, вода (атмосферные осадки, ливневые и талые воды, питьевая вода, вода водоемов), почва, растительность, продукты питания.

Проблема экологического содержания химического эксперимента еще не решена.

В настоящее время экологизация химического эксперимента идет в двух направлениях: использование аналитических методов для определения состояния природного окружения; переработка отходов, образующихся в результате химических реакций (уничтожение веществ, их обезвреживание с последующим помещением во внешнюю среду или утилизация — повторное использования в учебном процессе).

Существуют, по крайней мере, еще три направления в этой области, разработка которых позволила бы учителю в доступной и наглядной форме раскрыть единство живой и «неживой» природы, характер деятельности человека в окружающей его среде, принципы рационального природопользования, двойственную роль веществ в природе, способы защиты среды обитания от химического загрязнения. К этим направлениям относятся: использование химического эксперимента для объяснения природных явлений и процессов; изучение воздействия веществ на живые организмы и экосистемы, разработка экологически безопасного эксперимента.

Эти направления учитываются при разработке практикумов для школьного экологизированного курса химии. Цель практикумов — формирование у учащихся практических умений по изучению природных процессов и анализу различных экологических ситуаций.

Практикумы состоят из тематических разделов, соответствующих основной программе курса химии. В зависимости от дидактических функций опыты разделены на демонстрационные и лабораторные.

Все опыты безвредны и безопасны для учащихся, так как для их постановки при необходимости используют полумикрометод.

Рассмотрим некоторые опыты и демонстрации к экологизированному школьному курсу химии, которые были проведены мною во время прохождения педагогической практики.

8 класс.

Тема: «Кислород, оксиды, горение».

Демонстрации:

Наблюдение за выделением кислорода при фотосинтезе.

Материалы и оборудование: элодея, пробирка, стеклянная воронка, источник света (настольная лампа), 5%-ный раствор гидрокарбоната натрия, стакан на 40 мл, лучинка, спички, пластилин.

В стакан с водой или с раствором гидрокарбоната натрия (для обогащения среды углекислым газом) помещают водное растение, например, элодею, ставят его на яркий свет и собирают выделенный кислород, как показано на рисунке.

Обнаруживается кислород при помощи тлеющей лучинки. Следует учесть, что лучинка вспыхивает, если в газовой смеси содежится не менее 28% кислорода, если же в смеси кислорода меньше 16%, то лучинка гаснет. Опыт закладывается за 5-8 дней до урока.

9 класс.

Тема: «Подгруппа кислорода».

Демонстрации: Влияние оксида серы (IV) на растения

Под стеклянным колпаком помещают два растения, одно из которых уже накрыто колпаком, но меньшего размера. Для получения оксида серы (IV) используют взаимодействие концентрированной серной кислоты с медью. Стакан с концентрированной серной кислотой и погруженной в нее медной проволокой помещают под большой колпак.

Через 5 дней можно наблюдать результаты. Растение, развивающееся под маленьким колпаком, развивается нормально, растение же, помещенное только под большим колпаком, угнетается.

Лабораторный опыт. Распознование сульфат-ионов в растворе

Учащимся предлагаю с помощью раствора хлорида бария провести анализ пробы воды, взятой из сточных вод местного предприятия, или заранее приготовленного раствора соответствующего состава на присутствие сульфат-ионов. Для этого исследуемый раствор подкисляю разбавленной соляной кислотой и добавляю к нему по каплям реактив. При наличии сульфат-ионов выпадает белый осадок сульфата бария.

По окончании исследования учащимся предлагают с помощью таблицы растворимости найти еще несколько реактивов на сульфат-ионы и самостоятельно провести исследования.

Тема: «Подгруппа азота»

Демонстрация. Обнаружение азота в органических соединениях.

Чтобы выяснить, входит ли в состав вещества азот, пробу нагревают в пробирке с избытком натронной извести (в верхней части пробирки не должно быть приставших частиц извести). В верхнюю часть пробирки помещают кусочек ваты, накрывают увлажненной плоской лакмусовой бумагой. Пробирку нагревают на горелке (над маленьким пламенем) сначала слабо, потом сильнее. Синее окрашивание лакмусовой бумажки указывает на присутствие азота: содержащийся в органических веществах азот связывается при нагревании с натронной известью и затем превращается в аммиак.

Тема: «Подгруппа углерода».

Демонстрация. Исследование консервных банок на примесь свинца.

Место для исследования очищают от жира кусочком ваты, смоченной эфиром. Другой кусочек ваты смачивают 10%-ным раствором уксусной кислоты и накладывают на 3-4 мин на очищенное место. Затем на то же место накладывают кусочек ваты, смоченный 4%-ным раствором иодида калия. Быстрое пожелтение ваты (из-за образовавшегося иодида свинца (II)) указывает на примесь свинца выше нормы, т.е. более 1% (допускается не более 0,004%).

Лабораторный опыт. Воздействие кислот на карбонаты.

Яичную скорлупу помещают в пробирку и капают на нее соляной кислотой. Пробирку закрывают пробкой, в которую вставлена изогнутая в двух местах и оттянутая на конце трубка для отвода газа.

