Экологический урок "Уникальные свойства воды"
методическая разработка (9, 10, 11 класс)

МБУ ДО «Детский эколого-биологический центр»

Нижнекамского муниципального района Республики Татарстан

Разработка интегрированного занятия по теме:

«Уникальные свойства воды»

Подготовила:

Абдрахманова Гульназ Мидхатована

педагог дополнительного образования

г. Нижнекамск, 2018 г.

Пояснительная записка

Актуальность  Запасы пресной воды на Земле строго ограничены, а население и его  нужды неуклонно растут. За последние 100 лет население планеты выросло  в 3 раза, а потребление пресной воды – в 7 раз, в том числе на коммунально-питьевые нужды – в 13 раз. Ряд регионов уже столкнулся с проблемой  нехватки пресной воды, а многие эксперты считают её наиболее острой   глобальной проблемой грядущих десятилетий. Настало время учиться использовать водные ресурсы рационально, бережно и устойчиво. В сложившейся ситуации особую важность имеет формирование экологической культуры населения России. Эта приоритетная задача находится  в зоне постоянного внимания руководства страны. «Экологическая тема  должна стать модной и престижной… Сделать это можно только путём  экологического воспитания, образования», – считает премьер-министр   Д. А. Медведев. Президент РФ В. В. Путин объявил 2013 год Годом охраны  окружающей среды в России. Документ «Основы государственной политики в области экологического развития РФ на период до 2030 года»   уделяет особое внимание механизмам формирования экологической   культуры, развития экологического образования и воспитания.  В связи с этим, проведение экологического урока «Уникальные свойства воды» – это существенный вклад в воспитание ответственного отношения к воде среди населения с самых ранних лет.

Практическая значимость - вместе с педагогами основного школьного образования мы в системе дополнительного образования решаем одну из самых актуальных задач современного образования –  экологическое просвещение школьников с акцентом на повседневные   практики водосбережения.

Новизна - методика интегрированного урока связана с инновационными направлениями образования, в которых информационно-коммуникативные технологии выступают в качестве научно-исследовательской основы урока, включающего в себя элементы творческой лаборатории.

Рассчитана на учащихся старшего школьного возраста 9-11 классов (15-17 лет).

Цель – интегрировать знания о воде и ее значение в природе с точки зрения         химии, биологии и экологии.

Задачи:

1. Учебная – углубить знания об уникальных свойствах воды;
2. Развивающая – развить представление детей о планетарном значении воды;
3. Воспитательная – воспитывать бережное отношение к воде как незаменимой части жизни.
4. Метапредметная – расширение опыта деятельности учащихся на уроке экологии с применением знаний по литературе, краеведению, истории, биологии, способствовать ориентации учащихся в содержании учебного материала, формулированию выводов и собственной точки зрения

Ожидаемые образовательные результаты:

Личностные: формирование основ экологической культуры, коммуникативной компетентности в  сотрудничестве со сверстниками в процессе образовательной, учебно-исследовательской, творческой деятельности.

Метапредметные: формирование умения организовывать  учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками;   работать индивидуально и в группе: находить общее решение,  формулировать, аргументировать своё мнение;

Предметные: формирование представлений о закономерной связи и познаваемости явлений природы, о системообразующей роли физики, биологии и химии для развития других естественных наук; приобретение опыта применения научных методов познания, наблюдения физических явлений, проведения опытов, простых экспериментальных исследований; осознание необходимости применения достижений естественных наук и технологий для рационального природопользования.

Формы работы: фронтальная, самостоятельная, групповая.

Использованные учебно-наглядные пособия: плакат «Необычные свойства воды», мульти-медиа, колбы с водой, пробирки,  реактивы (NaCl - поваренная соль, C12H22O11 - сахароза, KMnO4 - перманганат калия), модель молекулы воды, лед, водные растения (ряска, стрелолист), эмблемы с символикой воды, полоски бумаги с напечатанными свойствами воды, магниты.

Эпиграф к уроку:

Воде была дана волшебная власть

стать соком жизни на земле.

Леонардо да Винчи

Вступление

Биолог: Здравствуйте, вы пришли на занятие, где узнаете, в чем заключаются уникальные свойства воды и каким образом они проявляются в живой природе. А проведем мы его в необычной форме. Информация вряд ли будет для вас абсолютно новой, но мы надеемся, что кое-что новое о воде вы все равно узнаете и сможете использовать эти знания на других предметах, в повседневной жизни. Кроме того, это поможет вам по новому взглянуть на это вещество, а потому бережно использовать и не загрязнять наши водные ресурсы.

