ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ

Выступление на Четвертом Московском
педагогическом марафоне учебных предметов
7 апреля 2005 года

Планетарный, или глобальный, масштаб вносимых человеком изменений в природные условия на Земле, предсказанный еще в начале ХХ в. В.И.Вернадским, уже стал реальностью: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом ставится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого» (Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.
М.: Наука, 1965).

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.

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.

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. 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.

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.

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 биохимических 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.

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.

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

Среднее содержание химических элементов
в живом организме на примере элементов II группы
периодической системы Д.И.Менделеева

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 (размягчение 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.

7. 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.

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.

В качестве примеров проблемных вопросов можно привести следующие:

1. Почему основная масса молекул живых организмов образована атомами шести элементов трех первых периодов? Какие критерии лежат в основе их отбора природой?

2. Почему основа жизни – углерод, а не кремний, его аналог?

3. Почему углекислый газ усваивается растениями в процессе фотосинтеза, а оксид кремния(IV) – нет?

4. Какие индивидуальные характеристики отличают серу и фосфор от их соседа по периоду кремния и позволяют им в отличие от кремния участвовать в биохимических процессах?

5. Существует ли в природе среди химических элементов такая же аналогия, как в периодической системе? Приведите примеры.

6. Возможна ли биологическая взаимозаменяемость элементов в природе, аналогичная химической? Ответ поясните.

В полном объеме эти и другие вопросы могут быть рассмотрены на межпредметном уроке-семинаре «Биогенные элементы и проблема охраны природной среды». Учащиеся готовят модели кристаллических решеток фосфатов кальция и стронция, схему пищевой цепи, по которой происходит передвижение и накопление токсичного элемента (например, свинца), таблицы «Аккумуляция некоторыми растениями токсичных элементов», «Зависимость биологических функций некоторых элементов от их количественных характеристик» (рассматривают двойственную роль веществ в природе в зависимости от их концентрации). Можно организовать самостоятельную работу учащихся в группах по подготовке теоретических вопросов семинара.

Тема «Углеводороды» (10-й класс)

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. Экологизация курса органической химии поможет ввести ученика в этот мир «изнутри» и раскрыть не только особенности строения и свойства биомолекул, но и проблемы, которые возникают у живых организмов, отдельных экосистем и биосферы в целом.

Изучение курса следует начать 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 в них энергии, что очень важно для жизнедеятельности организмов.

Молекулы на основе атомов углерода, помимо прочности, обладают еще подвижностью и гибкостью 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 цепи содержится более пяти сопряженных связей, то такие молекулы поглощают свет видимой части спектра и приобретают окраску.

У учащихся большой интерес может вызвать информация о закономерностях, отражающих взаимосвязи в системе «строение–свойства», на примере проявления веществом токсичности:

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, что в свою очередь не только обусловливает усиление наркотического и токсического эффектов, но и может изменить характер воздействия вещества.

4. Воздействие токсического вещества зависит от его концентрации, что часто обусловлено такими показателями, как летучесть (зависит от температуры кипения) и растворимость (вещество попадает в организм в растворенном состоянии или непосредственно растворяется в жидкостях организма).

Знание перечисленных закономерностей поможет учащимся более осмысленно и целенаправленно подойти к анализу структур органических соединений и прогнозировать их воздействие на живые объекты природы.

При изучении метана приводится информация, расширяющая представления учащихся о его роли в биосфере, использовании в биотехнологии и органическом синтезе. Метан стабилизирует молекулу озона, играет значительную роль в круговороте органического вещества биосферы (гораздо большую, чем углекислый газ, поскольку период существования метана в атмосфере в два раза меньше, чем оксида углерода(IV)).

Метан и другие газообразные углеводороды, поступающие в атмосферу Земли на протяжении тысячелетий, не накапливаются в ней. Основная причина – существование метанокисляющих бактерий, использующих метан в качестве единственного источника углерода. Процессы биологического окисления метана проходят ступенчато:

CH₄ CH₃OH HCOH HCOOH CO₂.