Выделяющийся газ пропускают через известковую или баритовую воду.

Выпадение осадка карбоната кальция или бария свидетельствует, что пропускали углекислый газ. Опыт иллюстрирует факт снижения численности птиц в районах выпадения кислотных дождей.

Тема: «Общие свойства металлов».

Демонстрации. Влияние ионов тяжелых металлов на растения.

За две недели до урока «Физические и химические свойства металлов» готовят растворы: полную питательную смесь Прянишникова. В 5 литровых банок помещают по 245 мг NH₄NO₃, 123 мг MgSO_{4 *}7H₂O, 160 мг KCl, 25 мг FeCl₃ *6H₂O, 172 мг CaHPO₄ и 344 мг CaSO₄*2H₂O.

ППСП с избытком ионов цинка, ППСП без ионов цинка, ППСП с избытком ионов меди и ППСП без ионов меди. Затем высаживают в эти растворы рассаду и через 2 недели на уроке обсуждают результаты эксперимента (при недостатке цинка наблюдается задержка роста растений, при избытке цинка — пожелтение кончиков листьев, снижение интенсивности фотосинтеза; при недостатке меди — усыхание листьев, гниение корневой системы, при ее избытке – полегание растений), делают вывод о двойственной роли металлов в природе в зависимости от их концентрации.

Тема: «Металлы главных подгрупп I и III групп периодической

системы химических элементов Д.И.Менделеева».

Демонстрации. Влияние роли ионов кальция в свертывании крови.

Перед демонстрацией опыта необходимо объяснить учащимся, что сущность процесса свертывания крови состоит в превращении фибриногена в фибрин, для чего необходим фермент тромбин, который образуется в присутствии ионов кальция.

В две пробирки наливают по 3 мл крови, к которой добавлен оксалат натрия для осаждения ионов кальция с целью предотвращения свертывания крови. Одну пробирку оставляют в качестве контрольной, а к другой прибавляют 0,5 мл 2%-го раствора хлорида кальция.

Через 10-15 мин должен образоваться сгусток фибрина, т.е. произойдет свертывание крови. Если же кровь не свернется, значит весь хлорид кальция пошел на образование осадка — оксалата натрия в крови. В этом случае в пробирку приливают еще 0,5 мл раствора хлорида кальция до образования сгустка крови. Сравнивают содержимое этой пробирки с содержимым контрольной пробирки, в которой сгустка крови нет.

Тема: «Железо — представитель элементов побочных подгрупп периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева».

Демонстрации. Разложение пероксида водорода каталазой крови.

В цилиндр наливают 10-15 мл 1%-го раствора пероксида водорода и добавляют 1 мл крови. Наблюдают бурное выделение кислорода: жидкость вспенивается и пена заполняет весь цилиндр. Это опыт демонстрирует одну из биологических функций железа. По химической природе, каталазагеминовый фермент, содержащий железо.

Опыт I. Действие этанола на белок

1-й в а р и а н т. Кусочек сырого мяса помещают в пробирку со спиртом. Через 1–2 мин цвет мяса меняется из-за свертывания белка.

2-й в а р и а н т. Кусочек сырого мяса (10 г) растирают с небольшим количеством воды до кашицеобразного состояния и отфильтровывают. К полученному прозрачному раствору (1–1,5 мл) добавляют несколько кристалликов поваренной соли и 5 мл спирта. Выпадает осадок.

Опыт II. Действие фенола на водную экосистему

Материалы и оборудование. аквариум как модель водной экосистемы (растения – элодея, ряска), раствор фенола (0,01 мг/л), микроскоп; ПДК фенола в атмосферном воздухе равна 0,003 мг/л.

В аквариум с растениями добавляют 5 мл раствора фенола. Через 6–7 ч наблюдается гибель растений. Микроскопирование позволяет оценить степень и характер воздействия фенола на растения.

2.2 Разработки лабораторных экологизированных экспериментов.

2.2.1 Лабораторный эксперимент по теме «Вода»:

«Влияние химических загрязнителей воды на рост и развитие живых организмов»

Цель: Изучить влияние химических загрязнителей на рост и развитие грибов и комнатных растений.

Оборудование и реактивы: водные 10%- растворы KNO₃ , NaCl ,NaOH ,Ca(NO₃)₂ ,CuSO₄ .4 чашки Петри, гриб Мукор, 2 растения колеус, микроскоп, предметное и покровное стекла (по 4), препаровальная игла, колба с водой, 4 пипетки.

Ход работы:

1. Помещаем в 3 чашки Петри по кусочку гриба Мукора с субстратом хлеба

2.Приливаем 10%-растворы:1 чашка-KNO₃ , 2-NaCl , 3-NaOH.

3. Помещаем в чашку Петри кусочек гриба на субстрате мяса (колбасы) и приливаем 10мл.10% -NaCl.

4. Поливаем камнатное растение колеус 1-раствором Ca(NO₃)₂, 2-CuSO₄ и выставляем на солнечный свет.

