Роль социальных, естественно-научных и природоохранных понятий в формировании экологических знаний

Основа приобретения учащимися знаний, в том числе в облас­ти охраны природной среды, - формирование и развитие научных понятий в процессе обучения. Правильно сформированные поня­тия объективно отражают научную картину мира, поэтому важно отобрать такие понятия из области экологии и охраны природы, которые также объективно отражали бы взаимодействие между человеком и окружающей его средой.

Понятие «охрана природы» имеет несколько толкований. Если подходить к природе как универсуму планеты Земля, то оно вклю­чает мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобес­печения человечества. В более узком смысле это понятие можно рассматривать как систему мер, направленных на рациональное использование и воспроизводство природы Земли; обеспечивающих сохранение и восстановление (возобновляемых) природных ресурсов; предупреждающих прямое и косвенное влияние резуль­татов деятельности общества на природу и здоровье человека; поддерживающих в необходимых пределах физические, химичес­кие и биологические параметры функционирования природных

систем.

Современная экологическая ситуация требует такого уровня сознания человека, который соответствовал бы понятию «эколо­гическое сознание», ориентированному на адекватное отражение состояния внешней среды и ценностных установок в его потреб­ностях и деятельности.

Таким образом, в экологическом образовании система знаний должна включать социальные, естественно-научные и природоох­ранные знания, тем самым будет обеспечен междисциплинарный, комплексный подход к изучению экологической проблематики.

В основе выделенных блоков знаний лежат соответствующие понятия, отбор которых обусловлен, с одной стороны, отражени­ем содержания каждого блока, а с другой - возможностью их пос­ледовательного систематического, преемственного формирования и использования в школьном курсе химии.

Среди естественно-научных знаний интерес представляют хи­мические (поскольку имеет место процесс обучения химии) и эко­логические («теоретические» и «прикладные»).

Анализ программ, учебно-методической литературы, содержа­ния и структуры школьного курса химии позволил выделить в нем четыре важнейшие понятия: «химический элемент», «вещество», «химическая реакция» и «химическое производство». Эти поня­тия - определяющие при формировании системы химических зна­ний. Учитывая, что в курс химии включен вопрос о круговороте веществ в природе, а в экологии эта природная закономерность за­нимает одно из центральных положений, необходимо рассматри­вать круговорот веществ одновременно и как понятие химическое (превращение веществ и энергии), и как понятие экологическое (биогеохимический круговорот веществ).

За основу отбора экологических понятий взята концепция уров­ней организации жизни. С позиций этой концепции были выделе­ны следующие понятия: «живой организм» (совокупность призна­ков, характеризующих живую материю), «экологическая система», или «экосистема» (сообщество живых организмов, возникшее в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания), «биосфера» (биологическая система, включающая все живые организмы Земли, глобальная экосистема), «биогеохимический круговорот веществ» (повторяю­щиеся процессы превращения и перемещения веществ в приро­де, имеющие более или менее циклический характер), «экологи­ческие факторы» (абиотические, биотические, антропогенные факторы среды, оказывающие влияние на организмы), «окружа­ющая среда» (среда обитания и производственной деятельности человека, которую можно рассматривать как целостную систему взаимосвязанных и взаимозависимых природных и антропогенных объектов и явлений).

Таким образом, систему естественно-нучных понятий (в кон­тексте данной работы) составляют химические и экологические понятия.

В блоке технических знаний следует выделить прежде всего систему природоохранных понятий, важнейшие из которых сле­дующие: «рациональное природопользование», «комплексное ис­пользование сырья и отходов производства», «кооперирование раз­личных производств», «экологически безопасные технологии», «малоотходные и бессточные технологии», «эффективные методы очистки газообразных, жидких и твердых отходов», «использова­ние вторичного сырья», «производство экологически чистых про­дуктов и материалов». Все эти понятия отражают проблемы ра­ционального использования природных ресурсов, сохранения при­родной среды, основные направления развития безотходной технологии (как идеальной модели производства).

