CC BY
6
УДК: 378.147
Белова Л.Н., Корнеев Д.А., Лазарев В.М.
ТЕРМОХИМИЯ ФОТОСИНТЕЗА И УСТОЙЧИВОСТЬ КЛИМАТА В КУРСЕ «ОБЩАЯ ХИМИЯ»
Белова Людмила Николаевна, кандидат химических наук, доцент кафедры общей и неорганической химии; Корнеев Даниил Александрович, студент 1 курса бакалавриата
Лазарев Валерий Михайлович, кандидат химических наук,профессор кафедры общей и неорганической химии;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва,125047, Миусская площадь, дом 9
Статья посвящена проблеме преподавания разделов «Химическая термодинамика», «Скорость химических реакций», «Равновесие» и «Окислительно-восстановительныереакции» в курсе «Общая химия». Рассматривается значение обобщающих примеров в усвоении теоретических основ химии, применении их на практике и стимуляции проектно-исследовательской деятельности студентов. Анализируется практическое применение в качестве обобщающего примера важнейший для климата на Земле процесс фотосинтеза в растениях.
Ключевые слова: общая химия, обучение, проектная деятельность Belova L.N., Korneev D.A., Lazarev V.M.
PHOTOSYNTHESIS AND CLIMATE SUSTAINABILITY IN THE COURSE OF "GENERAL CHEMISTRY"
Lyudmila Belova, Ph.D., Assistant Professor of General and Inorganic Chemistry; Daniil Korneev, 1st Undergraduate Student
Valery Lazarev, Ph.D., Associate Professor of General and Inorganic Chemistry;
FSBOU "Russian Chemistry and Technology University" by D.I. Mendeleev, Russia, Moscow,125047, Mius Square, house 9.
The article focuses on the problem of teaching sections "Chemical thermodynamics," "Speed of chemical reactions," "Equilibrium" and "Oxidative-restorative reactions" in the course "General Chemistry." The importance of generalizing examples in the assimilation of the theoretical foundations of chemistry, their application in practice and stimulation of the project and research activities of students is considered. The practical application as a general example of the most important process ofphotosynthesis in plants is analyzed as a general example.
Keywords: general chemistry, training, design activities
Дидактика химии как наука о методологии, теории и практике химического образования связана с именами выдающихся химиков мира, которые активно занимались не только решением научных проблем, но и химическим образованием студентов и учащихся в образовательных учреждениях. Это: М. В. Ломоносов, А. Л. Лавуазье, Д. Дальтон, И. Я. Берцелиус, С. Канниццаро, А. М. Бутлеров, Д. И. Менделеев, С. И. Сазонов, В. Н. Верховский и другие.
В 1748 году М. В. Ломоносов организовал первую в мире научную и учебную химическую лабораторию. Он создал химию как науку и стал первым лектором для студентов по физической химии. Аналогичная лаборатория была организована немецким ученым Ю. Либихом только в 1824 году. В работах «Введение в истинную физическую химию», «Риторика», «Слово о пользе химии» изложены идеи М. В. Ломоносова по развитию химии и методам её преподавания. М.В. Ломоносов указывал на
необходимость связи теоретической химии с практикой и с производством.
Позже Д. И. Менделеев в «Основах химии» говорит, что преподавание химии должно строиться на пробуждении творческой активности учащихся, на воспитании у них интереса к учению, на развитии пытливости и самостоятельности в суждениях о научных предметах. Добиться этого можно, применяя следующие приемы актуальные и сегодня:
- изложение теории;
- опытное подтверждение теоретического материала;
- рассмотрение изучаемых явлений во всех связях и развитии;
- обоснование роли химии в картине мироздания;
- изложение способов разрешения научных проблем в истории науки;
- выведение разнообразных следствий из достигнутого решения проблем, важных для
понимания природы и производственной деятельности человека;
- постановка новых проблем и призыв к их решению.
В условиях уменьшения количества часов на изучение программ по предметам естественнонаучного цикла с сохранением объёма их содержания возникает потребность в изменении приемов обучения. Встает вопрос, каким образом организовать процесс обучения, чтобы студенты воспринимали химию как востребованную жизнью ценность, необходимую для формирования целостной картины мира?
В курсе «Общая химия» разделам «Химическая термодинамика», «Скорость реакций», «Равновесие» и «Окислительно-восстановительные реакции» уделяется большое внимание. Эти разделы являются основой для количественных расчетов химических экспериментов. Например, термодинамические расчеты являются не только «украшением» любого экспериментального исследования, но и позволяют получить строгие количественные соотношения. А также ответить на вопросы: является ли изучаемый процесс самопроизвольным при данных условиях; как изменить условия процесса, чтобы добиться желаемых результатов.
