Реферат: Моделирование экологических проблем и способов их решений на уроках химии

Реферат: 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

Динамическая часть

Кроме антропогенных источников кислотообразующих выбросов в статической части

схемы 1 изображены различные природные среды обитания живых организмов:

гидросфера, атмосфера и литосфера. Гидросферу можно представить в виде пруда

или озера, в которых обитают различные живые организмы. Литосфера изображена

в виде почвы и наземной растительности.

Все изменения в окружающей среде при действии кислотных оксидов представлены в

динамической части схемы 1.

Элементы динамической части схемы изображают на плотной бумаге и прикрепляют

к статической части схемы 1 с помощью булавок по мере объяснения материала.

До начала объяснения воздействия кислотных осадков на различные среды

обитания организмов на статической части схемы 1 прикрепляют следующие

условные изображения: фито- и зоопланктон, моллюск, водоросли и значение

рН = 7,5 – возле водоема; бактерии-сапрофиты – в почве, слева от изображения

водоема; азотфиксирующие бактерии – около корней клевера; здоровое хвойное

дерево – справа от автомобиля.

Объяснение материала необходимо начать с рассмотрения антропогенных источников

кислотообразующих выбросов, прикрепляя к башням ТЭС и трубам металлургического

завода аппликации с изображением дымовых выбросов SO2 и NO2

, а к выхлопной трубе автомобиля – изображение NOx,

показывающее дымовое выделение оксидов азота (NО2 и NО).

После попадания оксидов серы и азота в атмосферу необходимо рассмотреть

процессы, приводящие к образованию кислотных осадков.

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений,

ведущих к образованию кислот. Частично диоксид серы в результате

фотохимического окисления превращается в оксид серы(VI) (серный ангидрид) SО

3:

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

Основная часть выбрасываемого диоксида серы во влажном воздухе образует

кислотный полигидрат SO2•nH2O,

который часто называют сернистой кислотой Н2SO3:

Сернистая кислота во влажном воздухе постепенно окисляется до серной:

Аэрозоли серной и сернистой кислот конденсируются в водяном паре атмосферы и

становятся причиной кислотных осадков. Они составляют около 2/3 кислотных

осадков. Остальное приходится на долю аэрозолей азотной и азотистой кислот,

образующихся при взаимодействии диоксида азота с водяным паром атмосферы:

Методика проведения данной части урока может быть различной: объяснение и

составление уравнений учителем, дописывание правых или левых частей уравнений

учащимися или самостоятельное написание уравнений превращений кислотных

оксидов в атмосфере.

Работа со схемой 1 выражается сначала появлением (на статической ее части)

облака с уравнениями реакций, а затем – облака с формулой иона водорода. В

схему вносят и различные виды осадков: дождевые капли или снежинки, на которых

написан ион водорода (Н+). Это показывает, что в атмосфере произошли

химические превращения, которые привели к выпадению кислотных осадков.

Далее логично рассмотреть изменения в окружающей среде, которые происходят

под действием кислотных осадков. Начать это объяснение можно с любой среды

обитания.

Средним значением показателя кислотности большинства почвенных вод, питающих

реки и грунтовые воды, является рН около 8 [3]. Например, концентрация

водородных ионов в озере Байкал соответствует пределам 7,0–8,5. В летнее

время щелочность байкальской воды несколько увеличивается и рН возрастает до

8,0–8,5. Зимой рН близок к 7,0. С глубиной рН снижается, вода приобретает

слабокислый характер [4].

Для создания более конкретных представлений о влиянии рН водоемов на

жизнедеятельность гидробионтов (обитатели пресноводных водоемов) может быть

использована схема 2 «Реакция гидробионтов на понижение значений рН в

пресноводных водоемах» [5]. На этой схеме изображены различные обитатели

водоемов: ракообразные, улитки, разнообразные виды рыб (лосось, форель,

окунь, щука, угорь и др.), водные насекомые, фито- и зоопланктон – и их

реакция на изменения рН воды в диапазоне от 7,5 до 3,5.

Пользуясь схемой 2, учащиеся самостоятельно смогут рассказать об изменениях,

происходящих в водной среде при попадании в нее ионов водорода, и их влиянии

на рН воды. Для этого изготавливаются карточки с различными значениями

водородного показателя (рН = 6,5; рН = 6,0; рН = 5,6; рН = 5,0; рН = 3,5) для

водной среды (см. схему 1, динамическая часть).