Метан, в частности природный газ, рассматривается как перспективное сырье для создания крупнотоннажной промышленности синтеза белка. Биомасса, получаемая при выращивании бактерий на метане или природном газе, представляет собой продукт, который по ряду показателей не уступает соевой муке или сухому молоку. Содержание белка в биомассе составляет 57–75%. По аминокислотному составу белок метанокисляющих бактерий представляет собой полноценный продукт питания. Причем по содержанию лизина, серосодержащих аминокислот, триптофана и валина биомасса бактерий на метане превосходит биомассу, получаемую на других видах сырья.

Однако в промышленном масштабе биосинтез на основе метана еще не осуществлен. Сложности связаны с аппаратурным оформлением и обеспечением техники безопасности при работе с метановоздушными смесями (процесс аэробный). Возникают и чисто биологические проблемы (такие вещества природного газа, как этан, пропан, бутан, а также продукты трансформации этана – этанол и ацетальдегид, ионы , вводимые в среду, и накапливаемые в процессе денитрификации и нитрификации ионы значительно снижают скорость окисления метана и соответственно снижают скорость роста культур). Все это отражается на продуктивности процесса биосинтеза белка.

При обсуждении вопроса использования метана для получения водорода учащиеся самостоятельно могут назвать метод высокотемпературной конверсии метана с оксидом углерода(IV):

CO₂ + CH₄ 2CO + 2H₂.

Один из продуктов реакции – токсичный монооксид углерода – опасное, загрязняющее атмосферу вещество. Эффективный способ его обезвреживания при получении водорода – каталитическое окисление (катализаторы Cr, Zn, Cu) парами воды:

Образующийся в процессе реакции оксид углерода(IV) поглощается водой или щелочью.

Учащимся предлагается обосновать, почему метан в больших концентрациях опасен для жизни, а затем пояснить, в чем состоит двойственная роль метана в природе.

При характеристике фреонов следует указать, что это газы или легкокипящие жидкости. Они обладают уникальным набором свойств: химически инертные, не горючие, не взрывоопасны и не токсичны, не растворяются в воде, зато растворяются в органических растворителях. Применение фреонов открыло новые возможности для хранения продуктов питания в промышленных и бытовых холодильниках, хранения и дозирования жидкостей (в виде аэрозолей), их используют в системах автоматического пожаротушения (CBrF₃) и как растворители (C₂Cl₃F₃).

Несколько лет назад была выдвинута гипотеза о неблагоприятном воздействии фреонов (главным образом CF₂Cl₂ и CFCl₃) на озоновый слой. Полагают, что фреоны разлагаются под действием ультрафиолетового солнечного излучения с образованием большого числа различных соединений и радикалов типа Cl^·, ClO^·. Эти радикалы активно взаимодействуют с озоном:

O₃ + ClO^· Cl^· + 2O₂.

В присутствии атомарного кислорода радикалы могут катализировать реакции атомов кислорода с молекулами озона:

O3 + Cl· ClO· + O2, O· + ClO· Cl· + O2, _____________________ O3 + O· 2O2.

Расчеты показывают, что скорость образования атомов хлора должна быть максимальной на высоте порядка 30 км. Однако скорости диффузии молекул фреонов от земной поверхности в стратосферу очень невелики из-за их значительной молекулярной массы, поэтому вряд ли фреоны служат причиной разрушения озонового слоя.

Тем не менее в ряде стран было принято решение о сокращении производства фреонов, а в последующем и полном его прекращении. В качестве альтернативных хладагентов, например, можно использовать менее летучие фторхлорметаны, а в аэрозольных упаковках – сжиженные газообразные парафины.

При рассмотрении галогеналканов можно предложить учащимся дополнительную информацию о физиологическом действии некоторых из них, например хлороформа и дихлорэтана.