Химик: Для начала вспомните, пожалуйста, какие состояния воды в природе вам известны (дети называют: лед, снег, иней, изморозь, роса, море, озеро, град и т.д.). Учитель вручает каждому ответившему эмблему с символикой воды, можно также вписывать в эмблему имя учащегося.

Вода отвечает простой формуле Н2О (мол. масса 18 г/моль). Эта формула знакома всем – даже людям, знающим о химии понаслышке. Чего уж проще – простота эта чуть ли не вошла в поговорку! Но так ли она проста, вездесущая и всем знакомая вода? Нет, это далеко не так.

Многие физические константы жидкой воды (например, плотность, теплоемкость, кислотность водных растворов) приняты как эталон, образец. Ее температуры плавления и кипения долгое время служили точками отсчета стоградусной шкалы температур (0 0С и 100 0С). Значит ли это, что свойства воды обычны, «образцовы»? Нет, совсем наоборот! Трудно найти в природе другое вещество, физические свойства которого были бы так необычны, своеобразны, аномальны. Давайте забудем все, что нам известно о воде, и попробуем «открыть» ее для себя заново.

Известно, что жизнь на нашей планете зародилась в воде и по-прежнему остается тесно с ней связанной (слайд 2). Основные физико-химические процессы происходят в водных растворах. Это еще раз подтверждает уникальность воды и ее фундаментальное значение в живой природе.

Биолог: Воспитанники нашего центра очень  любознательны и постоянно задают своим педагогам вопросы, многие из которых связаны с водой. Поэтому мы собрали наиболее часто задаваемые вопросы о воде от каждого отдела и постараемся сегодня в ходе нашего занятия вместе с вами  на них ответить. Просим вас быть активными и предлагать свои версии ответов, пусть даже и кажущиеся самыми невероятными, ведь рассматриваемые свойства воды считаются аномальными, необычными.

Вопрос №1 (отдел фитодизайн, слайд 3) Здравствуйте, меня зовут Надим, мне 11 лет и я занимаюсь выращиванием комнатных растений. Чтобы они хорошо росли, их нужно правильно поливать. А зачем, с чем это может быть связано?

Биолог: Известно, что в клетках большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Также свойства воды как растворителя означают, что она служит средой для транспорта различных веществ (дети называют примеры  ). Вспомните, в каких системах живых организмов эта роль выполняется (дети называют: кровеносная, лимфатическая, экскреторная системы, пищеварительный тракт и животных, флоэма и ксилема у растений).

Химик:  Многие необычайные свойства воды связаны с ее строением (плакат «Необыные свойства воды»). Молекула Н2О нелинейна, угол между  связями О-Н равен 104,50. Связи эти ковалентные, но они полярны (атомы несут на себе некоторый положительный заряд, атомы О - отрицательный). Поэтому полярна и молекула в целом, она представляет собой диполь (слайды 4, 5). С высокой полярностью молекул Н2О связано и большое значение ее диэлектрической проницаемости и почти не имеющая себе равных способность растворять другие полярные соединения и вызывать электролитическую диссоциацию кислот, оснований и солей. Вода разрывает ионные связи в этих соединениях и образуются положительные ионы (катионы) и отрицательные ионы (анионы). Именно эти частицы и способны проникать через клеточную мембрану, доставляя питательные вещества внутрь клеток, таким образом вода выполняет транспортную функцию.

Благодаря высокой растворяющей способности и химической активности воды большинство реакций в живой и неживой природе протекает в водных растворах и при участии воды. В известном смысле, физика и химия окружающей среды – это физика и химия воды.

Итак, вода – это универсальный растворитель (прикрепляем с помощью магнита к доске полоску бумаги «растворитель»).

Опыт. А для большей достоверности этого вывода, давайте, проведем простой опыт. У меня имеются три «питательных вещества» - соль, сахар, марганцовка. И колбы с чистой водой. Добавьте небольшие количество этих веществ к растворителю, перемешайте и сделайте вывод о том, действительно ли вода является универсальным растворителем (учащиеся проделывают опыт и делают вывод).

