Методические рекомендации для проведения семинара учителей химии «Пути интеграции химических и валеологических знаний».
методическая разработка по химии (8 класс) по теме

Методические рекомендации для проведения семинара учителей химии «Пути интеграции химических и валеологических знаний»

Среди самых важных категорий в системе ценностей общества лидирующие позиции занимает сохранение среды обитания и здоровья человека: «Здоровье — глобальная проблема, которая является одной из самых важных для всего человечества» [1]. Область научных знаний о том, как сберечь физическое, эмоциональное, личностное здоровье и вести здоровый образ жизни, именуется валеологией. Таким образом, валеология включает понятия философские и психологические. Валеология рассматривает здоровье человека с позиции «само», т. е. как самосознание, самопознание, самооздоровление. Внедрение валеологического подхода в школьное обучение и воспитание — одно из направлений гуманизации образования. Для его реализации необходимы школьные программы по валеологии, включающие практические работы, интегрированные с теоретическими знаниями по фундаментальным дисциплинам, таким, как химия.

Курс химии играет существенную роль в образовании и воспитании подрастающего поколения, в процессе его изучения можно естественным образом сформировать у учащихся валеологические знания и умения. В плане интеграции химических и валеологических знаний благоприятен и тот факт, что химия — экспериментальная наука. Она служит мощным инструментом исследования и познания процессов, протекающих в живых системах, поэтому при обучении химии в школе важно акцентировать внимание на формировании у учащихся целостного восприятия химических процессов, которые лежат в основе триады «молекула — клетка — организм». Интеграция химических и валеологических знаний предусматривает творческое переосмысление содержания школьного курса химии.

Количество методических разработок по вопросам формирования валеологических знаний на уроках химии крайне недостаточно [2-8]. В решении рассматриваемой проблемы выделяют два подхода. Во-первых, любой урок химии может способствовать одновременно и интеллектуальному развитию школьника, и сохранению его физического статуса. Другими словами, школьные химические знания должны помогать адаптации учащегося и увеличивать резервы его здоровья. Это так называемая предметная модель валеологического образования. Второй подход предполагает наличие соответствующего факультативного курса, поскольку «все большую актуальность в последнее время приобретает химико-экологическая и химико-валеологическая тематика» [9].

Каким же образом можно осуществлять интеграцию химических и валеологических знаний в системе школьного химического образования? Необходимо исходить из особого значения химических знаний в повседневной жизни для обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности и сохранения здоровья. Основополагающие являются следующие идеи:

•   Изучение химии способствует формированию знаний о молекулярных основах здоровья.
•   Химические знания позволяют оценить влияние веществ на окружающую среду и    здоровье человека.
•   Умение решать химические задачи позволяет определить содержание биологически активных веществ как в организме человека, так и в продуктах питания.
•   Посредством химического эксперимента возможно формирование навыков валео-логического мониторинга.

     Первое звено в триаде «молекула — клетка — организм» — это молекула, т. е. наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Следовательно, задачи с валеологическим содержанием можно предложить школьникам в самом начале их знакомства с химией — при обучении расчетам по химическим формулам. Рассмотрим некоторые из таких задач.

Расчеты

по химическим формулам

        Задача 1. Суточная потребность организма в кальции в виде карбоната кальция СаСО составляет 1,2 г. Вычислите количество необходимого карбоната кальция.

 Решение

         n = m/M; М (СаСО3) = 100 г/моль;

n (СаСО3) = 1,2/100 = 0,012 моль.

        Задача 2. Ортофосфат кальция составляет минеральную основу костей и зубов. Другие соединения кальция участвуют в нервной и мышечной деятельности, входят в состав тканевой жидкости, ядер и стенок клеточной ткани живого организма. Кальций уменьшает аллергические реакции. Суточная потребность организма в кальции составляет от 0,8 до 2 г. Источниками кальция служат молоко, кефир, творог, сыр, рыба, фасоль, петрушка, зеленый лук, а также яйца, гречка и овсянка, морковь и горох.

Обеспечит ли суточную потребность организма в кальции добавление в пишу 1 г карбоната кальция при условии его полного усвоения?

Решение

        Количество кальция в карбонате кальция равно количеству карбоната кальция:

n (Са) = n (СаСO3), т. е. m (Ca)/M (Ca) = m (CaCO3)/M (CaCO3).

Отсюда

 m(Ca) = M (Са) .

М(Са) = 40 • 1/100 = 0,4 (г).

        Таким образом, это меньше суточной потребности организма (0,8-2 г/день).