Хлороформ по характеру действия – наркотик, вызывающий нарушение обмена веществ и поражение внутренних органов, особенно печени. При небольшом отравлении возникают рвота, боли в желудке, нарушение сердечно-сосудистой деятельности. При тяжелом отравлении наблюдаются ослабление дыхания, понижение температуры тела, глубокий наркоз. Хроническое воздействие хлороформа в небольших концентрациях вызывает дерматиты, экземы, желудочно-кишечные расстройства, изменения в печени.

Дихлорэтан действует как наркотик, причем по силе наркотического действия занимает первое место среди галогеналканов. В основном поражается печень. При легком отравлении появляются головные боли, головокружение, тошнота, замедление пульса, увеличивается печень. При тяжелом остром отравлении эти проявления выражены сильнее. Возможен летальный исход. При хроническом отравлении наблюдается поражение печени, сопровождающееся желтушной окраской слизистых оболочек и кожных покровов. При контакте с кожей возникают дерматиты.

Материал о получении ацетилена из метана связывается с экономическими и экологическими проблемами. Анализируя метод окислительного крекинга метана, внимание учащихся обращается на то, что тепло, затрачиваемое на эндотермическую реакцию образования ацетилена, получают за счет сгорания метана в специальных горелках, где при температуре 1600–2200 °C образуется ацетилен:

2CH4 + 3O2 2CO + 4H2O, 2CH4 C2H2 + 3H2, ____________________________________ 4CH4 + 3O2 C2H2 + 2CO + 3H2 + 4H2O.

Кроме ацетилена образуется смесь оксида углерода(II) и водорода, представляющая собой синтез-газ – ценное сырье для органического синтеза (например, метанола). Следует отметить, что это один из перспективных методов получения ацетилена и водорода из метана – плазмохимический, для него характерны полное отсутствие сажеобразования и низкий расход электроэнергии –
4–5 кВт•ч на 1 м³ продукта.

При изучении ароматических соединений следует особо отметить их высокую токсичность. Так, бензол обладает общетоксическим и мутагенным действием, воздействует на репродуктивные функции. Кроме того, он действует на почки, печень, изменяет состав крови (уменьшает количество лейкоцитов, тромбоцитов, красных кровяных телец), нарушает структуру хромосом.

Нитробензол также обладает общетоксическим действием. Вызывает метгемоглобинемию, желтушность белков, физиологические и неврологические расстройства.

Рассматривая материал о пестицидах, следует подчеркнуть, что это, пожалуй, единственный вид загрязняющих веществ, который человек вносит в окружающую среду сознательно. Известно, что во всем мире из-за болезней растений, сорняков и вредителей теряется более трети урожая.

В качестве пестицидов применяют более 600 химических соединений. Инсектициды (против насекомых) и акарициды (уничтожают клещей) – это в основном фосфорорганические соединения (паратион, малатион), а также производные карбаминовой кислоты (севин, карбамат, нортилкарбамат), хлор- и бромзамещенные углеводороды (линдан, гексахлоран, альдрин) и другие вещества. К фосфорорганическим соединениям относятся также хлорофос, трихлофос, байтекс, применяемые для борьбы с комарами и мухами. В ассортимент фунгицидов входят гетероциклические соединения, некоторые неорганические соединения серы. К гербицидам относятся производные триазина, карбаматы, производные карбамида и бензойной кислоты, нитросоединения и соединения мышьяка. (Примечание. Названия соединений даны не для запоминания.)

Среди пестицидов на первом месте по значению и тоннажу до недавнего времени были хлорорганические соединения: гексахлоран, ДДТ, гексахлорбензол, полихлорпинен и др. Их использовали для борьбы с вредителями зерновых, зернобобовых, овощных и технических культур, виноградников, в лесном хозяйстве, ветеринарии. Отличительная черта хлоруглеводородов – стойкость к воздействию различных факторов среды (температура, влага, солнечная радиация); они почти не разлагаются в воде и почве, накапливаются в растениях и животных. Длительное их применение в неограниченном количестве оказывает негативное воздействие на многие стороны биогеоценозов. Большую опасность представляет концентрация пестицидов в цепях питания – возникают хронические отравления с поражением, например, у животных или человека – печени, центральной и периферической нервной системы, других жизненно важных органов и систем.

