Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии

Министерство образования российской федерации

Самарский государственный университет

Химический факультет

Кафедра общей химии и хроматографии

Специализация аналитическая химия

Реферат на тему

ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ НА УРОКАХ ХИМИИ

Выполнил студент

4 курса 442 группы

Паньков Павел Петрович

Самара

2003

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

[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 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.