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 Влкислотные осадкиВ». 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, Влкислотный дождь тАУ одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды, которую только можно себе представить, опасная болезнь биосферыВ».

Максимальный отрицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят воздушной среде, а через нее тАУ 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 ВлВлияние кислотных осадков на окружающую средуВ», которая состоит из двух частей тАУ 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 тАУ машиностроительные, металлургические заводы (переработка руды, содержащей серу, различные химические технологические процессы тАУ 50% SO₂), теплоэлектростанции (сжигание богатого серой угля, мазута тАУ 40% SO₂) [2].

Кислотные оксиды азота техногенного происхождения (NО, NO₂) образуются из азота воздуха при сгорании топлива, если температура превышает 1000 В°С.

В России около 25% техногенных выбросов оксидов азота происходит при сжигании топлива на предприятиях тепло- и электроэнергетики, столько же тАУ 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%) тАУ 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

Динамическая часть

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 тАУ возле водоема; бактерии-сапрофиты тАУ в почве, слева от изображения водоема; азотфиксирующие бактерии тАУ около корней клевера; здоровое хвойное дерево тАУ 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 тАУ изображение NO_x, 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:

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует кислотный полигидрат SO₂тАв_nH₂O, который часто называют сернистой кислотой Н₂SO₃:

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

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:

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 тАУ 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 7,0тАУ8,5. В летнее время щелочность байкальской воды несколько увеличивается и рН возрастает до 8,0тАУ8,5. 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 ВлРеакция гидробионтов на понижение значений рН в пресноводных водоемахВ» [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 тАУ 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

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 РiСР 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:

Почва тАУ 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 тАУ 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 втАУ аммонификация тАУ осуществляется гетеротрофными микроорганизмами¹.

Биологическое окислениедо называется нитрификацией и происходит в природе при участии автотрофных бактерий².

К биологической азотфиксации тАУ процессу восстановления молекулярного азота до аммиака при помощи фермента нитрогеназы тАУ 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 ВлБактерии-сапрофитыВ» и ВлАзотфиксирующие бактерииВ». Последние прикрепляют оборотными сторонами, на которых соответственно написано: ВлНакопление неразложившегося органического веществаВ» и ВлОбеднение почвы азотомВ».

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 ВлВоздействие кислотных осадков на численность популяций птицВ».

Схема 3

Воздействие кислотных осадков

на численность популяций птиц

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 (91,6тАУ95,7%) [8], который легко разрушается при подкислении среды:

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 РiСР: 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 тАУ 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 ВлскрубберВ» (от англ. scrub тАУ 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 тАУ 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.

Вместе с этим смотрят:

Methods of teaching speech

Modern technologies in teaching FLT

University of Cambridge

WEB-дизайн: Flash технологии

РЖiрархiчна структура управлiння фiзичною культурою i спортом в Хмельницькiй областi у м. КамтАЩянець-Подiльському