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) SО3:
который реагирует с водяным паром атмосферы,
образуя аэрозоли серной кислоты:
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во
влажном воздухе образует кислотный полигидрат SO2•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 – 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
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.
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.
Ю.А.ЯСНОВА
учитель химии школы № 569;
М.Д.ТРУХИНА,
доцент МПГУ
(Москва)
|