Методика исследования результатов:

1. Исследование исходных образцов грибов (на субстрате хлеба, на субстрате мяса.

2. Описание исследуемых объектов.

Исходные образцы.

А) гриб Мукор произрастал во влажной среде без доступа солнечного света. Наблюдается сильное разрастание мицелия и образование спор черного цвета.

Б) гриб на субстрате колбасы образовал 5 больших колоний бело-зеленого цвета с сильно разросшимся мицелием.

В) растение Колеус имеет прямостоячие светло-зеленые стебли, листья с окраской от розового до темно-фиолетового.

Результаты исследования:

1. Колонии гриба Мукора приобрели сине-зеленую окраску, количество черных спор уменьшилось, субстрат изменился. Мицелии гриба погибли в растворе 2,3 полностью, в 1-частично.

2. Колонии гриба на субстрате мяса продолжали разрастаться и покрыли весь верхний слой.

3. Растение колеус погибло быстрее в 2 раза (через 5 дней). Растение 1 изменилось внешне: стебли стали темно-зеленого цвета, листья насыщенно-контрастны по цвету, прирост составил за 7 дней 5мм.

Выводы:

1) Агрессивность веществ загрязнителей воды зависит от степени диссоциации соединений и среды раствора. Самыми агрессивными являются CuSO₄ , NaOH, NaCL.

2) Химические загрязнители, попадая в почву изменяют кислотно-щелочной баланс.

3) Вещества KNO₃ , Ca(NO₃)₂ относятся к разряду минеральных удобрений и в разумных концентрациях положительно влияют на рост и развитие растений (колеус1), или ограничивают разрастание гриба.

4) Меньшее влияние оказал загрязнитель NaCl на белковый субстрат гриба. Значит даже в агрессивных средах белковая пища должна быть сохранена при более жестких условиях и высоких концентрациях.

5) Организмы с низким уровнем развития подвергаются агрессивному воздействию в меньшей степени, чем высокоорганизованны.

Экологическое образование и формирование экологического сознания должно стать одним из главных направлений работы школы. И главная роль в этом должна принадлежать таким предметам, как физика, химия, биология, география при изучении этих предметов имеются большие возможности для формирования у учащихся ответственного отношения к природе, бережного отношения к ней.

При изучении естественно-научных дисциплин необходимо постоянно акцентировать внимание на экологических проблемах, путях их решения. В этом могут помочь эксперименты с экологическим содержанием.

С целью апробации перечисленной исследовательской компоненты в экологоориентированном химическом эксперименте в 10 и 11 классах были проведены уроки: «Влияние химических загрязнителей воды на рост и развитие живых организмов», «Определение качества водопроводной и речной воды», «Влияние нефти на живые организмы», «Влияние ионов металлов на живые организмы».

1) моделирование экологических ситуаций, адекватных реально существующим;

2) имитация некоторых природных процессов и явлений;

3) определение биогенных элементов в биологическом материале;

4) оценка качества сельскохозяйственной продукции.

2.2.2 Разработка урока химии по теме:

«Определение качества водопроводной и речной воды».

Цель: Познакомиться с методиками:

«Определения концентрации ионов трехвалентного железа
«Определения концентрации ионов хлора
«Определения концентрации сульфат-ионов.

Задачи:

«Самостоятельно и мотивированно организовать свою познавательную деятельность (от постановки цели до получения оценки и результата)
«Оценить и корректировать свое поведение в окружающей среде.
«Выполнять в практической деятельности и в повседневной жизни экологические требования.

Ход урока:

Вступительное слово учителя.

Важность воды:

«Вода, как и воздух, неразделимо связана с существованием жизни на Земле.

«Большинство процессов в природе протекают с участием воды или в водной среде.

«Вода необходима для жизни и деятельности человека.

«Существуют особые требования, предъявляемые к воде.

«Она должная быть бесцветной, чистой, она должна иметь хороший вкус и не иметь запаха. В ней также не должны содержаться биологические примеси.

Повторение методики определения концентрации ионов Fe ²⁺, NO .

Определение концентрации ионов двухвалентного железа

К 5 мл воды добавить на кончике ножа (0,1 г) гидросульфата калия, 0,1 г смеси (красная кровяная соль и сахарная пудра 1:9) и хорошо взболтать. В присутствии ионов двухвалентного железа появляется сине-зеленое окрашивание.

Светло-сине-зеленый 1 — 6 мг/л

сине-зеленый 6 — 10 мг/л

синий 10 — 15 мг/л

темно-синий 15 — 30 мг/л

Обнаружение нитрат-ионов

К 5 мл воды осторожно, по стенке пробирки, прибавить I мл реактива, полученного растворением I г дифениламина в 100 мл концентрированной серной кислоты. Если есть нитрат-ионы, то появляется синее окрашивание. Но этой реакции мешают нитрит-ионы, которые предварительно надо разрушить. К исследуемой воде добавляют несколько кристаллов хлорида аммония и кипятят 2-3 минуты. Образовавшийся нитрит аммония разрушается до азота и воды. После этого проводят реакцию с дифениламином.

