Экохимическое образование будущих учителей химии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 54(075.5)

ЭКОХИМИЧЕСКОЕ ОБРАЗОВАНИЕ БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ХИМИИ

В.П. АРТЕМЬЕВ

Пензенский государственный педагогический университет, кафедра химии и биохимии

Обосновано значение химического образования в формировании экологического мировоззрения учащихся, дан анализ новых учебников химии с позиций имеющейся в них эколого-химической информации, предложена программа экохимического образования студентов - будущих учителей химии.

Изучение химии играет важную роль в экологическом образовании. Наблюдаемые глобальные изменения в природе многие члены общества связывают с развитием химии. но это не соответствует действительности. В ухудшении экологической обстановки и здоровья большинства людей во многом повинна химическая безграмотность части населения, несформированность системы ценностей в структуре их личности. Поэтому знание важнейших свойств веществ, широко используемых в повседневной жизни, приемов правильного обращения с ними должно закладываться в содержании базового образования по химии. Эти знания необходимы всем учащимся независимо от того, какую профессию они выберут в будущем.

Роль химии в решении экологических проблем на современном этапе значительна, в частности, изучая состав, строение и свойства веществ, химия может ответить, как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, почве, водной среде, какие воздействия оказывает оно и продукты его превращений на биологические системы (Назаренко, 1994).

В процессе обучения студентов химии в вузе и учащихся в школе стоят задачи повысить уровень экологического образования и воспитания, экологической культуры и ответственности обучаемых. В эти понятия вкладывается следующее содержание. Экологическое образование - непрерывный процесс обучения, который направлен на усвоение систематических знаний и умений, обеспечивающих ответственное отношение к окружающей среде. Экологическое воспитание - целенаправленный процесс формирования у школьников установки на бережное отношение к природе. Экологическая культура - наличие у человека определенных знаний и готовности к экологически целесообразной деятельности. Экологическая ответственность - понимание человеком меры свободы в отношениях с окружающей средой. Конечной целью экологического образования и воспитания является формирование экологического мировоззрения.

Различают несколько уровней экологической подготовки обучаемых: информационно-позна-

вательный уровень - уровень просветительства и получение определенных знаний; операционно-деятельностный уровень - формирует экологически целесообразные умения; практико-ориентирован-ный уровень - обеспечивает готовность обучаемых к экологической деятельности.

Химический эксперимент - неотъемлемая часть обучения химии. Его роль возрастает в формировании экологического мировоззрения: он становится активным методом изучения окружающей природной среды, формирует и совершенствует знания в области химии, экологии и охраны природы.

В настоящее время использование химического эксперимента в этих целях идет в основном в следующих направлениях: использование аналитических методов для определения состояния природного окружения; переработка отходов, образующихся в результате химических реакций или утилизация -повторное использование полученных веществ в учебном процессе; разработка экологически безопасного эксперимента

Усиление экологической направленности, предлагаемого в обучении студентов и учащихся химического эксперимента, позволит сделать восприятие теоретического материала более активным, эмоциональным, творческим, будет способствовать формированию у учащихся интереса к химии и экологии (Назаренко, Лучинина 1994).

Проанализировав ряд рекомендованных для обучения химии в школе учебно-методических комплектов на предмет имеющейся в них экологической информации, нами было выявлено незначительное расхождение по объему и форме преподнесения материала с экологической направленностью. Такого материала в школьных учебниках, по нашему мнению, недостаточно, его рассмотрение не везде носит системный характер, превалирует информационно-познавательный уровень подготовки учащихся - уровень просветительства и получение определенных знаний. Несомненно, это связано и с недостаточным количеством часов преподавания химии в школе, что ставит учителя в жесткие временные рамки и позволяет объяснить только основной (базовый) материал.

В качестве примера рассмотрим степень освещения экологического материала для учащихся в учебно-методическом комплекте О.С. Габриеляна.