Вопрос №2 (зоологический отдел, слайд 6) Здравствуйте, известно, что некоторые животные способны скользить по поверхности воды, а листья многих растений, таких как ряска, стрелолист, кувшинка, буквально лежат на поверхности воды и не тонут. С чем это может быть связано? Маша, 13 лет

Химик: Действительно посмотрите на то, как знакомое нам всем водное растение (его можно увидеть и в домашних аквариумах) – ряска- не тонет в воде, а плавает на поверхности (демонстрация – учитель или ученик опускают ряску в стакан с чистой водой и она не тонет). Чем же это можно объяснить? На поверхности жидкости существует поверхностое натяжение – результат действующих между молекулами сил когезии (сцепления). Вспомните, пожалуйста, какую форму имеет свободно падающая капля воды? (учащиеся отвечают: «шар»). Правильно, потому что силы когезии направлены внутрь капли и капля старается принять такую геометрическую  форму, которая бы имела минимальную площадь поверхности. А это и будет форма шара (интеграция знаний с геометрией). Так вот, из всех жидкостей именно у воды самое большое поверхностное натяжение.

Биолог: Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при  движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет удержаться им на воде или скользить по ее поверхности (показываем рисунки слайда 6). Листья растений удерживаются благодаря большой поверхности листа. Вспомните, пожалуйста, как вам легче пройти по снегу: в обычных валенках или на лыжах? (учащиеся отвечают: на лыжах).

Итак, вода обладает самым большим значением поверхностного натяжения (прикрепляем с помощью магнита к доске полоску бумаги «поверхностное натяжение»).

Вопрос №3 (отдел «Почемучки», слайд 7) Ну, почему же они такие разные и красивые?! Интересно, а можно встретить две одинаковые снежинки? Юные Почемучки, 5 лет

Химик: Вероятно, каждого из вас поражали красота  разнообразие форм снежинок (слайд 8). А знаете ли вы, что за всю историю планеты Земля не выпало двух одинаковых снежинок! Но при всем разнообразии снежинок их химическое строение всегда одинаково (плакат «Необычные свойства воды», внешний вид химическое строение снежинки). Вспомните, какую геометрическую форму имеет снежинка? (учащиеся отвечают: правильный шестиугольник). Правильно. В кристаллической структуре льда каждая молекула Н2О соединена водородными связями с четырьмя соседними. В итого возникает ажурный пространственный каркас. И в ней много «пустот».

Биолог: Формирование пустот зависит от многих факторов, таких как, природная это вода или городская хлорированная, какие сказаны слова воде – хорошие или плохие, даже от звучащей музыки – классическая музыка приводит к созданию прекрасных и хорошо оформленных кристаллов, в отличие от «тяжелого рока». Определенные изменения физических свойств происходят под воздействием внешних полей – это доказано экспериментально. Действие ультразвука уменьшает вязкость воды, а электрическое поле увеличивает скорость испарения. А самое интересное, что после снятия внешних полей вода некоторое время сохраняет вызванные ими аномальные свойства. Эту способность некоторые ученые называют «структурной памятью» воды. Интереснейшее явление, еще до конца не изученное. Может быть именно вам в будущем предстоит научно объяснить этот интересный факт. А сейчас посмотрите, пожалуйста, на эту снежинку (слайд 9).  Это не настоящая снежинка, а люстра, выполненная в форме снежинки, и находится эта люстра в музее воды г. Санкт-Петербург. Такая правильная и удивительно красивая форма снежинки возникла из воды, которой говорили очень знакомое вам всем волшебное слово. Какое, как вы думаете? (учащиеся отвечают: спасибо). Правильно. Поэтому, если мы с вами  хотим, чтобы  нас всегда окружала красота, мы должны не забывать говорить друг другу, вообще природе добрые, прекрасные слова. А кроме того, и думать, и желать другим  тоже нужно только добро, так как вы знаете, что человек на 80% состоит из воды.

        Итак, вода обладает еще одним уникальным свойством - «структурной памятью» (прикрепляем с помощью магнита к доске полоску бумаги «структурная память»).

Вопрос №4 (отдел химико-биологический, слайд 9) Здравствуйте, скажите пожалуйста, почему в умеренно-климатической зоне даже в самые холодные зимы пресные водоемы не промерзают до конца? Адель, 16 лет

Химик: Аномально изменяется и плотность воды при нагревании-охлаждении. Плотность других жидкостей, как правило, при понижении температуры постепенно возрастает и становится максимальной при замерзании. А плотность воды при охлаждении «нормально» возрастает лишь до +4 0С, достигая 1 г/см3 (плакат «Необычные свойства воды, график зависимости плотности воды от температуры»). От +4 0С до 0 0С она немного уменьшается. Плотность же льда резко, скачкообразно уменьшается до 0,91 г/см3 . Таким образом, плотность льда ниже, чем плотность воды, поэтому он и всплывает на ее поверхность. Убедимся в том сами (демонстрация опыта: бросаем пластинку льда в стакан с холодной водой). Учащиеся делают вывод, что лед легче воды.

