Наномир и уроки химии
методическая разработка по химии (8 класс) на тему

Понятия из наномира на уроках химии и внеурочной деятельности.

(из раздела исследовательская деятельность)

Учитель химии ГБОУ СОШ № 2 п.г.т. Суходол, муниципального района Сергиевский

Леонтьева Валентина Ивановна

Нанотехнология – звучное, многообещающее понятие, без сомнения самое передовое направление в развития науки и техники на сегодняшний день. На слуху у многих «Сколково»,  новейшие разработки,  премии за открытия в отраслях высоких технологий, и появляется надежда, что развитие нанотехнологий в XXI веке изменит жизнь человечества кардинальным  образом. Нанотехнологии - высокотехнологичная отрасль, работающая с отдельными атомами и молекулами.

      Это понятие раскрывается еще на самых первых уроках химии в 8 классе, когда говорим об атоме, как мельчайшей частице вещества, изучаем строение атома и состав молекул. Из копилки: «Удивительное рядом» мы извлекаем материал, который дополняет известные факты совершенно новыми, прогрессивными понятиями, например, что такое нанометр. Дети узнают, что это частица, которую можно сравнить по масштабу как копеечная монета и земной шар. Уменьшим слона до размеров микроба (5000 нм) – тогда блоха у него на спине станет величиной как раз в нанометр. Если бы рост человека вдруг уменьшился до нанометра, мы могли бы играть в футбол отдельными атомами! Толщина листа бумаги казалась бы нам тогда равной 170 километрам.

      Использование дополнительного материала позволяет вызывать интерес к науке – химия, способствует развитию творческого потенциала ученика и  созвучна с теми запросами, которые прослеживаются  в рамках реализации региональной образовательной инициативы «Наша новая школа», где  делается акцент на развитие творческой, креативной личности, способной к концептуальному мышлению и самостоятельному управлению собственной деятельностью и поведением.

         Конечно, провести химические опыты и исследования на таком уровне не возможно, но уроки позволяют прикасаться к новому очень часто. Например, при изучении темы «Углерод и его соединения» в 9 классе, раньше мы лишь констатировали наличие аллотропных модификаций у атома углерода, отмечая сходство и различия графита, алмаза, фуллерена, карбина. Сейчас материал мы рассматриваем в другой плоскости, рассматривая фуллерены как добавки для получения искусственных алмазов методом высокого давления (выход алмазов увеличивается на ≈30 %), создание новых лекарств, огнезащитных красок, изготовление солнечных элементов. Проговариваем, что к каждой такой молекуле можно привить другие атомы и молекулы, можно поместить  чужеродный атом в центральную полость такой молекулы,  как в суперпрочный контейнер. Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. Поэтому для учащихся 10 классов становится понятным столь маленькое расстояние между центрами ядер атомов углерода в органических веществах.

          Цифровые образовательные ресурсы позволяют продемонстрировать расположение таких атомов в пространстве (графеновые слои, толщиной 0,54 нм).  В продолжение темы «Элементы 4 группы, главной подгруппы» изучаем свойства кремния и его соединений. Ну, кто из учащихся не видел песок? Таких не найдется! А где этот доступный, природный материал может использоваться в нанотехнологии? Если дать опережающее задание ученикам, то узнаем много нового, например: получен аэрогель на основе аморфного диоксида кремния и глинозёмов, который применяется в газовых и жидкостных фильтрах, в том числе для ловушек космической пыли.

          «Из Казани пишут. На реке Соку нашли много нефти… От чего чают немалую прибыль Московскому государству». «Здешняя нефть столь пронзительна, что прошла сквозь толстую деревянную ступку и пропитала толстые в дюйм доски». Для Сергиевского района нефтедобывающая промышленность является одной из основных отраслей, и она вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие региона. Тема программного материала 9 и 10 класса и  в рамках исследовательской деятельности, на протяжении 2 лет, учащиеся разрабатывали тему «Черное золото и здоровье», где были добыты факты, что нефть - опасный компоненты для «живой материи». Так вот, токсичность нефтяных паров снижается на 25 %, если их пропускать через такие фильтры, а товарность нефти увеличивается в несколько раз, если ее пропускать через аэрогель.

         Как использовать законы природы на благо человека? Наномир сложен и пока еще сравнительно мало изучен, и все же не столь далек от нас, как это казалось несколько лет назад. Приставка «нано» («нанос» по-гречески - карлик) означает «одна миллиардная доля» метра. В лабораториях нанотехнологов испытываются суперматериалы – волокна из нанотрубок, сверхпрочные нити, которые в тысячи раз прочнее стали, покрытия, делающие предмет невидимым. Это тоже тема «Сплавы» раздела 9 класса, которая углубляется в 11 классе профильного уровня.

       С древних времен известно об особых свойствах серебра, микробы не любят серебро. Тема детально прорабатывается в 11 классе (профиль), где из копилки «Удивительное рядом» мы извлекаем материал о серебре в виде наночастиц, когда микробы просто уничтожаются, а ткани с добавками таких нитей используются для производства «наноносков».

     Изучение кристаллов мы начинаем с начальной школы, в рамках реализации школьной программы работы с одаренными детьми. Исследовательской деятельностью ученики начинают заниматься в кружке «Молодой исследователь» по авторской программе (приложение). Имеем победы на окружной НПК, а продолжаем на уроках в основной школе по теме «Кристаллические и аморфные вещества», где также делаем акцент на открытия ученых в области нанокристаллов.  Идеальный нанокристалл — это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения,  у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в решётке. Применение: флуоресцентные маркеры различных биологических объектов, нанокристаллические солнечные батареи.

     В рамках проектной деятельности был обобщен материал о развитии нанотехнологий в нашей стране и  государственной поддержке нового направления, куда выделено 180 млрд. рублей. Для учащихся было интересно, что в медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т.е. осуществлять "молекулярную хирургию" с помощью наноботов. Ожидается создание молекулярных роботов-врачей, которые могут "жить" внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая возникновение таковых. В действительности наномедицины пока еще не существует, существуют лишь нанопроекты, воплощение которых в медицину, в конечном итоге, и позволит отменить старение. Наночастицы могут быть использованы для разработки эффективных методов доставки лекарственных препаратов внутрь клеток, что является перспективой борьбы с раком.

   Внедрение этих технологий в военную радиоэлектронику позволит получить супермалые образцы оружия (например, самонаводящиеся пули), либо резко повысить "интеллектуальные" возможности управляемого оружия. 

      Эффект лотоса. Известно, что лотос действительно обладает необычными физико-химическими свойствами. Благодаря особому строению и очень высокой гидрофобности его листьев и лепестков цветы лотоса остаются удивительно чистыми. Лепестки цветка покрыты крошечными шишечками или «наночастицами», в результате были созданы, так называемые, лотосовые покрытия, которые способны противостоять любым воздействиям извне. Лотосовые покрытия незаменимы во многих сферах жизни человека. Создание стекол, с которых стекают мельчайшие капельки воды с растворенными частичками грязи. Создание плащей и другой специальной одежды. Создание самоочищающихся фасадов зданий и так далее.

    По мнению многих экспертов, XXI век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо.

Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

   Химия же играла и играет большую роль в решении наиболее актуальных проблем современного человечества  и, конечно, ключевую роль в развитии нанотехнологии играет и будет играть наука - химия.

Список литературы.

1.Мамонтов Д. Наука. Десять в минус девятой/ Мамонтов Д.// Популярная механика. - 2009. - № 4.

2.Свидиненко Ю. Нанотехнологии в нашей жизни / Свидиненко Ю. // Наука и жизнь. - 2005. - № 5.

3. http://nanoru.ru

4. http://www.rusnano.com

5. http://www.wikipedia.ru