Серьезную опасность для живых организмов представляет то обстоятельство, что эти чужеродные для природы вещества нередко обладают мутагенным действием (индуцируют хромосомные перестройки, повышают стерильность пыльцевых зерен, например у пшеницы, изменяют популяционный состав). Опасность усугубляется еще и тем, что эти вещества, по существу яды, могут попадать в неконтролируемую человеком природную среду, например в водоемы. Многие пестициды могут вызвать гибель водорослей, зоопланктона, различных личинок, рыб. Так, низкие, но хронические концентрации пестицидов в морской воде вызывают серьезные сдвиги физиологических функций и нарушение эмбрионального развития у бычков, кефали, морской собачки.

Фосфорорганические пестициды при определенных дозах снижают уровень тканевого метаболизма у пресноводных рыб – карпа, осетра, судака, леща. Эти пестициды оказались более токсичными для птиц, чем препарат ДДТ. Их действие проявляется в первую очередь в нарушении репродуктивной функции птиц, гибели кладок, увеличении периодов кладки, насиживания, пребывания птенцов в гнезде.

Многие пестициды действуют на половую систему млекопитающих, снижая их способность к размножению, а при длительном пребывании на загрязненных пестицидами площадях популяции млекопитающих гибнут.

За последние три десятилетия использование пестицидов в нашей стране увеличилось в 7 раз, тогда как урожайность зерновых возросла всего с 11 до 16 ц с га, что связано с возникновением устойчивости у подавляемых видов. Приспособленность насекомых к пестицидам возникает за 10–30 поколений. В настоящее время около 500 видов насекомых устойчивы к применяемым инсектицидам. Бесконтрольное применение пестицидов привело к огромным потерям насекомых-опылителей, насекомых-хищников, которые в естественных условиях являли собой пример биологической борьбы с вредными насекомыми.

Действие пестицидов проявляется в нарушении обмена аминокислот в организме. Это приводит к выделению свободного аммиака, который усиливает эффект отравления. Патологические изменения проявляются в выделении пищеварительного секрета, учащении дыхания. В организме насекомых происходит трансформация токсикантов в более токсичные вещества под влиянием факторов окружающей среды.

Сейчас создаются препараты с высокой избирательной способностью, различной продолжительностью действия (от нескольких часов до многих месяцев). Многие из них под влиянием микроорганизмов, солнечного света, воды и воздуха полностью разлагаются на безвредные вещества. Таковы препараты из семейства пиретринов и их синтетических аналогов – пиретроидов, которые вносят на поля в количестве 5–20 г/га, т.е. в 100–1000 раз меньшем, чем в случае традиционных пестицидов. Вещества, используемые в качестве регуляторов роста (этилен, гетероауксин, этрел, хлорсульфурон, гимексазол, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, абсцизовая кислота и др.), либо малотоксичны, либо вовсе безвредны для человека, животных, рыб и насекомых.

В борьбе с насекомыми довольно широко применяют вещества, которые используются насекомыми или растениями в естественных, природных процессах: репелленты (отпугивают насекомых), антифиданты (в присутствии этих веществ привычный корм становится насекомым не по вкусу), аттрактанты (привлекают насекомых к пище, к месту кладки яиц, помогают самцам в период спаривания найти самок), феромоны (вещества, изменяющие поведение насекомых, среди них феромоны тревоги, мечения территории, половые аттрактанты, а также вещества, регулирующие принадлежность насекомых к определенной касте, и т.д.). Применяют феромоны в крайне малых количествах, обрабатывая ими небольшую часть угодий. Так, для охраны примерно 4000 га садов от плодожорки достаточно обработать всего 400 га. Аттрактанты можно использовать при конструировании ловушек для насекомых (причем в экологическом отношении такие ловушки полностью безвредны), а также обрабатывать этими веществами гранулы удобрений для отвлечения вредителей от семян и всходов.