        Кроме того, низкую плотность льда относительно воды можете объяснить и вы сами, вспомнив структуру кристаллов льда из предыдущего вопроса (плакат «Необычные свойства воды, структура льда). Что находится между самими молекулами воды в структуре льда? (учащиеся отвечают: «пустоты»). Правильно. Вот почему плотность воды сравнительно низка. При плавлении льда часть «пустот» заполняется «одиночными» и «сдвоенными» молекулами Н2О, уже освободившимися из кристаллической решетки. Поэтому плотность воды выше, чем у льда. Такое увеличение плотности продолжается и при нагревании от 0 до +4 0С; но при более высоких температурах начинает преобладать тепловое движение молекул, расстояние между отдельными молекулами Н2О увеличивается, и изменение плотности становится «нормальным».

Биолог: При замерзании лед сначала образуется на поверхности воды, а потом только в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, то в областях с умеренным и холодным климатом жизнь в пресноводных водоемах вообще не могла бы существовать. Покрывая толщу воды как одеялом, лед повышает шансы на выживание у обитающих в воде организмов. Вспомните, ведь лед действительно плохо проводит тепло. Растения, укрытые зимой снеговой шубой, не вымерзают. Лед, снег создают некий «термос жизнеобеспечения». И если бы вода не обладала таким аномальным изменением плотности при охлаждении, то все естественные водохранилища промерзли и все живое могло бы исчезнуть.

        Кроме того, то обстоятельство, что слои воды с температурой + 4 0С, имеющие максимальную плотность, перемещаются в глубину, обусловливает перемешивание различных слоев воды в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют находящиеся в ней питательные вещества, что также способствует выживанию организмов и возможности их заселять различные экологические ниши водоема.

 Итак, вода обладает еще одним уникальным свойством - аномальным изменением плотности при охлаждении-нагревании (прикрепляем с помощью магнита к доске полоску бумаги «плотность»).

Вопрос №5 (экологический отдел, слайд 11) Мы с родителями каждое лето отдыхаем на море, причем стараемся выбирать разные районы отдыха. Купаясь в море не только в дневное время, но и утром и вечером, я всегда слышу восклицания взрослых, что вода как парное молоко. Почему так говорят? Спасибо, Алена, 14 лет

Химик:     Жидкая вода имеет самую высокую теплоемкость среди всех жидкостей (4, 19 кДж/(кг*К)), что почти вдвое превышает теплоемкости растительных масел, ацетона, фенола, глицерина, спирта, парафина. В 10 раз больше, чем у железа. Такое высокое значение теплоемкости воды объясняется существованием водородных связей. В водородной связи участвуют атом кислорода одной молекулы и атом водорода другой молекулы (плакат «Необычные свойства воды, межмолекулярные водородные связи). Такие связи хоть и менее прочны, чем ковалентные связи О-Н внутри молекул, и все же именно благодаря им взаимодействие молекул  воды между собой гораздо сильнее, чем у молекул других жидкостей (например, Н2S, Н2Se, Н2Te). В процессе теплового движения молекул водородные связи рвутся, но взамен тут же возникают новые. Таким образом, в жидкой воде существует динамическая система межмолекулярных водородных связей. Иначе говоря, молекулы в воде ассоциированы. Именно повышенная прочность связей между молекулами Н2О служит причиной аномально высокой температуры кипения воды. Сильное межмолекулярное взаимодействие затрудняет переход молекул из жидкости в пар.

        Итак, поскольку тепловая энергия при нагревании воды расходуется не только на ускорение движение молекул Н2О, но и разрыв водородных связей между ними, то и теплоемкость воды оказывается большой. Кстати скажем, что даже в парах воды при 100 0С эти связи разорваны еще не полностью, так что из 200 молекул Н2О в среднем 7 попарно связаны между собой. В виде димеров (Н2О)2 вода  существует и при растворении ее в органических растворителях. Вот как сложна «простая» и обыкновенная вода!

