Каталог :: Педагогика

Реферат: 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                       
                              
     
     
                       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 – 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) SО
3:
                                
который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:
                                
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует
кислотный полигидрат SO2nH2O,
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 – 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                     
                              
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:
     
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 –
аммонификация – осуществляется гетеротрофными микроорганизмами1.
     Биологическое окисление 
до 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                  
                              
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:
     
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 СаСО
3 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.
     
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.