Учащимся может быть предложена экологическая игра, в которой анализируют последствия воздействия пестицидов на пищевую цепь: травянистые растения – грызуны (кролики, мыши) – хищники 1-го порядка (лисы, ласки) – хищники 2-го порядка (беркут).

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Какие химические методы используют для обезвреживания газов, содержащих ароматические соединения?

2. Какие природоохранные мероприятия могут быть использованы при применении пестицидов?

3. Составьте схему опосредованного влияния пестицидов на человека.

4. В чем состоит двойственная роль химических средств защиты растений?

5. Приведите пример нарушения какой-либо экосистемы в результате хозяйственной деятельности человека. Какие природоохранные мероприятия следовало бы осуществить, чтобы избежать этого нарушения?

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.

Экологизация программного эксперимента осуществляется в трех направлениях:

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;

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.

Игры в экологическом образовании

В экологическом образовании приоритетными методами считаются методы игрового активного обучения. Различают три группы игр:

1) игры, вводящие в суть проблемы охраны природы;

2) игры, инициирующие творческую активность учащихся в области поиска конкретных решений экологической проблемы;

3) игры, позволяющие получить практические навыки по изучению и оценке экологического состояния местности, моделированию экологического благополучия данной территории, проведению экологической экспертизы, коллективному обсуждению проблемы и путей ее решения.

Ниже приведены примеры игр, используемых на уроках.

Игра 1. «Экологическая экспертиза» (обучение анализу текстов)

В классе формируют группы по 5–6 учащихся. Каждая группа получает одинаковый по содержанию текст об экологическом состоянии конкретной местности и анализирует его только в рамках указанного для нее направления: 1-я группа – почва; 2-я группа – воздух и состояние атмосферы;
3-я группа – вода; 4-я группа – состояние флоры; 5-я группа – состояние фауны. Затем от каждой группы зачитывается часть текста, которая отражает конкретное направление.

Задание состоит в том, что все участники игры должны определить характер предприятия, расположенного в данной местности, технологическую схему производства, потоки вредных выбросов и идею создания экологически безопасного производства.

Игра 2. «История погибшего озера» (или любого другого природного объекта: луга, дубравы, реки...)

Ученикам предлагается ситуация: на берегу озера расположено химическое предприятие (указывается какое), деятельность которого привела к гибели этого природного объекта.

Задание 1. Восстановите последовательную цепь событий, начиная с того момента, когда озеро было живым, и заканчивая его гибелью.

Задание 2. Предложите меры по восстановлению мертвого озера, если известно, что источники, питающие его, остались живыми (мелкие лесные ручьи, подземные грунтовые воды).

Игра 3. «Найди ошибку»

Команды (по 4–5 учащихся) получают схему производства. В схеме допущены ошибки (технологические, химические, нарушение техники безопасности), из-за которых нанесен ущерб окружающей природной среде или здоровью человека. За отведенное время команды должны найти эти ошибки, указать пути их устранения и способы ликвидации последствий загрязнения из числа тех, что перечислены на листе задания. Выигрывает команда, быстрее всех справившаяся с заданием.

Игра 4. «Туристическая тропа»

В игре используется карта реальной или вымышленной местности (готовится заранее группой учащихся). Формируются две группы – проводников (сотрудников туристического бюро) и экологов. Задача первой группы – проложить такой маршрут, который позволил бы познакомить экскурсантов со всеми достопримечательностями. Вторая группа составляет правила поведения туристов на маршруте, обозначает места запрета для посещения, зоны тишины и рекреационные участки.

Группы проводников и экологов согласуют свои требования во время обсуждения, оформляют необходимый «документ» и передают в туристическое бюро.

Контролирующие задания
с экологическим содержанием

Процесс обучения включает в себя важный этап – контроль знаний и умений. С помощью контроля можно оценить соответствие реально полученных результатов обучения запланированным. Цели экологического образования придают этому этапу некоторую специфику, поскольку у учащихся должна быть сформирована не только система знаний и умений в области изучения окружающей природной среды, но и система отношений к экологическим проблемам. Обычно используют задания четырех типов.

