Задачи экологического содержания

Аннотация

В статье изложены химико-экологические вопросы и задачи, приведены примеры расчетов задач с химической характеристикой природных объектов и об источниках загрязнения, видах загрязнителей окружающей среды, облегчающие понимание теоретического материала о природозащитных мероприятиях и ликвидации последствий загрязнения.

Совершенствование экологического содержания в курсе химии проведено в двух направлениях: 1) в программе указаны «ключевые» места для его локализации; 2) определен необходимый опорный материал из других предметов, помогающий раскрывать химические аспекты экологии. К сожалению, в учебнометодической литературе еще очень мало задач химико-экологического содержания. Мы хотим познакомить читателей с нашим опытом использования таких задач на занятиях химии для углубления и закрепления экологических знаний.

При составлении химико-экологических задач мы придерживаемся следующих методических требований: 1) условия задач и результат решения должны содержать практически значимую информацию; 2) эта информация должна быть тесно связана с программным материалом и реальными экологическими проблемами; 3) задачи должны быть посильны для обучащихся; 4) решение задач должно опираться по возможности на комплекс знаний по разным предметам; 5) задачи предназначены для использования при проверке, объяснении, применении и совершенствовании знаний.

Химико-экологические вопросы и задачи можно разделить по содержанию на три типа:

1. Задачи с химической характеристикой природных объектов.

2. Задачи об источниках загрязнения, видах загрязнителей окружающей среды.

3.0 природозащитных мероприятиях и ликвидации последствий загрязнения.

Составленные задачи не обязательно должны иметь единственное решение, они рассчитаны на проблемное обсуждение, дискуссию, на поиск рационального пути решения поставленной реальной учебно-познавательной проблемы. Приведем примеры задач различных типов.

I. Задачи о природных объектах

1. В каких природных процессах участвует воздух? Каково его значение на Земле?
2. В каких изученных химических производственных процессах воздух используется в качестве реагента?
3. Схематически изобразите основные звенья круговорота: а) кислорода (б) углерода, в) азота. Как нарушает деятельность людей круговорот элементов? Как человек может управлять природой, не нарушая этот круговорот?
4. Выполнение задания проводится со схемами круговорота (по учебнику или демонстрационному пособию). Рассматриваются основные природные и производственные процессы перехода элементов в системе «атмосфера -гидро- сфера-л итосфера -биосфера ».

Предложите способы определения в природной воде а) нерастворимых и растворимых примесей, б) хлоридов и сульфатов, в) катионов аммония и нитрат анионов, г) катионов железа, свинца и других тяжелых металлов.

1. В каких изученных производственных процессах вода расходуется как реагент?
2. Как определить кислотность почвы?

Ионы водорода могут быть в почвенном растворе (переходят в водную вытяжку) или связаны с почвенным поглотительным комплексом (ПИК), откуда освобождаются в солевой вытяжке:

(ППК) Н⁺+КС1= (ППК)К⁺+НС1

Сначала обучающиеся могут решить вопрос о качественном определении кислотности в водной (актуальная кислотность) или солевой (обменная кислотность) вытяжке почвы с помощью индикаторов. Для количественного определения кислотности почвы пригодна универсальная индикаторная бумага.

Задача об исторических загрязнения и загрязнителях природной среды.

1 Предложите способы обнаружения в природной воде или воде, прошедшей систему промышленной водоочистки: а) избыточной кислотности или щелочности, б) катионов аммония, в) нитрат-анионов, г) нефтепродуктов. Простейшие способы обнаружения примесей нефтепродуктов — радужная пленка на поверхности воды, масляное пятно после высыхания капли воды на фильтровальной бумаге, обесцвечивание подкисленного раствора перманганата калия.

В городе, где начал действовать завод по производству фосфорных удобрений из апатитового концентрата, жители заметили, что оконные стекла постепенно тускнеют. Объясните возможные причины этого явления, напишите уравнения реакций, вызывающих такое воздействие.

Решение: Перерабатывается фторапатит Саз(Р04)₂‘СаҒ₂

Саз(Р04)₂-СаҒ₂+ЗН₂504 = Ca(H₂P0₄)₂+3CaS04+2HFT

4HF+SiO₂ = SiF4?+2H₂0

Стекло в результате взаимодействия с HF становится матовым.

