Педагогика

Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии


                Министерство образования российской федерации
                    Самарский государственный университет
                            Химический факультет

                                     Кафедра общей химии и хроматографии
                                     Специализация аналитическая химия



                               Реферат на тему
                      ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ НА УРОКАХ ХИМИИ



                                               Выполнил студент
                                               4 курса 442 группы
                                               Паньков Павел Петрович



                                   Самара
                                    2003

  Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии

    В  последние  годы  очень  часто  можно  слышать  выражение  «кислотные
осадки». Они представляют собой различные виды атмосферных  осадков,  таких,
как дождь, снег, туман или роса, с рН ниже нормы (рН < 5,6).
    Впервые проблема кислотных осадков стала предметом обсуждения на ХXVIII
Генеральной ассамблее Международного союза  по  теоретической  и  прикладной
химии (ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г.
    По словам канадского министра окружающей среды Дж.Робертса,  «кислотный
дождь – одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды,  которую
только можно себе представить, опасная болезнь биосферы».
    Максимальный отрицательный эффект кислотные  дожди  и  газовые  выбросы
наносят воздушной среде, а через  нее  –  флоре  и  фауне.  Однако  велик  и
уровень загрязнения водной среды [1].
    В связи со сложившейся экологической ситуацией  учащиеся  должны  иметь
грамотные представления о  проблеме  кислотных  осадков.  Одним  из  средств
формирования этих представлений являются  наглядные  пособия  в  виде  схем,
использовать которые можно на занятиях по химии в  средней  школе  в  разных
классах. Однако, на наш взгляд,  рациональнее  работать  с  ними  в  старшей
школе.
    Основным наглядным пособием при изучении данного  материала  становится
динамическая схема  1  «Влияние  кислотных  осадков  на  окружающую  среду»,
которая состоит из двух частей – статической и динамической.
    Статическая часть, выполненная на большом листе  ватмана,  представляет
изображения основных антропогенных  источников  кислотообразующих  выбросов:
теплоэлектростанция (ТЭС), металлургический завод и автомобиль.
    Основные поставщики диоксида серы  в  атмосферу  –  машиностроительные,
металлургические  заводы  (переработка  руды,  содержащей  серу,   различные
химические  технологические  процессы  –   50%   SO2),   теплоэлектростанции
(сжигание богатого серой угля, мазута – 40% SO2) [2].
    Кислотные оксиды азота техногенного происхождения (NО, NO2)  образуются
из азота воздуха при сгорании топлива, если температура превышает 1000 °С.
    В России около 25% техногенных выбросов оксидов  азота  происходит  при
сжигании топлива на предприятиях тепло- и электроэнергетики,  столько  же  –
при различных производственных процессах на  предприятиях  металлургической,
машиностроительной, химической отраслей промышленности (например,  получение
азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник поступления  оксидов
азота в атмосферу (до 40%) – автотранспорт [см. 2].
    Приведенные  данные  об  антропогенных  выбросах  кислотных  оксидов  в
атмосферу  объясняют,  почему  в  статической  части   схемы   1   приведены
изображения именно этих объектов. Возможным дополнением  к  ним  могут  быть
числовые значения антропогенного поступления кислотных оксидов в атмосферу.
    Схема 1
                Влияние кислотных осадков на окружающую среду
                              Статическая часть
                                    [pic]
                             Динамическая часть
                                    [pic]
    Кроме антропогенных источников кислотообразующих выбросов в статической
части  схемы  1  изображены  различные  природные   среды   обитания   живых
организмов: гидросфера, атмосфера и литосфера. Гидросферу можно  представить
в виде пруда  или  озера,  в  которых  обитают  различные  живые  организмы.
Литосфера изображена в виде почвы и наземной растительности.
    Все  изменения  в  окружающей  среде  при  действии  кислотных  оксидов
представлены в динамической части схемы 1.
