Методическая копилка

учителя предметов естественнонаучного цикла

Учебный эксперимент
в экологизированном курсе химии

Химический эксперимент – неотъемлемая часть обучения химии. В условиях экологизации химического образования роль эксперимента возрастает. Он становится активным методом изучения окружающей природной среды, формирования и совершенствования знаний в области химии, экологии и охраны природы. 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.

В настоящее время экологизация химического эксперимента идет в двух направлениях:

1) использование аналитических методов для определения состояния природной среды;

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

Раскрыть единство живой и неживой природы поможет объяснение природных явлений и процессов с использованием химического эксперимента, изучение воздействия веществ на живые организмы и экосистемы, разработка экологически безопасного эксперимента.

При разработке химического эксперимента можно использовать различные подходы:

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 учащихся реактивов на безопасные;

химическое содержание эксперимента сохраняется, но оно ориентировано на экологическую проблему;

«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.

Ниже приведены примеры демонстрационных опытов, иллюстрирующие указанные направления.

Демонстрационный опыт 1. Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с медью. Опыт представляет опасность из-за продукта реакции – оксида азота(IV) NO₂ – токсичного вещества. Газ NO₂ поражает альвеолярную ткань легких, вызывает 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 можно использовать 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.

Демонстрационный опыт 2. Взаимодействие этилена с раствором перманганата калия (а не с бромной водой). Для качественной реакции на двойную связь С=С обычно используют бромную воду, которую предварительно получают растворением в воде чистого брома. Бром – сильнейший яд. Как правило, при приготовлении бромной воды учитель или лаборант подвергают свой организм химическому отравлению. Во избежание нежелательных для здоровья последствий лучше исключить контакт с бромом: в качестве реактива на двойную связь использовать раствор перманганата калия.

Демонстрационный опыт 3. Взаимодействие оксида углерода(IV) с раствором гидроксида кальция. Опыт служит иллюстрацией части круговорота углерода в природе, связанной с его изъятием из общего цикла. Происходит связывание газа СО₂ в недоступные для живых организмов карбонаты.

Демонстрационный опыт 4. Действие кислот на карбонаты. В опыте используют скорлупу куриного яйца, на которую действуют раствором соляной кислоты. С помощью известковой или баритовой воды доказывают выделение в реакции углекислого газа. Опыт иллюстрирует факт снижения численности птиц в районах выпадения кислотных дождей.

Демонстрационный опыт 5. 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 6. Способы очистки воды от нефтяного загрязнения. Для очистки воды от нефтяного загрязнения используют различные адсорбенты: пробковую крошку, опилки, измельченный пенопласт, жгуты из пеньки. В обсуждении затрагивают проблему загрязнения Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, а также различные способы очистки поверхности воды от этих соединений.

Демонстрационный опыт 7. Действие на белки минеральных кислот, щелочей, фенола и солей тяжелых металлов. Во всех 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 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.

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.

Тема «Химические реакции» (11-й класс)

В курсе химии 11-го класса проводят обобщение по ряду важнейших тем. Одна из них «Химические реакции». Традиционно эта тема рассматривается на примерах веществ, которые не являются природными. Для учащихся такая информация абстрактна. Однако если предложить школьникам обобщение типов химических реакций, используя экологическую проблематику, то интерес к химии существенно возрастает.

Демонстрационный опыт 1. Действие буферных систем. Буферные системы широко распространены в природе. Сложные буферные системы обеспечивают постоянство pH в водоемах, почвенном растворе, в биологических жидкостях живых организмов.

Значение pH кислотно-основного буферного раствора зависит от концентраций компонентов буферной системы, находящихся в химическом равновесии, и мало изменяется при введении относительно небольших количеств веществ, взаимодействующих с одним из компонентов буферного раствора.

Буферная емкость системы максимальна при равенстве компонентов. Поэтому буферные растворы готовят, смешивая равные объемы растворов обоих компонентов одинаковой концентрации. В природе наиболее распространены карбонатная, фосфатная и ацетатная буферные системы, содержащие слабые кислоты и соли этих кислот.

Доказать, что буферный раствор способен противодействовать изменению pH, можно на опыте. Готовят два раствора: аммонийный буферный раствор и раствор гидроксида натрия с одинаковыми pH (цвет универсального индикатора, добавленного к этим растворам, одинаков). В стакан наливают 10 мл раствора гидроксида натрия и добавляют две капли раствора фенолфталеина. Из бюретки по каплям добавляют 0,1н. раствор соляной кислоты до тех пор, пока не произойдет обесцвечивание фенолфталеина. Записывают, сколько миллилитров 0,1н. раствора соляной кислоты потребовалось для этого. Проводят такое же титрование аммонийного буферного раствора и сравнивают полученные данные. Отношение объемов 0,1н. раствора соляной кислоты, потребовавшейся для одинакового сдвига pH, характеризует буферное действие исследуемого раствора.

Аналогичным образом исследуют образцы воды из водоема, водную вытяжку из образца почвы.

Демонстрационный опыт 2.Антропогенное воздействие на природные системы. Демонстрируют процессы, имитирующие кислотные дожди, закисление водоемов, засоление почв при внесении завышенных доз минеральных удобрений, разрушение яичной скорлупы под действием кислот, угнетение роста растений в условиях избыточного содержания ионов металлов (особенно тяжелых) в почве и др.

Демонстрационный опыт 3. Химическая защита среды обитания. Демонстрируют процессы очищения сточных вод или загрязненных водоемов с помощью коагулянтов (например, сульфата алюминия), одновременной утилизации сернистого газа и сероводорода по схеме:

2H₂S + SO₂ = 3S + 2H₂O

(пример экологически чистой технологии), снижения кислотности водоемов или почвы при известковании (например, при использовании яичной скорлупы) и др.