III. Объяснение нового материала (демонстрация опытов).

Определение концентрации ионов трёхвалентного железа

К 5 мл природной воды прибавить 1-2 капли концентрированной соляной кислоты и 5 капель 10%-ного раствора роданида аммония. В присутствии ионов трехвалентного железа появляется красный цвет.

Слабо-красновато-желтоватый 0,95 — 0,4 мг/л

желтовато-красный 0,4 — 1,0 мг/л

красный 1 — 3 мг/л

ярко-красный 3 — 10 мг/л

Определение концентрации ионов хлора

К 5 мл природной воды прибавить 1-2 капли 10%-ного раствора нитрата серебра, подкисленного азотной кислотой. Образуется осадок или муть.

Слабая муть 1 — 10 мг/л

сильная муть 10 — 50 мг/л

хлопья, осаждаются сразу 50 — 100 мг/л

белый объемистый осадок более 100 мг/л

Определение концентрации сульфат-ионов

К 5 мл воды прибавить 4 капли 10%-ного раствора соляной кислоты и 4 капли 5%-ного раствора хлорида бария. Нагреть. Образуется муть или осадок.

слабая муть через несколько минут 1 — 10 мг/л

слабая муть сразу 10 — 100 мг/л

сильная муть 100 — 500 мг/л

большой осадок, быстро оседающий более 500 мг/л

Работа с учащимися

Во время экспериментальной работы учащиеся самостоятельно заполняют таблицу, с помощью учителя делают выводы.

Выводы

Вода, подаваемая в водопроводную сеть города, соответствует санитарным правилам и нормам. Данные анализа качества воды свидетельствуют о загрязнении Таласа:

летучими фенолами, нитратами, превышающими ПДК;
микробиологическими и вирусологическими показателями.

Важно помнить!

Питьевая вода должна быть бесцветной, чистой, не иметь запаха и иметь хороший вкус.
Она также не должна содержать химических или биологических примесей.
Воду надо использовать экономно.
Вода — необходимое условие для жизни.

Нужно делать!

Для сохранения водных богатств создавать замкнутые циклы производства, когда вода используется многократно.
Использовать новые биологические методы для очистки воды.
Осуществлять постоянный контроль за качеством воды.

Домашнее задание:

Взять пробу природной воды, определить интенсивность запаха, цветность и мутность.

Определение интенсивности запаха воды.

Определения цветности воды:

1.Заполнить пробирку водой до высоты 10-12см.

2.Определите цветность воды, рассматривая пробирку сверху на белом фоне при достаточном боковом освещении (дневном, искусственном.).

Подчеркните (или отметить галочкой) наиболее подходящий оттенок из приведенных в таблице либо заполните свободную линию в таблице.

Цветность воды.

Мутность воды.

Определение концентрации ионов двухвалентного железа

Светло-сине-зеленый 1 — 6 мг/л

сине-зеленый 6 — 10 мг/л

синий 10 — 15 мг/л

темно-синий 15 — 30 мг/л

Обнаружение нитрат-ионов

Определение концентрации ионов трёхвалентного железа

Слабо-красновато-желтоватый 0,95 — 0,4 мг/л

желтовато-красный 0,4 — 1,0 мг/л

красный 1 — 3 мг/л

ярко-красный 3 — 10 мг/л

Определение концентрации ионов хлора

Слабая муть 1 — 10 мг/л

сильная муть 10 — 50 мг/л

хлопья, осаждаются сразу 50 — 100 мг/л

белый объемистый осадок более 100 мг/л

Определение концентрации сульфат-ионов

— слабая муть через несколько минут 1 — 10 мг/л

— слабая муть сразу 10 — 100 мг/л

— сильная муть 100 — 500 мг/л

— большой осадок, быстро оседающий более 500 мг/л

2.2.3 Влияние нефти на живые организмы

(Урок в теме «Природные источники углеводородов»)

Цели и задачи:

— познакомить учащихся с составом, свойствами и значением нефти; показать отрицательное влияние нефти и нефтепродуктов на живые организмы;

— развивать умение делать доклады, работать с литературой;

— формирование бережного отношения к окружающей среде, адекватного поведения личности, воспитывать культуру труда и отдыха.

Оборудование: банки с водными растениями, моллюсками, нефть, мазут, бензин.

Методика проведения

Опыт является долговременным. Поэтому работа проводится за одну неделю до урока. Несколько учащихся готовят доклады на следующие темы: «Состав нефти», «Методы переработки нефти», «Значение нефти и нефтепродуктов».

Остальные ученики закладывают опыт. В три банки наливают воду и помещают водные растения и моллюсков. В первую банку наливают бензин (из расчета 10мл/м³); во вторую – мазут, и в третью – нефть. Наблюдения проводятся в течение недели. Результаты записываются в дневник наблюдений (дата, качество воды).