Схема 2

Реакция гидробионтов на понижение значений рН

в пресноводных водоемах

По мере понижения значения рН со схемы 1 снимают изображения организмов,

гибнущих при подкислении воды. При рН = 6,0 исчезает изображение моллюсков,

их считают хорошими индикаторами загрязнения. Моллюски ведут донный образ

жизни, причем прикрепляются к определенным участкам дна. Если этот участок

подвержен воздействию загрязняющих веществ (например, тяжелых металлов), то

этот загрязнитель попадает и в организм моллюсков. В Красную книгу РСФСР были

занесены 15 видов моллюсков, относящихся к родам жемчужница и перловица [6].

Затем при рН = 5,6 с изображения водоема снимают одну рыбу, фито- и

зоопланктон и одну водоросль. При достижении рН = 5,0 с изображения водоема

убирают вторую рыбу и водоросли. При рН = 3,5 все нормальные формы жизни в

водоеме исчезают и развиваются патогенные организмы (белый мох). На водоем

наносится карточка с изображением белого мха.

Губительное действие закисления водоемов на различные виды рыб начинается с

рН ~ 6,0, при котором погибают форель, лосось, плотва, поэтому с динамической

схемы 1 можно снять изображение одной из рыб. Окунь, щука, сиг, хариус, угорь

более устойчивы к кислотному воздействию, и их изображение удаляется со схемы

при рН ~ 5,0.

В Красную книгу занесены следующие виды рыб: байкальский осетр, волховский

сиг, байкальский белый хариус, обыкновенный подкаменщик [см. 6].

Необходимо отметить, что на гибель рыб влияет не только закисление водоема, но и

ионы тяжелых металлов (Рb2+, Нg2+, Сd2+) и

алюминия, которые появляются в водоеме из нерастворимых соединений. Символы

этих ионов наносят на изображения водоема (см. схему 1) при рН = 5,0, снимая

изображение второй рыбы. Чрезвычайно токсично действуют на рыб (особенно их

икру и мальков) ионы алюминия, содержание которых быстро нарастает в водоемах

за счет взаимодействия гидроксида алюминия придонных пород с кислотой:

Почва – это особое природное образование, формирование и функционирование

которого невозможно без микроорганизмов, жизнедеятельность последних зависима

от рН среды. Основным органическим веществом почвы, содержащим питательные

вещества, необходимые высшим растениям, является гумус – смесь гумусовых

кислот (гуминовых и фульвокислот), гумина и ульмина. Он образуется в

результате разложения бактериями-сапрофитами остатков растений и животных.

Чтобы сделать доступным для питания растений основные запасы азота в гумусе,

необходимо разложить органическое вещество почвы. Процесс превращения

органического азота почвы в –

аммонификация – осуществляется гетеротрофными микроорганизмами1.

Биологическое окисление

до называется нитрификацией и

происходит в природе при участии автотрофных бактерий2.

К биологической азотфиксации – процессу восстановления молекулярного азота до

аммиака при помощи фермента нитрогеназы – способны как свободно живущие

микроорганизмы, так и симбиотические клубеньковые бактерии, поселяющиеся на

корнях бобовых и некоторых других растений.

Для демонстрации негативного воздействия кислотных осадков на микроорганизмы

почвы на статическую часть схемы 1 наносят дождевые капли с ионами Н+

около обозначений групп бактерий с надписями «Бактерии-сапрофиты» и

«Азотфиксирующие бактерии». Последние прикрепляют оборотными сторонами, на

которых соответственно написано: «Накопление неразложившегося органического

вещества» и «Обеднение почвы азотом».

Необходимо рассмотреть влияние кислотных осадков на различные породы

деревьев. Для этого на схеме 1 изображено хвойное дерево, т. к. именно эти

деревья наиболее подвержены влиянию кислотных осадков [см. 1]. При этом

происходит усыхание и опадение хвои, что может привести к гибели растения,

что и показано заменой здорового дерева на больное.

Кислотные осадки оказывают непосредственное и косвенное влияние на сокращение

численности популяций птиц.

Для подробного рассмотрения этого аспекта воздействия кислотообразующих

выбросов на биосферу, обратимся к схеме 3 «Воздействие кислотных осадков на

численность популяций птиц».

Схема 3

Воздействие кислотных осадков

на численность популяций птиц

Здесь изображены три вида птиц: сизоворонка, белая куропатка и скопа, которые

занесены в Красные книги России и Подмосковья.

Непосредственное воздействие кислотных осадков на численность популяций птиц

заключается в разрушении ими яичной скорлупы в кладках, приводящее к гибели

птенцовых эмбрионов. Наиболее подвержены этому неблагоприятному фактору среды

виды птиц, открыто гнездящихся на поверхности земли. К таковым относятся

сизоворонка и белая куропатка [7]. Яичная скорлупа в основном состоит из

карбоната кальция (91,6–95,7%) [8], который легко разрушается при подкислении

среды:

Написанное на схеме 3 уравнение предварительно можно закрыть плотным листом

бумаги и попросить ребят самостоятельно его составить. При проверке лист

бумаги снимается.