8 класс (Габриелян, 2003). В учебнике достаточно внимания уделяется таким общим положениям экологической химии, как взаимосвязь интенсивного развития промышленности (химической, машиностроительной, пищевой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей) и загрязнения окружающей среды, а также негативному влиянию этого загрязнения на здоровье людей (§2 с.8). Заостряется

внимание учащихся на проблеме получения чистой воды, возрастании потребности человечества в воде и усилении загрязнения воды в результате производственных процессов (§18, с.65; §25, с.92).

Показана возможность практического применения химических знаний для получения химически чистых веществ и анализа смесей. (§23, с.83; практическая работа №3, с.111). Приведен интересный пример использования платинного катализатора для увеличения полноты сгорания топлива в двигателях, что резко снизило содержание вредных примесей в выхлопных газах автомобилей в Токио и Нью-Йорке (§31, с.126). Эти данные знакомят учащихся с практическим применением новейших научных достижений.

В теме «Скорость химической реакции» предлагается задание, в котором интересно совмещена экологическая информация (гниение газеты идет один год, ржавление консервной банки - 10 лет) с содержанием обучения: «что можно сказать о скорости данных химических процессов и какой практический вывод можно из этого сделать» (§29, с. 118).

9 класс (Габриелян, 2002). В теме о способах получения металлов приводится схема выделения металлов в чистом виде с использованием микроорганизмов. В задании к этому параграфу учащимся предлагается сравнить два метода получения меди: с помощью серной кислоты и с помощью бактерий с позиций их экологической безопасности (§9, с.40).

Автор уделяет достаточно внимания проблеме разрушения озонового слоя и его значению, химическим соединениям, разрушающим его (§15, с.74; §19, с.88).

В параграфе, посвященном химической мелиорации почв, упоминается негативное влияние избытка ионов водорода для растений и микроорганизмов (но не говорится, откуда они берутся) (4, с.206, приложение 2).

10 класс (Габриелян и др., 2002). В задании к теме «Природные источники углеводородов» учащимся предлагается объяснить, почему сжигание нефти, каменного угля и попутного нефтяного газа далеко не самый рациональный способ их использования (§10, с.67).

11 класс (Габриелян, 2003). В 11 классе экологический материал представлен в наибольшем объеме из всех учебников, входящих в комплект.

В теме «Дисперсные системы и смеси» в качестве примера дисперсных систем, отрицательно влияющих на жизнь людей, рассматриваются состав смога и цементной пыли (§8, с.68).

В учебнике имеется целая глава, посвященная значению химии в жизни общества. В ней достаточно подробно рассматривается влияние антропогенного фактора на окружающую среду. Последовательно рассматриваются проблемы охраны атмосферы, водных и земельных ресурсов, влияние моющих, чистящих средств, минеральных удобрений и пести-

цидов на состояние окружающей среды; приводится классификация пищевых добавок, дается понятие о предельно допустимой концентрации (ПДК).

Автор обращает внимание на то, что 90% удобрений попадают в сточные трубы населенных пунктов, информирует о последствиях неправильного использования удобрений в сельском хозяйстве (избыточное содержание нитрит и нитрат ионов; загрязнение водоемов, морей вымывными удобрениями; включение ядохимикатов, применяемых в сельском хозяйстве, в круговорот веществ).

Достаточно подробно описывается токсическое действие ДДТ на организм человека, отрицательные последствия применения других пестицидов. Описаны методы интегрированной системы борьбы с вредителями, что позволяет уменьшить вредное влияние на окружающую среду пестицидов. В § 26 «Химия и проблемы охраны окружающей среды» автор говорит о прямых и косвенных загрязнениях. К содержанию излагаемого материала прилагаются иллюстрации, отражающие типы загрязнений и их источники (рис.51).

Габриелян О.С. описывает источники загрязнения атмосферы (естественные, антропогенные), изменения свойств атмосферы в результате загрязнения (действие S02, N0, Ы02, С02, СО, уменьшение озонового слоя, парниковый эффект), перечисляет методы предотвращения попадания указанных газов в воздушную среду обитания и меры борьбы с загрязнениями атмосферы.