На уроке заслушиваются доклады, по одному учащемуся из группы докладывают результаты опыта. Ребята делают вывод об отрицательном влиянии нефти и нефтепродуктов на живые организмы и отвечают на вопросы:

Объясните факт отравления человека съедобными моллюсками, выловленными из зоны моря, загрязненной нефтепродуктами.
Можно ли мыть автомобили вблизи водоемов.

Форма работы: индивидуальная (с дополнительной литературой), групповая.

Выводы:

При проведении этой работы у ребят формируется культура труда и культура отношения к окружающей среде. Учащиеся убеждаются в ходе практической деятельности в отрицательном влиянии нефти на живые организмы, учатся воспроизводить в лабораторных условиях негативные явления, наблюдаемые в природе в результате отрицательной деятельности человека.
При организации данного долговременного опыта необходимо обговорить с учащимися график проведения наблюдений, чтобы запись результатов опыта была регулярной.

2.2.4 Влияние ионов металлов на живые организмы

(Урок в теме: «Металлы»)

Цели и задачи:

— закрепление полученных теоретических знаний по теме: «Металлы», раскрытие значения ионов металлов для живых организмов;

— развивать умение самостоятельно проводить эксперимент, делать выводы, применять знания на практике; развивать общеучебные умения и навыки.

— Воспитывать бережное отношение к окружающей среде, уважительное отношение друг к другу.

При проведении работы раскрывается двойственное влияние ионов металлов на природу в зависимости от концентрации их в окружающей среде. Школьники узнают, что ионы металлов являются участниками биохимических процессов, стимулируют и нормализуют обмен веществ, оказывают положительное влияние на рост и размножение, участвуют в создании определенной ионной концентрации в клетках, обеспечивают протекание жизненных процессов в клетке.

Также выясняется влияние продуктов коррозии на растительность. Коррозия металлов рассматривается как результат и как фактор загрязнения окружающей среды, а меры предупреждения коррозии расцениваются как один из путей сохранения её чистоты.

Материалы: дополнительная литература; растения из аквариума; вода; железные гвозди, соединенные с кусочками свинца, цинка, меди; индикаторы (фенолфталеин, метиловый оранжевый).

Методика проведения

Группе учащихся (5-6 человек) предлагается подготовить доклады (5-10 минут) о значении металлов для живых организмов, химической и электрохимической коррозии.

Вторая группа учащихся проводит эксперимент по влиянию продуктов коррозии на растительные организмы:

В 5 химических стаканов помещают воду и растение из аквариума.
Проведение анализа воды на запах, цвет, на кислотность среды, наличие ионов 2-х и 3-х валентного железа (качественная реакция с роданидом аммония и красной кровяной солью).
В 1-й стакан опустить железный гвоздь, во второй – железный гвоздь, соединенный с кусочком меди; в 3-й – железный гвоздь, соединенный с кусочком свинца; в 4-й – железный гвоздь, соединенный со свинцом.
Через 1 день в течение 6 дней берут пробы воды по тем же параметрам как указано в п. 2.

По завершении опыта учащиеся оформляют результаты в виде таблицы

Дата,

№ стакана

Цвет

Запах

РН

Наличие ионов железа

№1

№2

и графиков «Влияние степени коррозии на изменение характера среды».

На уроке-обобщении ученики из первой группы делают сообщения о значении ионов металлов для живых организмов и коррозии, на доске оформляются результаты исследований. После этого учащиеся делают выводы о влиянии коррозии на живые организмы и отвечают на вопросы карточек.

В конце урока подводится итог: коллективно оцениваются результаты работы, обсуждаются ответы на вопросы карточек и природоохранные меры.

Форма работы: групповая с последующим обсуждением, индивидуальная.

После проведения урока и наблюдения за учениками можно сделать следующие выводы:

Учащиеся в ходе практической деятельности знакомятся с процессом коррозии, осмысленно делают вывод об отрицательном влиянии коррозии на окружающую природу. В результате в сознании ребят фиксируются правила поведения вблизи водоемов.
Учащиеся учатся работать с дополнительной литературой, составлять текст доклада, оформлять работу, делать выводы.
В ходе работы учащиеся самостоятельно учатся объяснять сущность коррозии и указывать причину её возникновения, а также знакомятся с условиями, способствующими усилению этого процесса.
Проблемой при проведении работы явилось то, что не все ученики принимают участие в проведении работы. Для того чтобы задействовать всех учащихся можно увеличить вариативность опыта (предложить большее количество пар металлов), но при этом возникает проблема недостатка реактивов.

2.3 Апробация экологизированных демонстрационных опытов на уроках химии

Всем известно, что демонстрационный химический эксперимент – главное средство наглядности на уроке. Это определяется спецификой химии как экспериментальной науки. Поэтому эксперимент занимает одно из ведущих мест. Он позволяет не только выявлять факты, но и знакомить с методами химической науки. Руководствуясь приведенными доводами демонстрационные опыты были использованы мною во время объяснения материала на тему: «Общие свойства металлов».

Выбор демонстрационных опытов во время объяснения нового материала объясняется тем, что демонстрационному эксперименту характерны: наглядность, простота, безопасность, надежность. Кроме того использование эксперимента на уроке позволяет сориентировать наблюдения эксперимента учащимися и после проведения опыта сделать выводы.

