Экологическая компонента в школьном курсе химии

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.

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.

1. Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.

2. 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).

3. 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).

4. 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

1. В гомологическом ряду сила наркотического действия и токсичность веществ возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.

2. Разветвление углеродных цепей ослабляет наркотическое и токсическое действие; напротив, при замыкании цепи токсичность веществ возрастает.

3. 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.

4. 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.

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.

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.

7. 
   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.

1. Элементы с четными атомными номерами распространены в природе несколько больше, чем элементы с нечетными атомными номерами.

2. Чем выше температура плавления и плотность металла, тем реже элемент встречается в природе.

3. Распространенность в природе близких по свойствам элементов обычно убывает с ростом их относительных атомных масс.

4. 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).

5. С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, уменьшается доля их участия в обмене веществ (метаболизме) в живом организме.

6. 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.

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

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).

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.

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

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

1. Наблюдение за выделением кислорода при фотосинтезе.

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"

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.

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%).

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.

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.

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.