В настоящей работе предлагается, помимо изложения перечисленных тем в классическом варианте и решения традиционных задач, обобщить изученный материал, показать, как эти темы взаимосвязаны, используя примеры современных проблем глобального значения. Так М.Х. Карапетьянц, один из заведующих кафедрой общей и неорганической химии МХТИ им. Д.И. Менделеева, для объяснения теоретического материала затрагивал такие проблемы, как тепловая смерть Вселенной, добыча золота из вод мирового океана и другие [1].
Мы. в свою очередь, предлагаем студентам задуматься над актуальнейшей проблемой современности - связи фотосинтеза с устойчивостью климата на Земле. Поясним на примерах семинарских занятий:
1) Просим написать уравнение реакции фотосинтеза
6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2
(Справляются легко);
2) Вопрос: К какому типу эта реакция относится с точки зрения изменения степеней окисления элементов?
Предполагаемый ответ: Это процесс межмолекулярного окисления-восстановления. При фотосинтезе происходит восстановление углерода в углекислом газе и окисления кислорода до молекул.
(Справляются легко);
3) Вопрос: К какому типу эта реакция относится с точки зрения поглощения - выделения теплоты?
Предполагаемый ответ: а) Это эндотермическая реакция, ЛНх.р.>0, т.к. она противоположна реакции окисления глюкозы, или т.к. она идёт на свету.
(Справляются легко).
4) Вопрос: Какие способы определения изменения энтальпии можете предложить?
Предполагаемый ответ: а) По справочным данным энтальпий образования или сгорания, используя первое или второе следствие из закона Гесса; (Справляются легко, выполняя необходимые расчеты)
б) Измерить калориметрически.
5) Вопрос: Как вы это выполните? Что для этого нужно определить?
Предполагаемый ответ: нужно измерить изменение температуры в процессе фотосинтеза или измерить тепловой эффект окисления глюкозы
(Отвечают не сразу!);
6) Вопрос: Как это осуществить?
7) Вопрос: В какой среде протекает фотосинтез?
Предполагаемый ответ: В зелёной массе
растений. Т. е. нужно измерить температуру листьев и окружающей среды.
8) Вопрос: Отличается ли температура листьев и окружающей среды, как вы думаете?
(Первый спонтанный, быстрый и неправильный ответ: нет!)
9) Вопрос: А с точки зрения эндотермичности реакции фотосинтеза, они должны различаться? Температура чего должна быть выше? Листьев или окружающей среды?
Предполагаемый ответ: Температура окружающей среды выше.
10) Вопрос: Есть ли желающие проверить это экспериментально?
Энтузиасты находятся. Обсуждение
откладывается до получения результатов измерения.
11) Вопрос: От каких факторов будет зависеть увеличение скорости фотосинтеза?
Предполагаемый ответ: увеличение площади листовой поверхности, увеличение температуры, увеличение давления углекислого газа. Необходимое условие - воздействие света.
(Справляются легко)
12) Вопрос: Какие факторы и каким образом будут смещать равновесие процесса фотосинтеза в природе?
13) Вопрос: Какие факторы человеческого деятельности увеличивают выбросы углекислого газа в атмосферу? Нарушает ли это круговорот углерода в природе? Как это сказывается на изменении температуры окружающей среды (парниковый эффект) и изменении климата?
14) Вопрос: В виду актуальности этой темы предлагается студентам выполнить проектные работы по поиску решения возврата углерода в природный цикл с целью стабилизации климата.
Примером студенческой исследовательской работы на заданную тему может служить проект Корнеева Д.А. «Использование карбоновых ферм для фиксации углекислого газа». В результате литературного обзора были уточнены лимитирующие факторы, влияющие на процесс фотосинтеза [2-5]:
1) Температура окружающей среды во многом определяет скорость фотосинтеза, который
невозможен при пониженных температурах. Повреждения растений под действием сильно повышенной или пониженной температуры ведут к уменьшению эффективности фотосинтеза или полной утраты этой функции.
2) Свет переводит хлорофилл в возбуждённое состояние, инициирует процессы фотосинтеза и фотолиза воды. Отсутствие света делает процесс фотосинтеза невозможным.
3) При недостатке воды уменьшается тургорное давление в зеленой массе растений и фотосинтез прекращается совсем.