Демонстрационный эксперимент проводила с помощью лаборанта.

После объяснения новой темы с помощью демонстрационных опытов была проведена контрольная работа. В написании контрольной работы были задействованы два параллельных класса. В каждом из которых было отобрано по 27 учеников. В одном классе объяснение нового материала проводился в традиционной форме (без использования демонстрационных опытов). Во втором классе во время объяснения нового материала были использованы демонстрационные опыты. Результаты проверки контрольной работы представлены в таблице 1:

Таблица 1. Результаты контрольной работы

	Количество учеников, получивших оценки
	«Неуд.»	«Удовл.»	«Хор.»	«Отл.»
Объяснение нового материала с использованием демонстрационных опытов	3	5	14	5
Объяснение нового материала без использования демонстрационных опытов	7	7	10	3

Как видно из таблицы 1 и диаграммы 1 в классе, где объяснение нового материала сопровождалось показом опытов, оценку 5 получили 18,5% учащихся, а в классе без демонстрации опытов всего 11% учащихся, оценку 4 соответственно 52% и 37%, оценку 3 – 18,5% и 26%, и оценку 2 – 11% и 26% соответственно. (Результаты представлены в таблице2 и диаграмме 2.).

Таблица 2. Результаты проверки контрольной работы

	Количество учеников (в %), получивших оценки
	«Неуд.»	«Удовл.»	«Хор.»	«Отл.»
Объяснение нового материала с использованием демонстрационных опытов	11	18,5	52	18,5
Объяснение нового материала без использования демонстрационных опытов	26	26	37	11

Результаты контрольной работы показали, что на уроках химии с экологической направленностью целесообразно использовать демонстрационные опыты. Использование химического эксперимента во время объяснения нового материала способствует более эффективному овладению знаниями, умениями и навыками.

Диаграмма 1. Результаты контрольной работы.

Диаграмма 2. Результаты проверки контрольной работы

Заключение

Эксперимент – важнейший путь осуществления связи теории с практикой при обучении химии, путь превращения знаний в убеждения. Химический эксперимент, применяемый в школьной практике, обычно не противоречит существующим закономерностям и служит подтверждением определенных теоретических положений.
Школьный химический эксперимент классифицируют на демонстрационный и ученический. В зависимости от цели и способа организации ученический эксперимент подразделяют на лабораторные опыты, практические занятия и домашние опыты.
В сфере образования важнейшим направлением становится экологизация предметного содержания. Экологизация учебного предмета предполагает введение экологической компоненты в содержание программ, учебных материалов (учебников, задачников, практикумов, дидактических материалов, пособий) и средств наглядности.
В настоящее время экологизация химического эксперимента идет в двух направлениях: использование аналитических методов для определения состояния природного окружения; переработка отходов, образующихся в результате химических реакций (уничтожение веществ, их обезвреживание с последующим помещением во внешнюю среду или утилизация — повторное использования в учебном процессе).
Химический эксперимент – неотъемлемая часть обучения химии. В условиях экологизации химического образования роль эксперимента возрастает. Он становится активным методом изучения окружающей природной среды, способствует формированию и совершенствованию знаний в области химии, экологии и охраны природы. Благодаря эксперименту учащиеся лучше овладевают курсом химии, воспитывается нравственное отношение к окружающему миру. Под руководством учителя школьники учатся анализировать разнообразные экологические ситуации, прогнозировать функционирование природных систем в условиях антропогенного воздействия, находить решения, направленные на защиту и сохранение среды обитания.
Экологизация химического эксперимента невозможна без включения в него исследовательского компонента. Только в этом случае у учащихся формируется широкий спектр практических умений, появляются навыки формулирования проблемы, планирования эксперимента, проведения наблюдений, сбора данных, овладения разнообразными методами и методиками исследования, обработки, анализа и обсуждения результатов, оценки реальной экологической ситуации и прогнозирования последствий применения природозащитных мероприятий.
Использование на лабораторных занятиях по химии экологизированных разработок показало, что экологизация школьного химического эксперимента позволило сделать восприятие теоретического материала более активным, эмоциональным, творческим, которое способствует формированию у учащихся живого интереса к химии и экологии.
В ходе практической деятельности учащиеся знакомятся со многими химическими процессами, веществами, осмысленно делают вывод об их отрицательном влиянии на окружающую природу.