Чтобы правильно оценить воздействие современной цивилиза­ции с ее бурно развивающимся научно-техническим прогрессом на природную среду, необходимо проследить общие закономерно­сти взаимодействия человека и природы, оценить результаты хо­зяйственной деятельности на Земле предшествующих поколений и общественных формаций. Учащимся должно быть понятно: пока человек находится в гармонии с природой, он почти не влияет на нее, но если он не познает ее непреложные законы и не учитыва­ет их в своей деятельности, то нарушает эту гармонию, отчужда­ется от природы, принося тем самым огромный вред себе и окру­жающей среде.

Важное значение для воспитания школьников имеет в этой свя­зи нравственная сторона проблемы. Возвращение к гармонии, в основе которой лежит бережное, разумное, научно обоснованное отношение человека к природе, - вот путь к восстановлению, со­хранению и улучшению природной среды. Решать экологические проблемы можно с помощью как научных, так и технических до­стижений, но движущей силой при этом должны быть высокая нравственность и экологическая культура каждого человека и об­щества в целом.

«Социальный блок» включает: «происхождение человека и об­щества» (понятие антропосоциогенеза), «человек - продукт при­роды и общества» (понятие о человеке как биопсихосоциальном существе), «отношение человека к природе: сознание и нравствен­ность - в различных общественных формациях» (понятие об ис­торической ретроспективе), «взаимосвязь, взаимозависимость, единство и сотрудничество человека и природы» (понятие об ос­нове сохранения социоприродной среды).

В свою очередь, химические, экологические и природоохран­ные понятия тоже тесно взаимосвязаны. Например, понятие «хи­мический элемент» позволяет описать качественный и количе­ственный состав живой и неживой (неорганической) природы, ввести понятие «биогенные элементы» (элементы, необходимые для существования живых организмов»; сформировать понятие о макро- и микроэлементах и их биологической роли; раскрыть по­нятие о взаимозаменяемости элементов в природе (в случае ин­тенсивного загрязнения окружающей среды) и проанализировать негативную сторону этого процесса; сформировать одно из основ­ных понятий экологии - биогеохимический круговорот элементов в природе - и рассмотреть это понятие на атомно-молекулярном, электронном и ионном уровнях, установить причины нарушения биогеохимических циклов.

Другой пример - понятие «вещество». Помимо традиционных химических понятий о составе, строении и свойствах вещества появляется возможность обратить внимание учащихся на некото­рые важные биологические функции вещества как на уровне от­дельного организма, так и на уровне экосистемы или биосферы в целом; рассказать им о двойственной роли вещества в природе в зависимости от его концентрации в экосистеме (избыток или не­достаток одного и того же вещества оказывает на организм раз­личное воздействие), о загрязнении окружающей природной сре­ды и источниках загрязнения, ввести новые понятия: «предельно допустимые концентрации» для опасных соединений и «лимити­рующий экологический фактор», позволяющий учесть процесс биологического накопления веществ при их продвижении по пи­щевым цепям даже в том случае, если ПДК тех или иных веществ не превышена.

Можно рассмотреть случаи образования новых веществ с силь­ными токсичными свойствами из веществ менее токсичных или даже безвредных (превращение нитратов в нитриты и нитрозоа-мины, образование пероксиацилнитратов и озона из углеводоро­дов, оксидов азота при фотохимическом смоге и др.). Следует об­судить также природоохранные мероприятия, направленные на сохранение природной среды и стабильности природных цикли­ческих процессов, на предупреждение загрязнения среды обита­ния живых организмов, на обезвреживание и утилизацию опасных химических соединений.

Понятие «химическая реакция» позволяет раскрыть сущность химических и некоторых биохимических процессов, протекающих в биосфере. Например, вводится понятие о биокаталитических процессах и тем самым развивается и расширяется понятие о ка­талитических реакциях. Важный момент здесь - формирование представлений об изменениях в основных циклах биогеохимичес­ких круговоротов веществ, связанных с процессами загрязнения биосферы и приводящих к ацикличности. Суть таких изменений сводится к нарушению хода биокаталитических процессов (их ускорению или замедлению) из-за изменения концентрации реа­гирующих веществ или появления других, неспецифичных для природы биокатализаторов. Здесь можно рассмотреть природоох­ранные мероприятия, направленные на поддержание равновесных условий биохимических и химических процессов в биосфере.