Биолог: Для многих клеток и организмов вода служит средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий. Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в воде температурные  изменения. А знаете ли вы, что у воды есть еще одна аномальная точка температуры, кроме той, что мы с вами уже вспоминали (+4 0С)? Это + 37 0С. Подумайте,  в каких случаях мы с вами упоминаем эту температуру? (учащиеся предлагают ответ: у человека температура тела в норме + 36,6 0С). Правильно. А ведь это вовсе не случайно в природе и связано именно с изменением теплоемкости воды при повышении (понижении) температуры. Известно, что у воды от 0 0С до +37 0С значение теплоемкости уменьшается, а при дальнем повышении температуры она начинает возрастать. Допустим, если бы вода не обладала этим удивительным качеством, что бы произошло с человеком, состоящим на 80% из воды? (учащиеся высказывают свои гипотезы). Тогда бы просто столь высокоорганизованная   система, как человеческий организм не была бы защищена от воздействия высоких температур. Ведь вы сами хорошо знаете, что уже при + 42 0С белок необратимо разрушается. Остается только восхищаться, что вода снабдила человека наилучшим режимом теплового саморегулирования.

Итак, вода обладает еще одним уникальным свойством – самым высоким значением теплоемкости среди всех жидкостей (прикрепляем с помощью магнита к доске полоску бумаги «теплоемкость»).

Вопрос №6 (отдел охраны природы родного края, слайд 12) Мы постоянно слышим, что запасов воды на планете очень мало. Но на уроках географии нам говорили, что вода занимает 71% поверхности Земли. Как это объяснить?! Ильмир, 12 лет

Биолог: Давайте на этот вопрос я отвечу наглядно (демонстрация опыта). Известно, что водная оболочка Земли – гидросфера – составляет около 71% земной поверхности (показывает колбу, заполненную на ¾ чистой водой). Из этого количества только 3% составляет пресная вода (отливает воду из колбы, оставляя только воду на дне колбы). И из этого количества доступно для питьевых и хозяйственных нужд человека только 1% (в колбе оставляет несколько капель воды). Так вот даже такое ничтожное количество воды мы с вами, люди, умудряемся загрязнять (в колбу добавляет окрашенные вещества). Теперь каждый из вас может наглядно может представить себе плачевное состояние наших общих водных ресурсов на сегодняшний день.

Химик: Посмотрите как наглядно это показано в музее воды г.Санкт-Петербург (слайд 13). Давайте подумаем, что же каждый из нас может лично сделать, чтобы сказать: «Да, я не трачу воду бесцельно, так как это бесценный дар природы»? Ведь известно, например, что… (слайд 14). (Затем учащиеся каждый отвечает, что он делает для экономии воды или предлагает реальные для осуществления пути для решения этой проблемы).

Дополнительная информация.

Для нормальной жизнедеятельности каждому человеку необходимо в день в среднем 2 л питьевой воды. Это значит, что население нашей страны выпивает ежедневно около 0,3 млн.т.воды воды.

Огромное ее количество потребляют и растения. Подсчитано, что для получения 1 т пшеницы нужно около 1500 т волы, хлопчатника – 10 000 т.

Промышленность нашей страны ежесекундно потребляет столько воды, сколько несет ее Волга. На получение 1 т стали расходуется 150 т воды, бумаги – 250 т, синтетических волокон – 4000 т.

Абсолютно чистую воду получить очень трудно и очень дорого. Например, дистиллированная вода, полученная конденсацией водяного пара и достаточно чистая для большинства целей, не годится для точных химических исследований. Критерием чистоты воды служит постоянство ее свойств, в частности электропроводности. Лишь после 35-40 повторных дистилляций воды  в вакууме перестают изменяют ее свойства. Самую же чистую воду получают взаимодействием тщательно очищенных водорода и кислорода в присутствии платинового катализатора:   2Н2 + О2 → 2Н2О.

Биолог: Если собрать все научные исследования о воде и  процессах, идущих с ее участием, то получится огромная библиотека. Но и сегодня далеко не все известно об этом интереснейшим, давно знакомом, но во многом загадочном, таком обильном и таком дефицитном веществе – о простой воде. И  после сегодняшнего занятия, на котором вы познакомились с некоторыми уникальными свойствами воды (показывает прикрепленные на доске полоски бумаги со свойствами воды: растворитель, поверхностное натяжение, структурная память, плотность, теплоемкость), мы надеемся, что вы  по-другому взглянете на воду, расскажите о том, что вы узнали своим знакомым и будете бережно ее использовать, а отдыхая на природе, оставите после себя чистоту и порядок. Спасибо вам всем за проявленную активность на занятии.

Список использованной литературы: 

1. Рудзитис Г.Е. ,Фельдман Ф.Г. «Химия»  8 класс,2012 г, Гл. 4, стр.68 - 75.
2. Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Экология», 2015 г.
3. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высш.шк., 2010. – 743 с.
4. Березин Б.Д. Курс современной органической химии – М.: Высш.шк., 2013. – 768 с.
5. Журналы «Химия и жизнь», «Химия в школе».