Список литературы

Наумова Л.Г., Миркин Б.М. К изучению основ экологии в школьном курсе „общая биология“ // Биология в шк. 1991. № 5. с. 22-25.
Моисеев Н.Н. Экологическое образование и экологизация образования // Биология в шк. 1996. № 3. с. 29-32.
Михальченко Ю.И. Изучение экологических аспектов экономической деятельности как средство формирования духовных потребностей личности [старшеклассников] // Формирование духовных потребностей старшеклассников в процессе обучения. Тамбов, 1990. с. 59-64.
Международная конференция по экологическому образованию детей (1995; москва): Тез. докл. Обнинск: б.и., 1995. 183 с.
Миркин Б.М.,Наумова Л.Г. Экологическое просвещение на уроках труда в сельской школе // Шк. и пр-во. 1993. № 2. с. 27-29.
Парменов К.Я. Демонстрационный химический эксперимент. М.,1954;
Назарова Т.С., Грабецкий А.А., Лаврова В.Н. Химический эксперимент в школе (Библиотека учителя химии). М.,1987;
Вайнштейн Б.М. и др. Практические занятия по химии. М.,1939;
Злотников Э.Г. Химический эксперимент в условиях развивающего обучения. химия в школе, 2001, № 1;
Проблемы экологического образования в школе и педвузе: Материалы тез. межвуз. конф. по метод. преподавания биологии. спб., 1993. с. 6-7.
Вернадский В.И. Химическое строение биосферы земли и ее окружения. М.: наука, 1965).
Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.А, Кумачев А.И. Экология на уроках химии. Минск: красико-принт, 1996. 206 с. (методика преподавания).
Куратова Е.В., Сорокин В.В. Система экологических и химико-экологических понятий в химическом образовании // Химия в шк. 1995. № 1. с. 35-40; № 2. с. 34-37.
Кротова О.Н. Формируя экологическое мировоззрение [школьников] // Веч. сред. шк. 1990. № 2. с. 65-68.
Колесников В.И. Экологическое образование учащихся в процессе школьного химического эксперимента // Химия в шк. 1991. № 5. с. 52-54

Злотников Э.Г., Эстрин Э.Р. Химико-экологический анализ различных природных сред: Эксперим. материал для факультатив. и кружковых занятий в сред. шк. киров: ВГПУ, 1996. 112 с.: ил. библиогр.: 41 назв.

Дыренков С.А. Экологические проблемы и экологическое образование //Пед. образование. 1990. Вып. 1. с. 45-47.
Гладышев В.П. Основные законы химии при рассмотрении вопросов экологии в курсе химии средней школы // Экология и человек: Тез. докл. 1V меж-дунар. конф. учащихся и учителей сред. шк. Томск, [1997]. с. 66-70.
Василенко Ж.Г., Гузей А.С. Химия элементов в школе и экологические знания: практикум // 15-й менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Минск, 1993. т. 1. с. 176-177.
Куратова Е.В., Сорокин В.В. Понятийный аппарат химической экологии: [К вопр. экологизации шк. хим. образования] // Химия в шк. 1995. № 4. с. 26-32.
Бондарева К.Г., Афонькин Е.В. Экологическое воспитание учащихся на уроках химии // Повышение эффективности учебно-воспитательной работы в средней школе: межвуз. сб. науч. тр. Рязань, 1992. с. 166-171.
Асеева Л. Химия плюс экология: [Метод. материалы к уроку химии] // Нар. образование. 1991. № 5. с. 57-58.
Яншин А.Л., Мелуа А.И. Уроки экологических просчетов. М.: Мысль — 1991.
«Экологическое образование и воспитание учащихся средствами предмета химии», Киров, 1990 г.
Криворучкина Л.В. Экологическое образование в школьном курсе химии.

Российский менталитет в системе российского образования (часть III). Оренбург: ИУУ, 1996.

Асеева Л. Химия плюс экология: [Метод. материалы к уроку химии] // Нар. образование. 1991. № 5. С. 57-58.
Назаренко В.М. Роль социальных, естественнонаучных и технических понятий в формировании экологических знаний [школьников] // Химия в шк. 1993. № 2. с. 37-41.
Назаренко В.М. Химия, экология, нравственность: проблемы образования // Химия в шк. 1995. № 3. с. 2-4.
Назаренко В.М. Экологизация курса химии: От темы к теме: [VII-х кл.] // Химия в шк. 1994. № 3. с. 13-26.
Назаренко В.М. Экологизированный курс химии: От темы к теме: [VIII-х кл.] // Химия в шк. 1994. № 4. с. 38-48; № 6. с. 43-53; 1995. № 2. с. 29-34; № 5. с. 35-38.
Назаренко В.М. Экологизированный курс химии: От темы к теме: IХ кл. // Химия в шк. 1996. № 1. с. 29-36; № 2. с. 31-35.
Назаренко В.М. Экологизированный курс химии: От темы к теме: Х кл. // Химия в шк. 1996. № 4. с. 36-40; № 6. с. 18-21.
Назаренко В.М., Лучинина Н.В. Школьный химический эксперимент в экологическом образовании: VIII-IХ кл. // Химия в шк. 1993. № 6. с. 47-53; 1994. № 1. с. 69-72.
Назаренко В.М., Малыхина З.В. Программа курса «Химия и экология»: VII КЛ. // Химия в шк. 1993. № 4. с. 42-44.
Назаренко В.М. Контролирующие задания с экологическим содержанием [на уроках химии] // Химия в шк. 1993. № 1. с. 36-38.
Назаренко В.М. Методическое обеспечение эколого-химического образования в средней школе // Загрязнение окружающей среды: проблемы токсикологии и эпидемиологии: Тез. докл. междунар. конф. Пермь, 1993. с. 299-300.