Задания 1-го типа – с выбором ответа из нескольких предложенных. Ученик выбирает один вариант решения проблемы в соответствии со своей нравственной позицией. Такие задания позволяют подвести учащихся к оценке «добра» и «зла» в отношении природы в целом или ее отдельных объектов.

Задания 2-го типа: ученики должны самостоятельно решить какую-либо экологическую проблему. Такие задания дают возможность определить способность ученика абстрагироваться, анализировать ситуацию, а также позволяют оценить степень ответственности, которую он может взять на себя.

Задания 3-го типа предусматривают оценку экологической ситуации, прогнозирование возможных последствий и выбор природозащитных мер. Подобные задания позволяют оценить глубину знаний учащихся и понимание ими природных закономерностей, поведения биологических систем в условиях антропогенного пресса, а также их умение выбрать способ защиты природной среды от загрязнения и деградации.

Задания 4-го типа требуют объяснения явлений и процессов, происходящих в природной среде самопроизвольно или вызванных хозяйственной деятельностью человека. Такие задания позволяют оценить умения учащихся переносить химические знания в сферу экологических проблем.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ 1-ГО ТИПА

Задание 1. После окончания лабораторной работы по химии ваш товарищ вылил использованные реактивы в раковину, а не в специально приготовленную для этих целей емкость. Как вы поступите:

а) выльете свои реактивы туда же, куда и он;

б) объясните ему, почему этого не следует делать;

в) расскажете о его действиях учителю?

Задание 2. Как вы поступите, если, прогуливаясь по берегу водоема, увидите ржавое ведро возле старого кострища:

а) очистите берег, выбросив ведро в воду;

б) не обратите на него внимания;

в) отнесете ведро на ближайшую свалку или закопаете его в землю?

Задание 3. Один из путей защиты биосферы от загрязнения – очистка отходящих газов и сточных вод на промышленных предприятиях. Современные очистные сооружения достаточно эффективны, но дорогостоящи. Как вы поступили бы, если бы были директором крупного завода и имели в своем распоряжении значительную сумму денег:

а) положили бы деньги в банк для уплаты штрафов за загрязнение окружающей среды – это выгоднее (по деньгам) строительства очистных сооружений;

б) вложили бы деньги в строительство очистных сооружений;

в) часть денег вложили бы в расширение производства, а часть использовали бы для увеличения зарплаты рабочим?

Задание 4. Вы – заместитель директора фабрики резиновых игрушек. Вам предложили новую краску, содержащую кадмий, более дешевую и яркую, чем та, которая есть на фабрике. В результате ее использования фабрика получит большую прибыль. Как вы поступите, если знаете о токсичности красителей, содержащих кадмий:

а) согласитесь с директором на покупку новой краски;

б) будете против этого решения;

в) пойдете на компромисс и предложите выпускать 50% игрушек с использованием новой краски и 50% – старой?

Задание 5. Мальчик в отсутствие родителей разбил градусник. Как ему поступить:

а) выбросить остатки градусника в ведро, чтобы их не увидели родители;

б) вызвать представителей СЭС;

в) оставить все, как есть, до прихода родителей?

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ 2-ГО ТИПА

Задание 6. Вам выданы образцы воды, взятой из разных источников (они указаны на этикетках). Предположительно в них содержатся ионы: Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺. Составьте план их определения. Предложите способы очистки воды от этих ионов. Каковы будут ваши действия, если концентрация указанных ионов в образцах будет слишком высокой (значительно превышать ПДК)?

Задание 7. Вы с родителями едете на машине за город, останавливаетесь у водоема и видите, что возле кромки воды стоит грязная машина, которую собираются вымыть. Ваша машина тоже требует мойки. Ваши действия? Почему именно так вы поступите? Предложите план исследования, иллюстрирующего действие нефтепродуктов (масел, бензина) на живые организмы.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ 3-ГО ТИПА

Задание 8. На заводе, производящем свинцово-никелевые аккумуляторы, произошел аварийный сброс сточных вод в закрытый водоем. Оцените экологическую обстановку в водоеме. Каковы вероятные последствия для обитателей этого водоема и для здоровья человека (при условии, что человек пользуется ими)?

Задание 9. Проследите «судьбу» элемента фосфора в биосфере. Укажите химическую формулу его соединения в каждой «точке покоя». Опишите эпизод, в котором элемент фосфор тем или иным путем попадает в озеро. Предположите последствия, которые повлечет за собой накопление этого элемента в водоеме.

Задание 10. Назовите антропогенные источники биогенного элемента фосфора в водоеме. Оцените возможные экологические последствия. Предложите пути возвращения элемента в круговорот и сохранения водной экосистемы.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ 4-ГО ТИПА

Задание 11. Почему в зимнее время в водоемах сохраняется жизнеспособность их обитателей?

Задание 12. Объясните факт отравления людей съедобными моллюсками, выловленными из загрязненной нефтепродуктами зоны моря.

Задание 13. Круговорот азота может быть нарушен, если в почве будет:

а) избыток азотных удобрений;

б) высокая концентрация ионов водорода;

в) недостаток влаги;

г) плохая аэрация;

д) низкая температура;

е) избыток ионов меди.

Объясните, в чем проявляется действие каждого фактора. В каких «точках» цикл может разомкнуться?

Задание 14. Какие процессы могут привести к снижению доступности для наземных растений следующих ионов:

Задание 15. Элемент магний входит в состав зеленого пигмента хлорофилла. В питательной среде, в которой выращивается растение методом гидропоники, вместо ионов магния присутствуют ионы кальция. Вызовет ли это какие-либо изменения в растении? Если да, то какие и почему? Какие причины могут обусловить аналогичный процесс в природной среде?

В случае выбора учащимися «безразличных», негативных или неверных ответов, следует организовать обсуждение предложенных ситуаций (проблем), убедить учащихся в ошибочности их оценки и подвести к правильному решению.

Например, предложена ситуация: «У Ивана Петровича есть машина. При работе двигателя содержание угарного газа в выхлопных газах превышает установленную норму в три раза. Иван Петрович решил:

а) не буду ездить на машине, пока не отрегулирую карбюратор;

б) буду ездить на машине только иногда, если уж очень нужно;

в) всего-то в три раза больше нормы, буду ездить на машине до следующего техосмотра или до первого штрафа.

Какое решение должен принять Иван Петрович?»

Предположим, что выбран ответ «б» или «в». Темой обсуждения становится проблема загрязнения воздуха выхлопными газами автомобиля, и в частности угарным газом СО. Рассматривается действие газа СО на организм человека: образование в крови карбоксигемоглобина – прочного соединения, диссоциация которого в 3000 раз меньше, чем оксигемоглобина, и, как следствие, снижение обеспечения тканей организма кислородом. Учащиеся должны усвоить, что в основе деятельности человека по отношению к природе лежит принцип «Не навреди!».

При разборе некоторых ситуаций целесообразно, чтобы учащиеся проводили химический эксперимент. Например, в такой ситуации: «Представьте себе, что территория вокруг химкомбината, производящего минеральные удобрения и некоторые химреактивы, из-за нарушения условий складирования готовой продукции загрязнена следующими веществами: хлоридом алюминия, нитратом аммония, сульфатом натрия. Какая будет там почва – кислая, шелочная, нейтральная? Какие меры следует принять?»

Реакцию среды раствора каждой соли учащиеся могут определить индикатором и в подтверждение результатов эксперимента написать соответствующие уравнения реакций гидролиза солей.

Контролирующие задания должны соответствовать уровню сформированности экологических знаний у учащихся и обязательно затрагивать эмоциональную, нравственную и поведенческую стороны личности каждого из них.

В.М.НАЗАРЕНКО,
профессор Московского педагогического
государственного университета