        Задача 3. Оксид углерода(II) или угарный газ, — опасный загрязнитель атмосферы. Соединяясь с гемоглобином крови, он препятствует переносу кислорода, вызывает болезни сердечно-сосудистой системы, снижает активность работы мозга. Из-за неполного сжигания топлива на Земле ежегодно образуется 5 • 10 8 т этого вещества. Определите, какой объем (при н.у.) займет угарный газ, образующийся на Земле по указанной причине.

Решение

        n (СО) = m/М; n (СО) = V/Vm.

Отсюда  m/М = V/Vm или V (CO) = Vm • m/М;

V(СО) = 22,4 • 5 •1014 / 28 = 4 • 1014 (л) = 4 • 1011 (м3).

        Задача 4. В человеческом организме в общей сложности содержится примерно 25мг иода (в составе различных соединений), причем половина всей массы иода находится в щитовидной железе. Подсчитайте, сколько атомов иода находится: а) в щитовидной железе; б) в человеческом организме в целом.

Решение

        Число атомов иода в человеческом организме

N (I) = N • n (I) = N • m (I)/M (I);

N (I) = 6 •1023 • 0,025/127 = 1,1 • 1020.

        В щитовидной железе число атомов иода в 2 раза меньше:

N1 (I) = 0,5 • 1,1 • 1020 = 5,5 • 1019.

Вывод химических формул

        Задача 1 . Горькая, или английская, соль (кристаллогидрат сульфата магния) впервые была выделена из воды минерального источника в Эпсоме — пригороде Лондона. Эта соль применяется в медицине при заболеваниях нервной системы, для снижения артериального давления, а также как слабительное средство. Составьте формулу английской соли, если массовые доли химических элементов в ней составляют: 9,86% (Mg), 13,01% (S), 71,40% (О), 5,73% (Н).

 Решение

Формулу соли представим как MgxSyOZHk. Для определения х, у, z, k надо найти соотношение частных от деления массовых долей компонентов на их относительные атомные массы:

х : у : z : k = (0,0986/24) : (0,1301/32) :  (0,7140/16) : (0,0573/1) = 1 : 1 : 11 : 14.

Следовательно, формула соединения MgSO4 • 7Н2O.

        Задача 2. В питьевой воде были обнаружены следы вещества, обладающего общетоксическим и наркотическим действием. При проведении качественного и количественного анализа было установлено, что это производное фенола и массовые доли химических элементов в нем таковы: 55% (С), 4,0%(Н), 14% (О), 27% (Сl). Установите молекулярную формулу вещества. Укажите возможные причины попадания этого вещества в окружающую среду.

Решение

Формулу  вещества  представим как

x : у : z: k = (0,55/12) : (0,04/1) : (0,14/16) : : (0,27/35,5) = 6:5:1:1.

        Простейшая молекулярная формула -СбН5ОС1. Это хлорфенол.

        Причины попадания хлорфенола в окружающую среду — нарушение технологии, отсутствие очистных сооружений на заводах.

        Второе звено рассматриваемой триады — клетка. Во внутриклеточной жидкости велика доля воды. При изучении воды можно предложить учащимся целый комплекс заданий с валеологическим содержанием: от решения предусмотренных программой расчетных и экспериментальных задач по теме «Растворы» до выполнения творческих заданий. Рассмотрим соответствующие примеры.

Расчетные задачи

        Задача 1. Желудочный сок — это бесцветная жидкость, имеющая кислотную реакцию среды благодаря присутствию соляной кислоты НС1, которая относится к числу сильных кислот. Рассчитайте рН желудочного сока, если массовая доля НС1 в нем составляет 0,5 %. Плотность желудочного сока практически равна плотности воды.

Решение

        Хлороводородная кислота – сильная, диссоциирует необратимо:

HCl = H+ + Cl.

        Значит, концентрация ионов водорода равна молярной концентрации раствора, которую можно определить следующим образом:

С (НСl) = ;

С (НСl) = = 0, 137 (моль/л).

Отсюда рH = - lg H+ = - lg 0, 137 = 0, 86.

        Задача 2. Будет ли вредна для здоровья питьевая вода, если в ней обнаружено:

а) 3,3 • 10 -6 моль/л ионов железа (П);

б)  1,7 • 10 -7моль/л ионов никеля (П);

в)  1,9 • 10 -7моль/л ионов хрома(III)?

Санитарные нормы допускают присутствие в питьевой воде ионов железа (П) в количестве 0,2 г/м3; ионов никеля(II) —0,1 г/м3; ионов хрома(III) — 0,05 г/м3.

Решение

        В 1 м3 такой воды содержится примерно 0,184 г ионов железа(П), 0,01 г ионов никеля(II), 0,01 моль ионов хрома(Ш). Вода невредна для здоровья, поскольку содержание обнаруженных ионов ниже допустимых норм.

Экспериментальные задачи

        Задача 1. Токсичность тяжелых металлов объясняется их способностью вызывать денатурацию (разрушение) белков. Объясните, почему токсическое действие солей тяжелых металлов тем выше, чем выше их растворимость в воде. Как можно экспериментально подтвердить токсическое действие ионов свинца?

Ход работы

        В пробирку прилейте 2 мл раствора яичного белка. Медленно, по каплям, встряхивая пробирку, добавьте раствор ацетата свинца (П) Рb(СН3СОО)2. Выпадает хлопьевидный осадок белого цвета, образующийся в результате разрушения структуры белка.

        Задача 2. Кислотные дожди закисляют природные воды. В такой воде увеличивается подвижность ионов тяжелых металлов и, следовательно, повышается их токсическое действие. Если русло реки проходит в известняковых породах, пагубное воздействие кислотных дождей значительно уменьшается. Объясните почему. Напишите уравнение реакции. Как экспериментально определить концентрацию  ионов водорода в воде?

 Ход работы

        Определите значение рН в приготовленных пробах воды с помощью универсальной индикаторной бумаги и с помощью рН-метра. Сравните результаты. В норме рН воды составляет 6,5-7,5. Если рН пробы воды оказался меньше нижнего значения, то проба имеет кислотную реакцию среды. Концентрацию ионов водорода определяют по уравнению:

[Н+] = 10-рН.

        Известняк ослабляет воздействие кислотных дождей:

СаСO3 + 2Н+ = Са2+ + Н2O + СO2.

Творческие задания

        Задание 1. Кислотность выше нормы могут иметь различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса). Главными кислотообразующими выбросами в атмосферу являются диоксид серы S02 и оксиды азота*. Назовите еще два вида кислотообразующих выбросов, их основные источники. Предложите способ обнаружения в воздухе вредных выбросов.

Решение

        За счет выбросов химических предприятий, сжигания отходов, фотохимического разложения фреонов в атмосфере происходит образование радикалов хлора, которые при соединении с метаном образуют газообразный хлороводород. Последний, в свою очередь, хорошо растворяется в воде, образуя  аэрозоль соляной кислоты:

Сl + СН4  СН3 + НС1;

СН3 + С12   Сl + СН3С1.

        Для обнаружения в воздухе вредных выбросов можно использовать индикаторную трубку с оксидом кремния (IV) — силикагелем, который является хорошим сорбентом [10]. Силикагель предварительно следует пропитать химическим реагентом, способным давать цветную реакцию с определяемым выбросом. Так, для обнаружения хлора применяется силикагель, пропитанный раствором смеси иодида калия и крахмала. В результате продувания через индикаторную трубку воздуха, содержащего примесь хлора, выделяется иод, дающий с крахмалом синее окрашивание. По степени окраски сорбента достаточно точно можно определить концентрацию примеси.

        Еще один источник кислотных дождей — аэрозоль плавиковой кислоты — образуется в воздухе за счет выбросов фтороводорода. Источник выбросов — производство алюминия и стекла.

* Влажный воздух, содержащий диоксид серы, особенно опасен для людей, страдающих сердечно-сосудистыми и легочными заболеваниями. В тяжелых случаях может возникнуть отек легких. Диоксид азота, попадая в дыхательные пути, в результате взаимодействия с гемоглобином крови затрудняет перенос кислорода к органам и тканям и может вызвать распираторные, астматические и сердечные заболевания.

Задание 2. Для понижения кислотности почву известкуют. Рассчитайте объем углекислого газа (при н. у.), который выделится в результате обработки избытком

известняка 200 л почвенных вод со значением рН 3,3.

Ответ: V(СO2) = 1,12л.

Третье звено триады — организм. Организм человека — это уникальный «химический комбинат», в котором протекает множество разнообразных химических реакций. Согласно закону сохранения энергии человеку необходимо поддерживать некоторый запас энергии. Расход энергии, как известно, восполняется посредством питания. 1лавные компоненты пищи — углеводы, белки, жиры. В результате пищеварения эти вещества превращаются в более простые и разносятся кровью во все клетки организма, где окисляются кислородом, доставляемым кровью из легких. Конечные продукты реакций окисления — углекислый газ и вода, параллельно идет образование продуктов неполного окисления, которые также выводятся из организма. Процесс окисления органических веществ в клетках организма служит основным источником энергии, необходимой человеку. В соответствии с законом Гесса суммарный тепловой эффект реакции окисления не зависит от пути реакции (от ее механизма), т. е. от числа и сложности промежуточных стадий, и является постоянной величиной для каждой конкретной реакции.

        Рассмотрим возможные варианты расчетных и экспериментальных задач, которые можно предложить учащимся на занятиях химического кружка, факультатива или любом другом внеурочном мероприятии.

Расчетные задачи

        Задача 1. Рассчитайте, на сколько градусов поднялась бы температура вашего тела после стакана сладкого чая, если бы весь поступивший с чаем сахар сразу окислился в организме до углекислого газа и воды. В расчетах следует принять, что в одной чайной ложке содержится 10 г сахара; теплоемкость тела равна теплоемкости воды и составляет 4,2 кДж/(кг • К); тепловой эффект реакции окисления сахарозы равен 5650 кДж/моль; масса человека 60 кг.

Решение

        С тремя чайными ложками (т = 30 г) в организм попадет сахароза количеством вещества:

п = т/М;

п = 30/342 = 0,088 (моль).

        В результате ее полного окисления выделится примерно 497 кДж (5650 кДж/моль х  0,088 моль) энергии.

Если вся эта энергия пойдет на нагрев тела, его температура поднимется на 2°С (497/(60 • 4,2)), т. е. с 36,6° до 38,6° С. На самом деле перегревания организма после приема пищи человек не чувствует, так как выделение тепловой энергии идет медленно и компенсирует естественные затраты, в том числе и на поддержание постоянной температуры тела.

Задача 2. Вычислите, какую часть лимона необходимо съедать ежесуточно для того, чтобы восполнить потребность организма в витамине С. В расчетах следует принять, что масса лимона равна 100 г; содержание витамина С (аскорбиновой кислоты) в лимоне составляет 0,5 %.

Ответ: ежесуточно надо съедать примерно 1/5 лимона.

Задача 3. Оливковое масло обладает ценными свойствами: в нем очень высокое (70-87%) содержание ненасыщенной олеиновой кислоты (в отличие от подсолнечного масла, где ее содержание в 2-2,6 раза меньше). Сколько молей олеиновой кислоты может содержаться в 1 кг оливкового масла?

Ответ: 1,95-2,94 моль.

Экспериментальные задачи

Задача 1. Глюкоза — легко усвояемое питательное вещество, незаменимое при сердечной слабости, шоке и т. д. Она содержится в виноградном соке, а также в соке других фруктов. Как экспериментально установить присутствие сахара вместо глюкозы в пищевых продуктах?

Ход  работы

        В основе определения глюкозы в растворе лежит реакция ее окисления свежеосажденным гидроксидом меди (П) — реакция на альдегидную группу:

R-COH + 2Сu(ОН)2  R-COOH + Cu2O + 2Н2 O.

        голубой                            красный

        В результате взаимодействия сахара с водой (реакция гидролиза) также образуется глюкоза (и фруктоза2):

С12Н22O11 + Н2O = С6Н1206 + СбН12Об.

        Однако в нейтральной среде эта реакция протекает очень медленно. Ускорить ее можно добавлением катализатора, например соляной кислоты; в щелочной среде сахар не гидролизуется. Следовательно, о соотношении глюкозы и сахарозы можно судить по количеству красного осадка в щелочном растворе.

        В четыре пробирки налейте по 5 мл дистиллированной воды. В первую пробирку добавьте 5 капель натурального меда (желательно из пчелиных сот), во вторую — 5 капель исследуемого меда, в третью — 0,2 г сахара, а в четвертой пробирке останется вода. Затем в каждую пробирку прилейте по 7,5 мл щелочной взвеси гидроксида меди (II). Для ее получения перемешивают 10 мл 10%-ного раствора медного купороса и 20 мл 20%-ного раствора едкого натра. Наблюдайте за изменениями, происходящими в пробирках. Появление красного осадка свидетельствует о присутствии глюкозы.

        Сделайте выводы относительно содержания сахара в исследуемом меде. (Следует учесть, что в натуральном сотовом меде содержание глюкозы максимально.)

 2 Фруктоза усваивается организмом еще легче, чем глюкоза, она в три раза слаще глюкозы, содержится в помидорах, яблоках. В пчелином меде около 50% фруктозы. При нагревании с мочевиной фруктоза дает синее окрашивание.

Задача 2. Как экспериментально определить массовую долю витамина С (аскорбиновой кислоты) в меде, если учесть, что аскорбиновая кислота обладает восстановительными свойствами?

Ход  работы

        Аскорбиновая кислота, обладающая восстановительными свойствами, может быть обнаружена действием окислителя, например раствора иода. Количественный расход иода в окислительно-восстановительной реакции обычно фиксируют раствором крахмала. Применяется метод титрования.

        Приготовьте водную вытяжку меда. К отдельной пробе (отобранной пипеткой) водной профильтрованной вытяжки меда добавляйте по каплям разбавленный в 40 раз 5%-ный раствор иода в присутствии 1%-ного раствора крахмала до появления синего окрашивания (1 мл полученного раствора иода может окислить 0,875 мг аскорбиновой кислоты). Определение следует вести на холоду с учетом того, что аскорбиновая кислота в растворах легко окисляется в присутствии атмосферного кислорода.

        Массовую долю аскорбиновой кислоты рассчитайте по формуле:

w(%) = (0,875 • V- V1 • 100)/(m • V2), где V — объем раствора иода, пошедшего на титрование, мл; V1 — общий объем водной вытяжки меда, мл; V2 — объем пробы, взятой на титрование, мл; т — масса меда, мг.

Задача 3. Как экспериментально определить старое растительное масло?

 Ход  работы

        В состав жидких растительных масел входят непредельные кислоты, которые способны к реакциям присоединения (например, обесцвечивают бромную воду). По мере старения масла за счет реакций окисления двойные связи в радикалах непредельных карбоновых кислот подвергаются деструкции. Значит, старое загустевшее масло практически не будет взаимодействовать с бромной водой (бурая окраска брома сохранится). Такое масло добавлять в пищу не рекомендуется.

        В пробирки налейте по 1 мл одинакового растительного масла с разными сроками хранения, немного нагрейте и добавляйте по каплям (фиксируя количество капель) бромную воду. Наблюдайте за изменениями в пробирках.

        На последующих занятиях можно исследовать кисломолочные продукты на присутствие в них молочной кислоты, овощи на наличие нитратов, питьевую и промышленную воду на содержание тяжелых металлов, рассчитать необходимый рацион питания ребенка и взрослого, определить содержание солей в шампуне и жидком мыле и их пенообразование. Темы занятий могут быть самыми разнообразными, многое зависит от творческих способностей учителя. Постановка экспериментальных задач с валеологическим содержанием внесет разнообразие в процесс обучения. Творческий подход учителя к вопросу включения валеологического компонента в содержание школьного курса химии, несомненно, послужит основанием для серьезного осмысления учащимися практической значимости химических знаний в решении проблем сохранения и укрепления здоровья.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Попков В. А. и др. Валеологические аспекты в определении содержания курса химии на факультете высшего сестринского образования // Химическое образование и развитие общества. Тезисы докл. межд. конф., 11-13 октября 2000 г., Москва, Россия. - М: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2000. - С. 185.

2. Аликберова Л. Ю., Хабарова Е, И. Задачи по химии с экологическим содержанием. — М.: Центрхим-пресс, 2001.

3.  Кавиева В. В. Валеологический компонент в школьном курсе химии // Химия в школе. — 2001. -№ 7. - С. 34-40.

4. Кузовая Т. В., Калинина Е. А. Из опыта организации спецкурса «За здоровый образ жизни» // Химия в школе. - 2002. - № б. - С. 85-86.

5.  Рукк Н. С., Аликберова Л. Ю. Полезная химия. Задачи на каждый день // Химия: приложение к газете «1 сентября». - 2001. - № 16-17.

6.  Северюхина Т. В., Сентемов В. В. Исследование пищевых продуктов // Химия в школе. - 2000. - № 5, -С. 72-79.

7. Суханова Н. Ю„ Чернобельская Г, М. Практикум с валеологической направленностью // Химия в школе. - 2002. -№2. - С. 71-72.

8. Чернобельская Г. М., Суханова Ц. Ю. Реализация связи химии с валеологией при решении учебных проблем // Химия в школе. - 2001. - № 8. - С. 18-22.

9. Чернобельская Г. М. Методика обучения химии в средней школе. - М.: ВЛАДОС, 2000. - С. 197.

10.  Оржековский П. А., Давыдов В. Н., Титов Н. А. Творчество учащихся на практических занятиях по химии: Книга для учителя. - М.: АРКТИ, 1999. - С. 93.