    Элементы динамической  части  схемы  изображают  на  плотной  бумаге  и
прикрепляют  к  статической  части  схемы  1  с  помощью  булавок  по   мере
объяснения материала.
    До начала объяснения воздействия кислотных осадков на  различные  среды
обитания организмов на  статической  части  схемы  1  прикрепляют  следующие
условные изображения: фито- и зоопланктон, моллюск, водоросли и значение
    рН = 7,5 – возле  водоема;  бактерии-сапрофиты  –  в  почве,  слева  от
изображения  водоема;  азотфиксирующие  бактерии  –  около  корней  клевера;
здоровое хвойное дерево – справа от автомобиля.
    Объяснение материала необходимо  начать  с  рассмотрения  антропогенных
источников кислотообразующих выбросов, прикрепляя  к  башням  ТЭС  и  трубам
металлургического завода аппликации с изображением дымовых  выбросов  SO2  и
NO2, а к выхлопной трубе автомобиля – изображение NOx, показывающее  дымовое
выделение оксидов азота (NО2 и NО).
    После попадания оксидов серы и азота в атмосферу необходимо рассмотреть
процессы, приводящие к образованию кислотных осадков.
    Диоксид  серы,  попавший  в  атмосферу,  претерпевает  ряд   химических
превращений,  ведущих  к  образованию  кислот.  Частично  диоксид   серы   в
результате фотохимического окисления превращается в оксид  серы(VI)  (серный
ангидрид) SО3:
                                    [pic]
    который реагирует с водяным паром атмосферы,  образуя  аэрозоли  серной
кислоты:
                                    [pic]
    Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует
кислотный полигидрат SO2•nH2O, который  часто  называют  сернистой  кислотой
Н2SO3:
                                    [pic]
    Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:
                                    [pic]
    Аэрозоли серной  и  сернистой  кислот  конденсируются  в  водяном  паре
атмосферы и становятся причиной кислотных осадков. Они составляют около  2/3
кислотных  осадков.  Остальное  приходится  на  долю  аэрозолей  азотной   и
азотистой кислот, образующихся при взаимодействии диоксида азота  с  водяным
паром атмосферы:
                                    [pic]
    Методика проведения данной части урока может быть различной: объяснение
и составление  уравнений  учителем,  дописывание  правых  или  левых  частей
уравнений учащимися  или  самостоятельное  написание  уравнений  превращений
кислотных оксидов в атмосфере.
    Работа со схемой 1 выражается сначала  появлением  (на  статической  ее
части) облака с уравнениями реакций,  а  затем  –  облака  с  формулой  иона
водорода. В схему вносят  и  различные  виды  осадков:  дождевые  капли  или
снежинки, на которых написан  ион  водорода  (Н+).  Это  показывает,  что  в
атмосфере произошли химические  превращения,  которые  привели  к  выпадению
кислотных осадков.
    Далее  логично  рассмотреть  изменения  в  окружающей  среде,   которые
происходят под действием кислотных осадков. Начать это  объяснение  можно  с
любой среды обитания.
    Средним значением показателя  кислотности  большинства  почвенных  вод,
питающих  реки  и  грунтовые  воды,  является  рН  около  8  [3].  Например,
концентрация  водородных  ионов  в  озере  Байкал   соответствует   пределам
7,0–8,5. В летнее время щелочность байкальской воды несколько  увеличивается
и рН возрастает до 8,0–8,5. Зимой рН близок к 7,0. С глубиной рН  снижается,
вода приобретает слабокислый характер [4].
    Для создания более конкретных представлений о влиянии  рН  водоемов  на
жизнедеятельность гидробионтов (обитатели пресноводных водоемов) может  быть
использована схема 2  «Реакция  гидробионтов  на  понижение  значений  рН  в
пресноводных водоемах» [5]. На этой  схеме  изображены  различные  обитатели
водоемов: ракообразные, улитки,  разнообразные  виды  рыб  (лосось,  форель,
окунь, щука, угорь и др.), водные насекомые, фито-  и  зоопланктон  –  и  их
реакция на изменения рН воды в диапазоне от 7,5 до 3,5.
    Пользуясь  схемой  2,  учащиеся  самостоятельно  смогут  рассказать  об
изменениях, происходящих в водной среде при попадании в нее ионов  водорода,
и их влиянии на рН воды. Для этого  изготавливаются  карточки  с  различными
значениями водородного показателя (рН = 6,5; рН = 6,0; рН = 5,6; рН  =  5,0;
рН = 3,5) для водной среды (см. схему 1, динамическая часть).
    Схема 2
                Реакция гидробионтов на понижение значений рН
                           в пресноводных водоемах