1. В состав отходящих газов азотнокислого производства («лисьих хвостов») входят оксиды азота (II и IV). Предложите способы их улавливания, исходя из свойств этих веществ. Напишите уравнения реакций.
2. Биологически активными центрами в молекулах некоторых ферментов являются группы — SH. Объясните воздействие ионов ртути, свинца и других тяжелых металлов на живые организмы.

Ионы тяжелых металлов взаимодействуют с гидросульфидными группами (сера-донор, металл-акцептор электронных пар), в результате чего нарушается третичная структура фермента, и он становится неактивным. Происходит блокирование ферментов тяжелыми металлами.

1. Что такое «кислые дожди»? Каковы причины их появления? Какое воздействие они оказывают: а) на сооружения из металла и бетона, б) технику, в) почву, г) произведения искусства из металла, мрамора, известняка.
2. Мраморные и бронзовые произведения искусства подвержены влиянию факторов загрязнения окружающей среды. Какие вещества вызывают их разрушение? Напишите уравнения реакций.

При ответах на задачи 5 и 6 следует указать факторы загрязнения атмосферы: пыль, кислотообразующие вещества (оксиды серы (IV) и (VI), сероводород, оксиды азота), агрессивные жидкости в аэрозольном состоянии и др. Причины разрушения могут быть различными: 1) механическое разрушение 2) химическое взаимодействие (растворение в кислотах), 3) образование гальванических пар и электролитов, усиливающих электрохимическую коррозию различных металлов. Эти задания могут быть предложены для защиты на занятиях- конференциях.

III. Задачи о природозащитных мероприятиях

1. Познакомьтесь с составом сточных вод металлургического завода на экскурсии в цехах: коксохимическом, доменном, мартеновском и прокатном. Предложите и обоснуйте проекты их очистки и использования. Свой проект защитите на занятии-конференции по охране природы.
2. Какие основные и побочные продукты можно получить при комплексной химической переработке: а) хлорапатита Cas(PCU)Z^-CaCh б) халькопирита CuFeSz, в) карналлита KCrMgCh^-GHzO. Напишите уравнения реакций. Назовите продукты и области их возможного использования. Защитите свои проекты на занятии- конференции по комплексному использованию природного сырья.
3. Схематически изобразите использование газов: а) переработки и крекинга нефти, б) коксохимического производства, в) доменного и мартеновского производств, г) производства цветных металлов из сульфидных руд, показав взаимосвязь химических производств и комплексное использование сырья. Защитите свой проект на студенческих конференциях.
4. Как защитить произведения искусства из мрамора и бронзы от губительного действия загрязненной атмосферы? Разработайте конкретные проекты защиты и обменяйтесь мнениями на занятии.

Приведем фрагменты занятий с использованием химико-экологических задач.

Урок по теме «Состав воздуха» начинаем с демонстрации опыта, показывающего, что воздух-смесь газов. После выяснения наличия постоянных (азот, кислород, углекислый газ, инертные газы) и переменных (водяные пары, микроорганизмы, пыль) частей воздуха выступают с сообщениями обучащиеся. Они рассказывают о том, что на каждого жителя Земли приходится 2 млн. т воздуха, а вес земной атмосферы составляет 5'10¹⁵ т, о постоянном составе атмосферы, который поддерживается непрерывным круговоротом азота, кислорода, углекислого газа, о применении воздуха в хозяйственной деятельности челове е После обсуждения процесса горения рассматриваем факторы, вызывающие загрязнение атмосферы. Приводим примеры, доступные для обучащихся: крупная ТЭЦ выбрасывает в атмосферу до 300 т золы в сутки, автомобиль — 800 кг монооксида углерода в год. Удвоение показателей загрязнения атмосферы сокращает срок службы промышленного оборудования в полтора раза, а урожайность, на пример пшеницы, более чем на 50 %.

В заключение рассматриваем общие методы борьбы с загрязнением воздуха, мероприятия направленные на оздоровление окружающей среды.

Для закрепления материала темы обсуждаем вопросы и решаем задачи:

1. Как очистить воздух от пыли, от избытка углекислого газа?

2. На новогодние праздники были вырублены елки с площади 20 га. Какой объем кислорода могли бы выделить эти деревья в течение года? (В среднем можно допустить, что один гектар хвойного леса выделяет 10 кг кислорода в сутки. Вычисления вести для н. у.). После решения задачи делаем вывод о необходимости охраны лесов.

В начале занятий по теме «Применение кислорода. Получение кислорода в лаборатории и промышленности. Понятие о катализаторах». Демонстрируем получение кислорода из перманганата калия и пероксида водорода (с катализатором). После просмотра фрагмента диафильма

«Вещества - невидимки» обучащиеся обсуждают вопрос о применении кислорода. Имеющийся некоторый жизненный опыт позволяет им сравнительно легко указать области применения кислорода на основе его свойств. Обучащиеся решают задачу: «Крупная тепловая электростанция сжигает в сутки 1000 т угля. Состав угля 84% углерода, 3,75% серы, 5% влаги и 2,5% негорючих примесей. Какова должна быть площадь леса чтобы восполнить потери кислорода, расходуемые на сжигание топлива, если 1 га леса выделяет в сутки примерно 10 кг кислороды?».

После этого проводим небольшую беседу о зеленых насаждениях. Беседа подтверждается яркими примерами: одно большое лиственное дерево очищает воздух, загрязненный 60—70 автомашинами; береза и ель живут до 200 лет вишня - до 400 лет, сосна и тополь - до 500 лет.

На уроке «Оксид серы (IV) и оксид серы (V)» изучение кислородных соединений серы начинаем с закрепления знаний о сероводороде. После фронтальной проверки знаний о качественном составе, свойствах и способах получения сероводорода анализируем задачу, которую решали дома: «В радиусе 2 км вокруг химического завода ощущается легкий запах сероводорода. Анализ проб воздуха, отобранных с вертолета, показал, что газ находится в атмосфере на высоте до 2,0 км. Средняя концентрация сероводорода в воздухе составляет 1/20 промышленно допустимой концентрации (ПДК), равной 0,01 мл/л. Сколько тонн серной кислоты (считая на безводную) можно было бы получить, если бы удалось уловить весь сероводород в этом пространстве? Для решения воспользуйтесь формулой объема полусферы: V=4/ 6nR³.

Решение: Объем полусферы вокруг завода равен:

4/6' 3,14  2³ = 16,75(км³) = 1,675’IO⁹ M³.

ПДК сероводорода составляет 0,01 л/м³. Содержание сероводорода в этом объеме равно:

1,675'IO⁹ м³  10’² л/м³’ 1/20 = 0,084- IO⁶ л = 8,4’IO⁴ л = 84 м³.

Расчет проводится по стехиометрической схеме:

Нг5^ H2SO4

22,4 м³—> 98 кг х=(84 м³  98 кг)/ 22,4 M³ = 367,5(кг).

84 м³ х

Обсуждаем возможные варианты очистки загрязненного сероводородом воздуха, практическую возможность их применения.

Новую тему начинаем демонстрацией горения серы и обсуждением состава полученных продуктов, их применения, причин загрязнения атмосферы сернистым газом (выбросы ТЭЦ, предприятий целлюлозно-бумажной промышлености, газовых комплексов, химзаводов) и образования «кислых дождей», экологических и экономических последствий антропогенного воздействия на природу.

На примере производства цветных металлов из сульфидных руд рассматриваем сущность малоотходных и безотходных технологических процессов.

На занятий «Ацетилен, его применение и получение» при переходе от характеристики свойств ацетилена к его применению обучающиеся уточняют: если свойства - функция состава и строения вещества, то применение - функция свойств. Обучащиеся решают задачу: ацетилен-воздушная смесь становится взрывоопасной при содержании в ней ацетилена от 2,3 до 80,7 % по объему. Для анализа на взрывоопасность 10 л смеси пропустили через две склянки: в первой содержался подкисленный серной кислотой раствор перманганата калия, во второй - известковая вода. Масса образовавшегося осадка по объему оказалась равной 4,6 г. Взрывоопасна ли указанная смесь?

Решение:

X л 4,6 г

1) СОз +Са(ОН)з = СаСОг], +НгО; х= 1л

22,4 100г

2) 2 KmnO₄ + 3H₂SO₄ + С2Н3 = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 2С0г( + 4Н₂О; у=0,5л. 1 л 2 л

Расчеты показывают, что в 10 л смеси содержится 0.5 л С2Н2, что соответствует 5%. Значит, смесь взрывоопасна! Обсуждаем меры предупреждения выброса ацетилена в воздух.

Приведенные примеры показывают, как на уроках химии, включая решение практически значимых задач, можно совершенствовать экологическое образование обучащихся.

Список литературы

1. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. -M.: Высш.LUK., 2003.-300 с.
2. Мухленов И.П., Авербух А.Я. Общая химическая технология . -M.: Высш.шк., 1984. Т.1-2, -216 с.
3. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. -M.: Химия, 1999, - 472 с.