Мировые цены на нефть продолжают падать

Нурила Асанкызы стала первой в истории казахстанской…

Казахстанские спортсмены продолжают радовать победами на международной…

Москву массово атаковали беспилотники

Число беженцев в мире перевалило за 123…

Елена Рыбакина обыграла первую ракетку мира

Кто победил на выборах США, согласно мнению…

ВЫБИРАЕМ ПЫЛЕСОС LG ДЛЯ ДОМА: НАДЕЖНЫЙ ПОМОЩНИК…

В сторону земли движется мощная магнитная буря

В Сети распространилось видео, на котором директор…

Дипломная работа: Экологизация школьного курса химии

Цель: Изучить влияние химических загрязнителей на рост и развитие грибов и комнатных растений.

Ход работы:

1. Помещаем в 3 чашки Петри по кусочку гриба Мукора с субстратом хлеба

2.Приливаем 10%-растворы:1 чашка-KNO₃ , 2-NaCl , 3-NaOH.

3. Помещаем в чашку Петри кусочек гриба на субстрате мяса (колбасы) и приливаем 10мл.10% -NaCl.

4. Поливаем камнатное растение колеус 1-раствором Ca(NO₃)₂, 2-CuSO₄ и выставляем на солнечный свет.

Методика исследования результатов:

1. Исследование исходных образцов грибов (на субстрате хлеба, на субстрате мяса.

2. Описание исследуемых объектов.

Исходные образцы.

А) гриб Мукор произрастал во влажной среде без доступа солнечного света. Наблюдается сильное разрастание мицелия и образование спор черного цвета.

Б) гриб на субстрате колбасы образовал 5 больших колоний бело-зеленого цвета с сильно разросшимся мицелием.

В) растение Колеус имеет прямостоячие светло-зеленые стебли, листья с окраской от розового до темно-фиолетового.

Результаты исследования:

2. Колонии гриба на субстрате мяса продолжали разрастаться и покрыли весь верхний слой.

Выводы:

1) Агрессивность веществ загрязнителей воды зависит от степени диссоциации соединений и среды раствора. Самыми агрессивными являются CuSO₄ , NaOH, NaCL.

2) Химические загрязнители, попадая в почву изменяют кислотно-щелочной баланс.

5) Организмы с низким уровнем развития подвергаются агрессивному воздействию в меньшей степени, чем высокоорганизованны.

Почему бизнес должен перейти на казахский язык?

В Алматы откроется французская школа с обучением по международным стандартам

В Казахстане за 2024 год произошло 22 тысячи ДТП

Жительница Актау выпустила брошюры на казахском языке

«Это не зоопарк». Сенатор Марат Кожаев рассказал о том, почему нет фото Бишимбаева в колонии

О НАС

Мобильное приложение

Наши контакты

Цель: Изучить влияние химических загрязнителей на рост и развитие грибов и комнатных растений.

Ход работы:

1. Помещаем в 3 чашки Петри по кусочку гриба Мукора с субстратом хлеба

2.Приливаем 10%-растворы:1 чашка-KNO3 , 2-NaCl , 3-NaOH.

3. Помещаем в чашку Петри кусочек гриба на субстрате мяса (колбасы) и приливаем 10мл.10% -NaCl.

4. Поливаем камнатное растение колеус 1-раствором Ca(NO3)2, 2-CuSO4 и выставляем на солнечный свет.

Методика исследования результатов:

1. Исследование исходных образцов грибов (на субстрате хлеба, на субстрате мяса.

2. Описание исследуемых объектов.

Исходные образцы.

А) гриб Мукор произрастал во влажной среде без доступа солнечного света. Наблюдается сильное разрастание мицелия и образование спор черного цвета.

Б) гриб на субстрате колбасы образовал 5 больших колоний бело-зеленого цвета с сильно разросшимся мицелием.

В) растение Колеус имеет прямостоячие светло-зеленые стебли, листья с окраской от розового до темно-фиолетового.

Результаты исследования:

2. Колонии гриба на субстрате мяса продолжали разрастаться и покрыли весь верхний слой.

Выводы:

1) Агрессивность веществ загрязнителей воды зависит от степени диссоциации соединений и среды раствора. Самыми агрессивными являются CuSO4 , NaOH, NaCL.

2) Химические загрязнители, попадая в почву изменяют кислотно-щелочной баланс.

5) Организмы с низким уровнем развития подвергаются агрессивному воздействию в меньшей степени, чем высокоорганизованны.

2.Приливаем 10%-растворы:1 чашка-KNO₃ , 2-NaCl , 3-NaOH.

4. Поливаем камнатное растение колеус 1-раствором Ca(NO₃)₂, 2-CuSO₄ и выставляем на солнечный свет.

1) Агрессивность веществ загрязнителей воды зависит от степени диссоциации соединений и среды раствора. Самыми агрессивными являются CuSO₄ , NaOH, NaCL.