                                    [pic]
    По  мере  понижения  значения  рН  со  схемы  1   снимают   изображения
организмов,  гибнущих  при  подкислении  воды.  При  рН   =   6,0   исчезает
изображение  моллюсков,  их  считают  хорошими   индикаторами   загрязнения.
Моллюски ведут донный  образ  жизни,  причем  прикрепляются  к  определенным
участкам дна. Если этот участок подвержен воздействию  загрязняющих  веществ
(например, тяжелых металлов), то этот загрязнитель  попадает  и  в  организм
моллюсков.  В  Красную  книгу  РСФСР  были  занесены  15  видов   моллюсков,
относящихся к родам жемчужница и  перловица  [6].  Затем  при  рН  =  5,6  с
изображения  водоема  снимают  одну  рыбу,  фито-  и  зоопланктон   и   одну
водоросль. При достижении рН = 5,0  с  изображения  водоема  убирают  вторую
рыбу и водоросли. При  рН  =  3,5  все  нормальные  формы  жизни  в  водоеме
исчезают  и  развиваются  патогенные  организмы  (белый  мох).   На   водоем
наносится карточка с изображением белого мха.
    Губительное  действие  закисления  водоемов  на  различные   виды   рыб
начинается с рН ~ 6,0, при котором погибают форель, лосось, плотва,  поэтому
с динамической схемы 1 можно снять изображение одной из  рыб.  Окунь,  щука,
сиг,  хариус,  угорь  более  устойчивы  к  кислотному  воздействию,   и   их
изображение удаляется со схемы при рН ~ 5,0.
    В  Красную  книгу  занесены  следующие  виды  рыб:  байкальский  осетр,
волховский сиг, байкальский белый хариус, обыкновенный подкаменщик [см. 6].
    Необходимо отметить, что на гибель  рыб  влияет  не  только  закисление
водоема, но и ионы тяжелых металлов (Рb2+, Нg2+, Сd2+) и  алюминия,  которые
появляются  в  водоеме  из  нерастворимых  соединений.  Символы  этих  ионов
наносят  на  изображения  водоема  (см.  схему  1)  при  рН  =  5,0,  снимая
изображение второй рыбы. Чрезвычайно токсично действуют на рыб (особенно  их
икру и  мальков)  ионы  алюминия,  содержание  которых  быстро  нарастает  в
водоемах за  счет  взаимодействия  гидроксида  алюминия  придонных  пород  с
кислотой:
    [pic]
    Почва   –   это   особое   природное   образование,   формирование    и
функционирование которого невозможно без микроорганизмов,  жизнедеятельность
последних зависима от  рН  среды.  Основным  органическим  веществом  почвы,
содержащим питательные  вещества,  необходимые  высшим  растениям,  является
гумус  –  смесь  гумусовых  кислот  (гуминовых  и  фульвокислот),  гумина  и
ульмина.  Он  образуется  в  результате  разложения   бактериями-сапрофитами
остатков растений и животных.
    Чтобы сделать доступным для питания растений основные  запасы  азота  в
гумусе,  необходимо   разложить   органическое   вещество   почвы.   Процесс
превращения   органического   азота   почвы   в   [pic]–   аммонификация   –
осуществляется гетеротрофными микроорганизмами1.
    Биологическое  окисление  [pic]до   [pic]называется   нитрификацией   и
происходит в природе при участии автотрофных бактерий2.
    К биологической азотфиксации –  процессу  восстановления  молекулярного
азота до аммиака при помощи фермента нитрогеназы  –  способны  как  свободно
живущие  микроорганизмы,  так  и   симбиотические   клубеньковые   бактерии,
поселяющиеся на корнях бобовых и некоторых других растений.
    Для  демонстрации  негативного   воздействия   кислотных   осадков   на
микроорганизмы почвы на статическую часть схемы 1 наносят дождевые  капли  с
ионами Н+ около обозначений групп бактерий с надписями  «Бактерии-сапрофиты»
и «Азотфиксирующие бактерии». Последние  прикрепляют  оборотными  сторонами,
на   которых   соответственно   написано:    «Накопление    неразложившегося
органического вещества» и «Обеднение почвы азотом».
    Необходимо рассмотреть влияние кислотных осадков  на  различные  породы
деревьев. Для этого на схеме 1 изображено хвойное дерево, т. к.  именно  эти
деревья наиболее подвержены влиянию кислотных  осадков  [см.  1].  При  этом
происходит усыхание и опадение хвои, что может привести к  гибели  растения,
что и показано заменой здорового дерева на больное.
    Кислотные осадки оказывают  непосредственное  и  косвенное  влияние  на
сокращение численности популяций птиц.
    Для подробного рассмотрения этого аспекта воздействия кислотообразующих
выбросов на биосферу, обратимся к схеме 3 «Воздействие кислотных осадков  на
численность популяций птиц».
    Схема 3
                        Воздействие кислотных осадков
                        на численность популяций птиц