Необходимо сказать и об опосредованном влиянии кислотных осадков на

жизнедеятельность птиц. Оно происходит через цепи питания птиц с узкой пищевой

специализацией, например питающихся свежей рыбой. Типичными представителями

этих видов являются птицы, занесенные в Красную книгу РСФСР: белоклювая гагара,

розовый пеликан, кудрявый пеликан, хохлатый баклан, малый баклан, колпица,

каравайка, скопа, орлан-белохвост, стерх, черноголовый хохотун, рыбный филин

[см. 6]. На схеме 3 изображена птица скопа, рядом с которой – рыба,

перевернутая брюхом вверх, что обозначает уменьшение пищевых ресурсов;

изображение другой рыбы с ионами тяжелых металлов (Нg2+, Рb2+

, Сd2+) показывает отравление птицы через цепь питания.

Большим преимуществом динамической схемы 1 является возможность действовать в

обратном порядке.

Разобрав на уроке способы предотвращения попадания кислотных выбросов в

атмосферу и устранения последствий их воздействия на природу, можно с

использованием динамической схемы 1 показать, как происходит улучшение

экологической ситуации.

Эта методика использования динамического средства наглядности совершенствует

способность моделировать ситуации, развивает позитивное экологическое

мышление.

Основными способами предотвращения попадания кислотообразующих выбросов в

атмосферу являются:

а) очистка топлива перед сжиганием;

б) использование газоочистителей (скрубберы) на заводах, теплоэлектростанциях;

в) переход на другие экологически чистые виды топлива.

Для демонстрации на трубы теплоэлектростанции и металлургического завода

прикрепляют табличку «скруббер» (от англ. scrub – тереть щеткой,

скрести). Действие различных по конструкции газоочистителей основывается на

химических реакциях диоксида серы, содержащегося в дымовых газах

электростанций, работающих на угле. Соединения, образующиеся в ходе этих

реакций, можно либо сбрасывать в отходы, либо использовать как продукт,

находящий сбыт [9]. После этого с динамической схемы 1 убирают изображения дыма

и выхлопное облако автомобиля, часть облака с написанными уравнениями

химических реакций образования кислот в атмосфере. Облако, на котором нарисован

катион водорода, можно перевернуть обратной стороной или заменить на другое,

без иона водорода; со схемы 1 снимают и осадки с ионами водорода.

Один из способов ликвидации последствий закисления окружающей среды – внесение в

почву и водные объекты гидроксида и карбоната кальция (известкование). На

динамическую схему 1 можно прикрепить аппликацию с химическими формулами СаСО

3 и Са(ОН)2 с указанием направлений внесения этих веществ в

водный объект и почву.

Принятие вышеописанных мер приводит к увеличению рН водной и почвенной сред

до нормы и, как следствие этого, к восстановлению первоначального равновесия

в биосфере. Эти процессы можно отразить, постепенно нанося на динамическую

схему 1 исходные изображения.

Таким образом, использование динамической схемы 1 позволяет моделировать

многие процессы, происходящие в природе под действием кислотных осадков. При

рассмотрении вопроса, связанного со снижением закисления биосферы, эту

динамическую схему можно использовать в обратном порядке.

1 Используют для своего питания готовые органические вещества

2 Синтезируют из неорганических веществ все необходимые для жизни

органические вещества

ЛИТЕРАТУРА

1. Заиков Г.Е., Маслов С.А., Рубайло В.Л. Кислотные дожди и окружающая

среда. М.: Химия, 1991, 144 с.

2. Боровский Е.Э. Кислотные осадки. Химия в школе, 2001, № 8, с. 4–11.

3. Андруз Дж., Бримблекулеб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию

окружающей среды. Пер. с англ. М.: Мир, 1999, 271 с.

4. Москвин А.Г. Экология водоемов России: 100 вопросов – 100 ответов.

М.: Школа-Пресс, 1999, 160 с.

5. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие. Ростов-на-Дону:

Феникс, 1996, 512 с.

6. Красная книга РСФСР (животные). Сост. В.А.Забродин, А.М.Колосов. М.:

Россельхозиздат, 1983, 454 с.

7. Красная книга Московской области. Под ред. В.А.Забакина, В.Н.Тихомирова.

М.: Аргус, Русский университет,

1998, 558 с.

8. Трунов А.В., Ковнацкий Ю.К., Забиякина Н.Т. Учебное пособие по

заготовкам, товароведению и технологии яиц и птицы. М., 1947, 480 с.

9. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Кн. 2. Загрязнение

воды и воздуха. Пер. с англ. М.: Мир, 1995, 296 с.