В § 27 «Химия и повседневная жизнь человека» говорится об огромных позитивных возможностях химической науки, но химия может стать и опасной для человека. Поэтому каждый человек должен обладать химическими знаниями. В учебнике описывается вредное воздействие ПАВ (они медленно разлагаются и попадают в сточные воды и в водоёмы). Тут же говорит о методах очистки сточных вод.

В таком объеме экологический материал не представлен ни в одном из изученных комплектов других авторов. Но следует заметить, что экохими-ческие вопросы в учебном комплекте представлены учащимся неравномерно. В учебниках 8, 9, 10 классов этого материала незначительно и представлен он не системно, а в виде отдельных фактов и заданий. Учебник 11 класса содержит целую главу, посвященную экологической проблеме. У учащихся имеется возможность осмысленно с химической точки зрения рассмотреть проблемы защиты окружающей среды при решении учителем проблемы формирования экологической культуры ученика в короткий промежуток времени.

На основе анализа данного и других УМК можно сделать следующие заключения. В современных школьных учебниках экологического материала недостаточно, а представленный материал имеет информационный характер. Крайне редко экохи-мическая информация представлена в выполняе-

мом учеником упражнении или решаемой задачи. К сожалению, при выполнении химического эксперимента с токсичными газообразными и парообразными соединениями не предусмотрены в установках конструкционные детали, поглощающие эти опасные соединения. К примеру, описание химического эксперимента «Горение водорода в атмосфере хлора» авторов Габриелян о.С., Гузей л.С., Кузнецова Н.Е., Минченков Е.Е. можно выразить следующими фразами: «в сухой цилиндр, наполненный хлором, внести зажженный у конца газоотводной трубки водород. При сгорании водорода в хлоре образуется удушливый газ - хлороводород».

Описание химического эксперимента «Окисление оксида азота (II) в оксид азота (IV)» по Кузнецовой Н.Е. представлено так: «цилиндр, заполненный над водой оксидом азота (II) открыть на фоне белой бумаги. Оксид азота (II) при соприкосновении с кислородом воздуха моментально окисляется до оксида азота (IV)».

Недостатком всей экологической программы, заложенной в учебниках, является и тот факт, что учащимся не разъясняется, как использовать полученные в эксперименте жидкие и твердые продукты реакции, как их можно переработать для получения необходимых соединений, к примеру, для дальнейшего использования в кабинете химии. Все эти вещества после проведения опыта, к сожалению, при участии и присутствии учащихся сливается в раковину, т.е. вымываются в окружающую среду. Такого рода действия могут полностью перечеркнуть воспитательный момент от полученной учащимися экологической информации.

При подготовке учителя химии в Пензенском педуниверситете мы реализуем программу экохими-ческого образования и воспитания будущего учителя. Эта программа имеет следующее содержание:

1. Подбор материала с экологическим содержанием и логичное связывание данного материала с изучаемой темой (курсы методики преподавания химии и химии окружающей среды);

2. Подбор и выполнение студентами упражнений и задач для учащихся на экологическую тему (курс химии окружающей среды);

3. Выполнение работ по утилизации вредных для окружающей среды химических соединений, получаемых в процессе проведения школьного химического эксперимента (курс химии окружающей среды);

4. Проведение экологически чистого школьного химического эксперимента, предотвращающего попадание токсичных веществ в окружающую среду. Такие установки могут стать для учащихся наглядными моделями охраны среды обитания (курс методики преподавания химии).

Рассмотрим несколько примеров переработки и использования продуктов химических реакций, проводимых на занятиях химии.

В первом примере (Артемьев, 2001) рассмотрим утилизацию раствора солей хлоридов меди и железа (II) после проведения опыта «Взаимодействие железа с раствором хлорида меди (II)». Приводим содержание проводимых учителем совместно с учащимися действий по недопущению попадания соединений меди в окружающую среду: «В результате реакции СиС1 + Ев = ЕвС1 + Си образуется в растворе смесь ЕвС1 и 2СиС1 голубого цвета, в которую помещают железный пр едмет (гвоздь, скрепку, кнопку) до обесцвечивания раствора. Содержимое пробирки подкисляют несколькими каплями 10% соляной кислоты для предотвращения гидролиза солей. Железные предметы с осевшей медью на их поверхности вынимают и сушат между листами фильтровальной бумаги, медь стряхивают с предметов и собирают, а раствор РеС1, частично окисленный до РеС13, отделяют фильтрованием от кусочков меди. Затем растворы солей подкисляют вновь соляной кислотой и продувают через раствор воздух резиновой грушей

для полного окисления Fе 2+ в Ев з+: 4ЕвСк + О +

2 2

+4ИС1 = 4ЕвС13 + 2Н2О. Полученный раствор хлорида железа (III) желтоватого цвета используют в лаборатории. Собранную медь промывают, высушивают на воздухе и используют в лаборатории».

Во втором примере рассматрим ученический эксперимент получения токсичного хлороводорода реакцией обмена и растворение его в воде (Артемьев, 2001), в котором избыток хлороводорода поглощается активированным углем в стеклянной трубке, его выход в классную комнату исключается.

Поскольку представлена оригинальная конструкция установки получения хлороводорода, отличающаяся от приводимых в разных учебниках, подробно остановимся на содержание работы (рис.1.): «Помещают в пробирку-реактор хлорид натрия (2-3 ложечки для сжигания) и смачивают раствором серной кислоты (3:2) с небольшим количеством ее над солью. Хлороводород при этом не выделяется. Спокойно закрывают пробирку пробкой с газоотводной трубкой, которую соединяют с и-образной трубкой, где налита вода (1/5 ее высоты) и находится синяя лакмусовая бумага. Другое колено и-образной трубки закрывают пробкой со стеклянной трубкой и активированным углем. Пробирку-реактор прогревают и сильно нагревают верхнюю часть реакционной смеси. Уровень воды в правом колене вначале несколько повышается, наблюдается пробулькива-ние пузырьков воздуха. По мере увеличения содержания хлороводорода в газовой смеси пробульки-вание газов замедляется, затем может прекратиться совсем даже при нагревании пробирки-реактора. При несильном нагревании можно наблюдать втягивание жидкости из левого колена в правое колено И-образной трубки. Эти явления можно объяснить интенсивным растворением хлороводорода в воде. лакмусовая бумага краснеет. Реакционную массу нагревают до слабого кипения в течение 1-1,5 мин.

За это время в и-образной трубке образуется соляная кислота достаточной концентрации для проведения опытов с цинком, окидом магния, карбонатом натрия и т. д. Избыток хлороводорода полностью поглощается адсорбентом, воздух в кабинете химии остается чистым.

Рис. 1. Получение хлороводорода и растворение его в воде После получения хлороводорода, нагревание прекращают. Пробку с адсорбентом снимают с И-образной трубки и закрывают ею пробирку-реактор для поглощения остаточного хлороводорода. Установку мыть под вытяжкой после полного остывания системы, залив детали прибора известковой водой».

Ниже приводится информация по использованию и утилизации полученных в опыте продуктов реакции: «Соляную кислоту слить в склянку и использовать в лаборатории. В реакционной пробирке остается смесь сульфата и хлорида натрия, а также серная кислота. Эту смесь после растворения в воде можно использовать для обнаружения сульфат-ионов: Н^04 + ВаС12 = 2НС1 + BaS04 и демонстрации кислой среды с разными индикаторами. Смесь можно также использовать для представления свойств серной кислоты: Н^04+1п=1^04+Н2;

Н^04 + Mg0 = MgS04 + Н20;

Н^04 + Си(0Н)2 = С^04 + 2Н20. Содержащиеся в реакционной смеси другие ионы не мешают проведению указанных процессов.

После проведения названных демонстраций, содержимое пробирок переносят в емкость-нейтрализатор, в котором содержится гидроксид кальция (на дне емкости) и его водный раствор с окрашенным фенолфталеином.

В случае накопления больших количеств исходной отработанной смеси с солями и серной кислотой, ее нейтрализуют известковым молоком, а затем известковой водой до нейтральной среды с фенолфталеином. Все сливают в раковину, так как в смеси отсутствуют токсичные вещества».

любое действие в области защиты окружающей среды связано со специфическими расчетами. Для студентов - будущих учителей химии и учащихся, изучающих химию в школе, важно предложить модели подобных расчетов. Таковыми могут стать расчетные задачи типового и комбинированного характера, в которых описывается конкретная ситуация с загрязнением окружающей среды. Здесь, кроме зна-

комства с расчетными действиями, обучаемых информируют о веществе-загрязнителе, источнике его поступления, способе нейтрализации, предельно допустимой концентрации в окружающей среде и т.д.

Приводим содержание некоторых расчетных задач, предлагаемых студентам в процессе реализации нами программы экохимической подготовки будущих учителей химии. Эти задачи подобраны таким образом, что их решение не представляет трудностей для учащихся, поскольку они составлены с учетом требований школьной программы.

1. Целлюлозно-бумажный комбинат произвел сброс сточных вод. Вычислить объем хлора при нормальных условиях, необходимого для очистки 1000 м3 сточных вод от сероводорода. Концентрация Н^ в сточных водах - 0,05 мг/л.

Решение:

Н/ + С12 ^ S + 2НС1;

т (Н^) = 0,05 мг ■ 106 л = 50 г;

V (НрР) = 1,47 моль; V (С12) = 1,47 моль;

V(Сl2) = 1,47 моль . 22,4 л/моль = 32,93 л.

Ответ: V(С12)=32,93 л.

2. На нефтеперерабатывающем заводе произошел аварийный выброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Масса сброшенных продуктов составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно, что примерная масса воды в озере 10000 т. Токсичная концентрация нефтепродуктов для рыб составляет 0,05 мг/л.

Решение:

С = т/У;

С = 500 кг / 10 . 106 л=500 • 106 мг /10 • 106 л=50 мг/л. Ответ: С = 50 мг/л, что значительно больше токсичной концентрации (0,05 мг/л).

3. В сточных водах химико-фармацевтического комбината был обнаружен хлорид ртути ^С12, концентрация которого составила 5 мг/л. Для их очистки решили применить метод осаждения и в качестве осадителя использовали сульфид натрия (№^) массой 420 г. Будут ли достаточно очищены сточные воды, чтобы допустить их сброс в соседний водоем, содержащий 10 000 м3 воды? ПДК (ЩС12) = 0,0001 мг/л. Объем сточных вод 300 м3.

Решение:

ЩС12 + ^ НgSi + 2ШС1

С (ЩС12) = 5 . 10-3 г/л; Vo = 300 • 10 3 л;

т (ЩС12) = 1500 г; V (ЩС12) = 5,52 моль;

т (Ш^) = 420 г; V (Ш^) = 5,38 моль.

Согласно уравнения реакции в недостатке содержится сульфид натрия, в избытке - хлорид ртути. Останется хлорида ртути 0,14 моль, массой: 0,14 . 271,58 = 38 г. С (^С12) = 38000 мг : 300000 л = 0,127 мг/л. Это число значительно превышает ПДК. Однако при сбросе сточных вод в природный водоем концентрация хлорида ртути понизится и будет равна: 38000 мг : 10 300 000 л = 0,0037 мг/л. Полученное число также больше ПДК. Таким образом, сброс воды недопустим.

4. Выживут ли караси в озере объемом 500 000 м3, в воду которого попало 100 м3 сточных вод сернокислотного завода, содержащих 1600 кг оксида серы (VI). Токсичная концентрация серной кислоты для карасей 138 мг/л.

Решение:

т^03) = 1600 1 03 г;

V ^0) = 20 . 103 моль = V (Н/04);

т (Н^04) = 20 кмоль - 98 кг/кмоль = 1960 кг. С (Н/04)=1960 . 106 мг : 500 100 000 л = 3,92 мг/л. Ответ: С (Н^04) = 3,92 мг/л, что значительно меньше токсичной концентрации.

5. Тетраэтилсвинец - важнейший антидетонатор для двигателей внутреннего сгорания. По имеющимся данным, в ФРГ в 1969 г. в двигателях грузовых машин было сожжено около 15 млн т этилированного бензина. Рассчитайте массу выброшенного в атмосферу оксида свинца (II), если молярная концентрация антидетонатора в бензине составляет 210-3 моль/л, а плотность бензина равна 750 г/л.

Решение:

Уравнение горения:

2РЬ(С2Д5)4 + 2702 = 2РЪ0 + 20Н20 +16С02

тб = 15 4012 г; Vб = тб : р = 151012 г : 750 г/л = 2-1010 л. V (РЪ(С2Д5)4) = Vб • с(РЪ(С2Д5)4) = 2 • 1010 л • 210-3 моль/л = 4107 моль.

По уравнению реакции:

V (РЪ(С2Н5)4) = п(РЪ0) = 4107 моль; т(РЪ0) = V (РЪ0) • М(РЪ0) = 4107 моль-223 г/моль=8,92-109 г.

Ответ: т(РЪ0) = 8920 т.

Мы считаем, что представленная образовательная программа для будущих учителей химии позволит при работе с детьми реализовать как информационно-познавательный, так и практико-ориенти-рованный уровни подготовки обучаемых в системе взаимоотношений человек и окружающая среда.

список литературы:

Артемьев В.П. Химический эксперимент в школе (с утилизацией токсичных соединений): Практические задания по методике преподавания химии. Пенза, ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2001. С. 8. Артемьев В.П. Химический эксперимент в школе (с утилизацией токсичных соединений): Практические задания по методике преподавания химии. Пенза, ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2001. С. 33. Габриелян О.С. Химия-8 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2003. Габриелян О.С. Химия-9 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2002. Габриелян О.С., Маскаев Ф.Н., Пономарёв С.Ю., Терё-нин В.Н. Химия-10 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2002.

Габриелян О.С. Химия-11 // Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: «Дрофа», 2003. Назаренко В.М. Экологизированный курс химии: от темы к теме // Химия в школе. 1994. № 3. С. 13-26. Назаренко В.М., Лучинина Н.В. Школьный химический эксперимент в экологическом образовании // Химия в школе. 1994. №1. С. 69-72.

УДК 371.3:546

разработка Школьного элективного курса «теория и практика химического процесса»

А.М. ЗИМНЯКОВ, М.В. ДУНЮШКИНА Пензенский государственный педагогический университет, кафедра химии и биохимии

Модернизация российского образования предусматривает переход на старшей ступени среднего (полного) образования к профильному обучению. Согласно Концепции профильного обучения значительную роль в самоопределении учащихся играют элективные курсы.

Элективные курсы - важнейшее средство построения индивидуальных образовательных траекторий, так как в наибольшей степени они связаны с выбором каждым школьником содержания образования в зависимости от его интересов, способностей, жизненных планов.

В настоящее время ряд разделов школьной программы химии рассматривается в рамках основной школы недостаточно. Это относится, в частности, к основам термохимии, химическому равновесию, химической кинетике.

В результате у школьников возникают поверхностные, а порой и неверные знания о химическом процессе и закономерностях его протекания. Между тем на вступительных экзаменах в ВУЗы, в ЕГЭ включаются задания, для успешного выполнения которых необходимы глубокие знания по упомянутым выше темам.

Мы разработали элективный курс, включающий задачи с решениями и необходимой теоретической частью, для учащихся по теме: “Теория и практика химического процесса” в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Основы термохимии - необходимое методичес- вые и материальные взаимоотношения этих двух какое звено программы, формирующее целостную ес- тегорий в рамках классификации систем. Связывая

тественнонаучную картину мира. Здесь необходимо тепловые эффекты химических реакций с количеств первую очередь раскрыть понятие о термодинами- вом вещества и решая задачи на применение закона

ческой системе и внешней среде, рассмотреть тепло- Гесса, мы формируем у школьника представление