                                    [pic]
    Здесь изображены три вида птиц: сизоворонка, белая куропатка  и  скопа,
которые занесены в Красные книги России и Подмосковья.
    Непосредственное воздействие кислотных осадков на численность популяций
птиц заключается в разрушении ими яичной скорлупы в  кладках,  приводящее  к
гибели  птенцовых  эмбрионов.  Наиболее  подвержены  этому  неблагоприятному
фактору среды  виды  птиц,  открыто  гнездящихся  на  поверхности  земли.  К
таковым относятся сизоворонка и  белая  куропатка  [7].  Яичная  скорлупа  в
основном состоит  из  карбоната  кальция  (91,6–95,7%)  [8],  который  легко
разрушается при подкислении среды:
    [pic]
    Написанное на схеме 3 уравнение предварительно  можно  закрыть  плотным
листом бумаги и попросить ребят самостоятельно его составить.  При  проверке
лист бумаги снимается.
    Необходимо сказать и об опосредованном  влиянии  кислотных  осадков  на
жизнедеятельность птиц. Оно происходит  через  цепи  питания  птиц  с  узкой
пищевой  специализацией,  например  питающихся   свежей   рыбой.   Типичными
представителями этих  видов  являются  птицы,  занесенные  в  Красную  книгу
РСФСР:  белоклювая  гагара,  розовый  пеликан,  кудрявый  пеликан,  хохлатый
баклан, малый баклан, колпица,  каравайка,  скопа,  орлан-белохвост,  стерх,
черноголовый хохотун, рыбный филин [см. 6].  На  схеме  3  изображена  птица
скопа, рядом с которой – рыба, перевернутая  брюхом  вверх,  что  обозначает
уменьшение пищевых  ресурсов;  изображение  другой  рыбы  с  ионами  тяжелых
металлов (Нg2+, Рb2+, Сd2+) показывает отравление птицы через цепь питания.
    Большим  преимуществом  динамической  схемы  1   является   возможность
действовать в обратном порядке.
    Разобрав на уроке способы предотвращения попадания кислотных выбросов в
атмосферу и устранения  последствий  их  воздействия  на  природу,  можно  с
использованием динамической  схемы  1  показать,  как  происходит  улучшение
экологической ситуации.
    Эта   методика   использования   динамического   средства   наглядности
совершенствует  способность  моделировать  ситуации,  развивает   позитивное
экологическое мышление.
    Основными способами предотвращения попадания кислотообразующих выбросов
в атмосферу являются:
    а) очистка топлива перед сжиганием;
    б)    использование    газоочистителей    (скрубберы)    на    заводах,
теплоэлектростанциях;
    в) переход на другие экологически чистые виды топлива.
    Для  демонстрации  на  трубы  теплоэлектростанции  и  металлургического
завода прикрепляют табличку «скруббер» (от  англ.  scrub  –  тереть  щеткой,
скрести). Действие различных по конструкции газоочистителей основывается  на
химических  реакциях  диоксида   серы,   содержащегося   в   дымовых   газах
электростанций, работающих на угле. Соединения,  образующиеся  в  ходе  этих
реакций, можно либо сбрасывать в  отходы,  либо  использовать  как  продукт,
находящий сбыт [9]. После этого с динамической схемы 1  убирают  изображения
дыма и выхлопное облако автомобиля, часть облака с  написанными  уравнениями
химических реакций  образования  кислот  в  атмосфере.  Облако,  на  котором
нарисован катион водорода, можно перевернуть обратной стороной или  заменить
на другое, без  иона  водорода;  со  схемы  1  снимают  и  осадки  с  ионами
водорода.
    Один из способов ликвидации последствий закисления окружающей  среды  –
внесение  в  почву  и  водные  объекты  гидроксида   и   карбоната   кальция
(известкование). На динамическую  схему  1  можно  прикрепить  аппликацию  с
химическими формулами СаСО3 и Са(ОН)2 с указанием направлений внесения  этих
веществ в водный объект и почву.
    Принятие вышеописанных мер приводит к увеличению рН водной и  почвенной
сред до нормы и,  как  следствие  этого,  к  восстановлению  первоначального
равновесия в биосфере. Эти процессы можно  отразить,  постепенно  нанося  на
динамическую схему 1 исходные изображения.
    Таким   образом,   использование   динамической   схемы   1   позволяет
моделировать  многие  процессы,  происходящие  в   природе   под   действием
кислотных  осадков.  При  рассмотрении  вопроса,  связанного  со   снижением
закисления биосферы, эту динамическую схему можно  использовать  в  обратном
порядке.
    [pic]
    1 Используют для своего питания готовые органические вещества
    2 Синтезируют из  неорганических  веществ  все  необходимые  для  жизни
органические вещества