4) Увеличение давления (концентрации) углекислого газа увеличивает эффективность фотосинтеза. Добавление в окружающий воздух 300 см3 СО2 на 1м3 воздуха приведет к росту продуктивности фруктовых деревьев и бахчевых культур — на 24 %, бобовых — на 44 %, корнеплодных — на 48 %, овощных — на 37 %.
С другой стороны, сжигание угля, нефти, газа, использование углерода в восстановлении металлов из оксидов, производство цемента и т. д. вызывает чрезвычайный рост выбросов CO2 в атмосферу. Что, в соответствии с климатическими моделями, увеличит её температуру от 0,3—1,7 X до 2,6—4,8 X на протяжении XXI века.
В проекте рассмотрена возможность использования карбоновых ферм для фиксации CO2. Карбоновыми фермами называют различные сельскохозяйственные методы, направленные на поглощение углекислого газа из атмосферы и его фиксации на длительные периоды времени. В основном карбоновые фермы реализуются путём озеленения огромных вырубленных пространств деревьями, выращиванием больших объёмов морских водорослей [7] и их захоронением в глубинах океана, восстановлением болот [6], захоронением древесного угля (древесной золы от непригодной для фотосинтеза древесины).
В рамках проекта проведен эксперимент по термохимии процесса фотосинтеза. Полученные измерения температуры листьев и окружающего воздуха при помощи тепловизора позволили наглядно проиллюстрировать, что листья травы, кустарника и деревьев имеют температуру на 4 -7 градусов Цельсия ниже, чем окружающая среда (почва, воздух, соседние строения).
На основе полученных данных был сделан вывод, что в листве дуба, сосны, ели более эффективно протекает процесс фотосинтеза по сравнению с другими деревьями, кустарниками и травой. Т.е. они наиболее интенсивно фиксируют углерод и выделяют кислород в средней полосе России. Предложено отбирать породы высаживаемых деревьев на основе скорости их роста и интенсивности фотосинтеза.
Сделан вывод что карбоновые фермы не могут являться полным решением проблемы парникового эффекта, они лишь оттягивают наступление
переломного момента, когда обратить парниковый эффект уже будет невозможно и температура планеты сильно повысится. Поэтому необходимы дополнительные исследования методов фиксации углерода и его хранения на протяжении длительного периода времени.
Для актуализации изучения тем «Химическая термодинамика», «Скорость реакций», «Равновесие» и «Окислительно-восстановительные реакции» рекомендовано использовать реакцию фотосинтеза как процесса аккумуляции энергии солнца и восстановления углекислого газа.
Показаны примеры использования измерения температуры тепловизором для оценки тепловых природных процессов.
Наглядно показан эндотермический характер реакции фотосинтеза, поясняющий учащимся необходимость бережного отношения к зеленым насаждениям, особенно деревьям, что способствует экологическому воспитанию.
Использование актуальных примеров, таких как фотосинтез и устойчивость климата в преподавании развивает любознательность обучающихся, стимулирует их самостоятельную исследовательскую и проектную деятельность.
Список литературы
1. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика [Текст]: [Учебное пособие для хим. вузов]/ М.Х. Карапетьянц. - 3-изд., перераб. И доп. -Москва: Химия, 1975. - 582 с.
2. EPA. Greenhouse Gas Emissions [Электронный ресурс] // U.S. Environmental Protection Agency: сайт.
— URL: https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases (дата обращения 10.04.2021)
3. Устойчивое развитие [Электронный ресурс] сайт. — URL: https://www.un.org/sustainabledevelopment/ru/climate-change/ (дата обращения 10.04.2021)
4. Эффективность фотосинтеза [Электронный ресурс] // Википедия, свободная энциклопедия сайт.
— URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Эффективность_фотосин теза (дата обращения 10.04.2021)
5. Крамер, П. Д. Физиология древесных растений [Текст] / Пол Д. Крамер, Теодор Т. Козловский ; пер. с англ. И. Г. Завадской и др. -Москва : Лесн. пром-сть, 1983. - 462 с..
6. Zedler, Joy B.; Kercher. "WETLAND RESOURCES: Status, Trends, Ecosystem Services, and Restorability"
7. Duarte, Carlos M.; Wu, Jiaping; Xiao, Xi; Bruhn, Annette; Krause-Jensen. "Can Seaweed Farming Play a Role in Climate Change Mitigation and Adaptation?" [Электронный ресурс] // Frontiers in Marine Science сайт. — URL: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2017. 00100/full (дата обращения 10.04.2021)