Формирование знаний об основах химического производства продолжает развивать представления о загрязнящих веществах, ис­точниках загрязнения, позволяет анализировать последствия вклю­чения в природный круговорот веществ продуктов и отходов хими­ческого производства, причины нарушения природного баланса в экосистемах и биосфере в целом. Понятие «химическое производ­ство» тесно связано с такими важнейшими природоохранными по­нятиями, как «малоотходные, экологически безопасные техноло­гии», «водооборотная система», «рациональное природопользова­ние» и др. Здесь необходимо рассмотреть меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввести понятие о мониторинге (си­стеме наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды), одна из целей которого - выявление антропогенных загрязнений.

Экологизация содержания школьного курса химии может быть проиллюстрирована на одной из ключевых тем.

Тема «Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева»

Периодический закон - это не только один из важнейших за­конов природы, но и методическая основа изучения химии. Позна­ние периодического закона дает возможность сформировать пред­ставление о единстве и целостности материального мира, раскрыть закономерности процессов и явлений, происходящих в нем.

Воспитательную цель темы можно сформулировать следующим образом: подвести учащихся к пониманию прогностического зна­чения периодического закона и периодической системы химичес­ких элементов Д.И. Менделеева для развития науки и производ­ства, сохранения природной среды. Раскрыть отрицательные по­следствия нарушения сложных взаимосвязей в природе для всего живого.

При изучении данной темы учащиеся знакомятся с биогенны­ми элементами, определяют их место в периодической системе, рассматривают их биологическую роль в организмах на основа­нии качественных и количественных характеристик атомов, срав­нивают свойства биогенных элементов и их аналогов, раскрыва­ют зависимость биологических свойств элементов от изменения зарядов ядер, радиусов атомов и их относительных атомных масс. Устанавливают, что химический состав организмов есть отраже­ние химического состава окружающей их естественной среды и что количественное содержание тех или иных химических элемен­тов в живом веществе зависит от величины относительных атом­ных масс.

Приведенная ниже информация поможет учащимся понять при­чины происходящих и живой природе процессов, которые напря­мую связаны с экологическими проблемами.

Объясняя причину того, что основу жизни составляют шесть элементов первых трех периодов (Н, С, М, О, Р, 8), на долю кото­рых приходится 98% массы живого вещества (остальные элемен­ты периодической системы составляют не более 2%), следует ука­зать три основных критерия: 1) малый размер атомов; 2) небольшая относительная атомная масса; 3) способность образовывать прочные ковалентные одинарные и кратные связи. Для молекул живой клетки последнее обстоятельство имеет первостепенное значение, поскольку в основе всех биохимических реакций лежит процесс разрыва одних связей и образования других. Что же каса­ется водорода, то этот элемент образует химические связи со все­ми остальными пятью элементами. Так, прочно соединяясь с угле­родным скелетом, водород создает более или менее однородную по свойствам внешнюю часть органических молекул, поэтому они сла­бо притягиваются друг к другу и активно участвуют в обменных процессах. Водородные связи обусловливают уникальные свойства воды, ее растворяющую способность, удерживают в устойчивом положении вторичную (спиральную) структуру молекулы белка. В живом веществе на долю водорода приходится 10%.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно ска­зывается на жизнедеятельности биологических систем, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внеш­ней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), про­явления токсичности и конкурентных отношений. Перечислим их:

1. Элементы с четными атомными номерами распространены в природе несколько больше, чем элементы с нечетными атом­ными номерами.

2. Чем выше температура плавления и плотность металла, тем реже элемент встречается в природе.

3. Распространенность в природе близких по свойствам элемен­тов обычно убывает с ростом их относительных атомных масс.

4. Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величи­ны их относительных атомных масс.

Для иллюстрации этого положения можно использовать данные табл.1 на стр. 141.

5. С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, а следова­тельно, и в живом организме и уменьшается доля их участия в обмене веществ (в метаболизме).

Таблица 1

СРЕДНЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖИВОМ

ОРГАНИЗМЕ НА ПРИМЕРЕ ЭЛЕМЕНТОВ II ГРУППЫ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЫ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Химический элемент	Относительная атомная масса	Содержание в организме (вес %)
Мд	24	10~2 (в растениях)
Са	40	10~2(в животных)
2п	65	10~3
5г	87	10~3
Си	112	10~4
Ва	137	ю-5
нд	201	Ю-6 - 10~7
Яа	226	ю-12

6. С увеличением атомного номера, относительной атомной мас­сы и радиуса атома (в группах, подгруппах) возрастает токсич­ность элементов (в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: ее пары ядовиты). Например, при характеристике элементов главной подгруппы II группы периодической системы отмечают, что химический эле­мент магний - это макроэлемент, участвующий в образовании ко­стной ткани животных и человека, в белковом обмене, входит в состав хлорофилла растений, регулирует кровяное давление. Маг­ний необходим для образования структуры и нормальной функции митохондрий («энергетических станций» живой клетки).

Элемент этой же подгруппы - барий даже в небольших коли­чествах опасен для организма. Водорастворимые соли бария - хло­рид, нитрат, карбонат, сульфид - очень ядовиты. При остром от­равлении ими поражаются нервная система, сосуды, а при хрони­ческом - костная ткань, костный мозг, печень. Барий вытесняет из костей кальций и фосфор, что приводит к нарушению кальци­евого обмена и тяжелому поражению костной ткани, известному под названием уровской болезни (размягчение костей).

Элемент побочной подгруппы II группы цинк - незаменимый Для живых организмов микроэлемент. Он входит в состав ферментов и гормонов (например, инсулина, вырабатываемого поджелу­дочной железой, который регулирует содержание глюкозы в кро­ви), влияет на рост растений и животных (недостаток его вызыва­ет карликовость), участвует в анаэробном дыхании растений (спир­товое брожение), в транспорте углекислого газа в крови позвоночных, разрушении пептидных связей при переваривании (гидролизе) белков.

В то же время содержание кадмия и ртути - элементов той же подгруппы - в живом организме минимально. Биологическая роль кадмия не изучена. Известно, что при избытке кадмий проявляет канцерогенные свойства. Растворимые соединения кадмия после всасывания в кровь поражают центральную нервную систему, пе­чень и почки, нарушают фосфорно-кальциевый обмен. Этот эле­мент попадает в биосферу с минеральными удобрениями (входит в состав суперфосфата) и фунгицидами (противогрибковыми пре­паратами), при сжигании мусора, содержащего изделия из пласт­массы. В легкие человека, выкурившего одну сигарету, попадает 1-2 мкг кадмия, 25% от этого количества остается в организме.

Гипотетически ионы ртути в ультрамикроколичествах участву­ют в синтезе простых белков и передаче наследственной инфор­мации. В то же время в повышенных дозах они разрушают белко­вые молекулы, образуя с ними устойчивые соединения, вызыва­ют расстройства нервной системы, снижают работу сердца, угнетают синтез фитопланктона.

При анализе элементов главной подгруппы III группы отмеча­ют, что бор входит в число обязательных для организма микроэле­ментов (содержание его составляет 10 ³%). Этот элемент положи­тельно влияет на рост растений, процессы дыхания, углеводный обмен. Недостаток его приводит к отмиранию у растений точек роста стеблей и корней. Сравнивая строение бора со строением других элементов этой подгруппы - галлием и таллием, учащие­ся могут сделать предположение о том, что с увеличением заряда ядра и относительной атомной массы элементов содержание пос­ледних в растительных и животных организмах должно значитель­но понизиться. Это предположение можно подтвердить количе­ственными данными: концентрация галлия в организме человека составляет 10^%, а для таллия (сильный яд) эта величина равна 1(Г¹²%.

Среди элементов IV группы углерод - основа жизни (концент­рация его в организме человека - 10%), а свинец (Ю^⁶ - 10~^|2%) и его соединения - яды, вызывающие рак почек и желудочно-кишеч­ного тракта, препятствующие газообмену у рыб (уплотняют слизь, покрывающую жабры). Наличие свинца в природной среде связа­но с применением его в промышленности в технологических це­лях. Основной вид использования свинца, при котором он широ­ко рассеивается, - производство и применение алкилсвинцовых присадок (тетраэтилсвинец) к топливу. Большие количества свин­ца сбрасывают с отходами в почву и воду такие производства, как добыча и переработка руд, производство стали, аккумуляторных батарей, печатных шрифтов, пигментов, нефтепродуктов, фотогра­фических материалов, взрывчатых веществ, стекла и телевизион­ных трубок. Для снижения выбросов свинца переходят к широко­му использованию на транспорте электричества, ведут работы по сокращению содержания свинца в автомобильном бензине и пе­реходу на сжиженный газ, совершенствованию двигателей внут­реннего сгорания, созданию новых систем двигателей и электро­мобилей, замене свинцовых кабелей на мелковолокнистые мате­риалы и малотоксичные металлы, а также по вводу в «свинцовую» промышленность безотходных технологий.

У учащихся может вызвать интерес исторический факт о вы­рождении династии римских военачальников. Существует гипотеза о том, что полководцев погубила домашняя утварь и водопровод, изготовленные из свинца. Значительные дозы этого металла по­падали в их организмы вместе с пищей и водой и там накаплива­лись. Хроническое свинцовое отравление сказывалось прежде всего на угнетении функций центральной нервной системы: ос­лабевала воля, снижалась быстрота реакции, утрачивалась способ­ность быстро принимать верные решения и т.п.

Элементы V группы - азот и фосфор - истинные биогены. Их содержание - по 10~'%. Они, как и углерод, образуют живое ве­щество биосферы. Их аналог - мышьяк (10^%) - в больших кон­центрациях вызывает нарушение тканевого дыхания и снижение энергетических ресурсов клетки; закисление организма (ацидоз), развивающееся вследствие угнетения окислительных процессов и накопления в тканях молочной и пировиноградной кислот и дру­гих кислых продуктов обмена; изменение толщины стенок сосу­дов, расстройство сердечной деятельности; обезвоживание орга­низма и потерю солей; нарушение транспорта кислорода из-за включения мышьяка в молекулу гемоглобина (развивается анемия). Доказана взаимосвязь между внешним воздействием мышьяка и повышенной заболеваемостью раком кожи, лимфатической систе­мы и желудочно-кишечного тракта. Предполагают также, что мышьяк заменяет в организме фосфор в молекуле ДНК и тем са­мым вызывает разрушение хроматинного материала. Соединения мышьяка содержатся в отходящих доменных газах, в угольной золе, в отходах медеплавильного и сернокислотного производств.

7. Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкурен­цию и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую ак­тивность, на биохимические процессы.

Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Са - Ва, 2п - Н§, Ре - N1 (Со), 8 - 8е, N1 - Сё, 2п - Сё, А1 - Са, А1 - Ре, М§ - Мп, К - 1л, К - Т1, Са - 8г, № - Си, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрируют зависимость химических свойств эле­ментов, их биологической роли от строения атомов.

Так, замена натрия или калия в организмах животных и чело­века на литий вызывает расстройства нервной системы, так как в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мем­бранах и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нару­шения приводят к шизофрении.

Таллий - биологический конкурент калия, заменяет его в кле­точных мембранах, поражает центральную и периферическую нервную систему, желудочно-кишечный тракт и почки.

Аналог серы - селен. Их содержание в животном организме соответственно 10~² и 10 ⁵%. Селен - единственный элемент, ко­торый при высоком содержании в растениях может вызвать вне­запную смерть животных и человека, употреблявших их в пищу. Селен замещает серу в аминокислотах, белках, эфирных маслах. Такая взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании (при загрязне­нии среды) других. Этот процесс объясняется прежде всего ана­логичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов.