                                 ЛИТЕРАТУРА

    1. Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди и  окружающая
среда. М.: Химия, 1991, 144 с.
    2. Боровский Е.Э. Кислотные осадки. Химия в школе, 2001, № 8, с. 4–11.
    3. Андруз Дж., Бримблекулеб П., Джикелз Т., Лисс П.  Введение  в  химию
окружающей среды. Пер. с англ. М.: Мир, 1999, 271 с.
    4. Москвин А.Г. Экология водоемов России: 100 вопросов –  100  ответов.
М.: Школа-Пресс, 1999, 160 с.
    5. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие.  Ростов-на-Дону:
Феникс, 1996, 512 с.
    6. Красная книга РСФСР (животные). Сост. В.А.Забродин, А.М.Колосов. М.:
Россельхозиздат, 1983, 454 с.
    7.  Красная  книга   Московской   области.   Под   ред.   В.А.Забакина,
В.Н.Тихомирова. М.: Аргус, Русский университет,
    1998, 558 с.
    8. Трунов А.В., Ковнацкий  Ю.К.,  Забиякина  Н.Т.  Учебное  пособие  по
заготовкам, товароведению и технологии яиц и птицы. М., 1947, 480 с.
    9. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего  обитания.  Кн.  2.  Загрязнение
воды и воздуха. Пер. с англ. М.: Мир, 1995, 296 с.


смотреть на рефераты похожие на "Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии"