Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии
Министерство образования российской федерации
Самарский государственный университет
Химический факультетКафедра общей химии и хроматографии
Специализация аналитическая химияРеферат на тему
ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ НА УРОКАХ ХИМИИВыполнил студент
4 курса 442 группы
Паньков Павел ПетровичСамара
2003Моделирование 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
[pic]
Динамическая часть
[pic]
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:
[pic]
который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной
кислоты:
[pic]
Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует
кислотный полигидрат SO2•nH2O, который часто называют сернистой кислотой
Н2SO3:
[pic]
Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:
[pic]
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:
[pic]
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
[pic]
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:
[pic]
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 [pic]– аммонификация –
осуществляется гетеротрофными микроорганизмами1.
Биологическое окисление [pic]до [pic]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
[pic]
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:
[pic]
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.
[pic]
1 Используют для своего питания готовые органические вещества
2 Синтезируют из неорганических веществ все необходимые для жизни
органические веществаЛИТЕРАТУРА
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.