Кальций - при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по харак­теристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значи­тельно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающийся в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при ава­риях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Кадмий конкурирует с цинком. Этот элемент снижает актив­ность пищеварительных ферментов, угнетает синтез гликогена в печени, влияет на углеводный обмен, вызывает декальцификацию скелета, приводящую к его деформации, угнетению роста костей, тяжелым болям в пояснице и в мышцах ног, к хрупкости костей (например, перелому ребер при кашле), рак легких и прямой киш­ки, нарушает функцию поджелудочной железы, развивает пораже­ние почек, снижает в крови содержание железа, кальция, фосфо­ра. Этот элемент тормозит процессы самоочищения в природных водоемах, накапливается в водных и наземных растениях (отме­чается, например, 20-30-кратное увеличение содержания кадмия в листьях табака).

Галогены как элементы-аналоги очень легко могут взаимозаме­няться в организме. Избыток фтора в организме человека (фтори­рованная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятия по производству алюминия и другие причины) пре­пятствует поступлению в него йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы, эндокринной системы в целом. Важно подчеркнуть гениальность открытия Д. И. Менделеева, состоящую в том, что оно полностью распространяется на биоло­гические системы и живую природу. Открытие периодического закона и создание периодической системы позволило ученому предсказать развитие совершенно новых для того времени наук -биохимии, бионеорганической и биоорганической химии, биогео­химии, биотехнологии. Очевидно и то, что огромная информация, глубочайшие знания законов природы еще не открыты.

При изучении данной темы можно использовать проблемные вопросы, которые значительно стимулируют интерес учащихся не только к изучаемому материалу, но и к смежным дисциплинам: биологии, географии, физике, предметам общественно-гуманитар­ного цикла.

В качестве примеров проблемных вопросов можно привести следующие:

, 1. Почему основная масса молекул живых организмов образова­на атомами шести элементов трех первых периодов? Какие кри­терии лежат в основе их отбора «природой»?

Почему основа жизни - углерод, а не кремний, его аналог?

1. Почему углекислый газ усваивается растениями в процессе фо­ тосинтеза, а оксид кремния (IV) - нет?

2. Какие индивидуальные характеристики отличают серу и фос­ фор от их соседа по периоду - кремния и позволяют им в от­ личие от него участвовать в биохимических процессах?

3. Существует ли в природе среди химических элементов такая же аналогия, как в периодической системе? Приведите примеры.

4. Возможна ли биологическая взаимозаменяемость элементов в природе, аналогичная химической? Ответ поясните.

В полном объеме эти и другие вопросы могут быть рассмотре­ны на межпредметном уроке-семинаре «Биогенные элементы и проблема охраны природной среды». Учащиеся готовят модели кристаллических решеток фосфата кальция и стронция; схему пищевой цепи, по которой происходит передвижение и накопле­ние токсичного элемента (например, свинца); таблицы «Аккуму­ляция некоторыми растениями токсичных элементов», «Зависи­мость биологических функций некоторых элементов от их коли­чественных характеристик» (рассматривают двойственную роль веществ в природе в зависимости от их концентрации). Можно организовать самостоятельную работу учащихся в группах по под­готовке теоретических вопросов семинара.

Тема «Углеводороды» (10 класс)

Курс органической химии достаточно сложен для восприятия и усвоения. Учащиеся часто утрачивают к нему интерес уже пос­ле первой темы. Однако трудно переоценить мировоззренческое значение изучения органических веществ, из которых состоит весь природный мир Земли и каждый из нас. Экологизация курса орга­нической химии поможет ввести ученика в этот мир «изнутри» и раскрыть не только особенности строения и свойства биомолекул, но и проблемы, которые возникают для живых организмов, отдель­ных экосистем и биосферы в целом.

Изучение курса следует начать с выявления особенностей ато­ма углерода. Как истинный биофил, углерод обладает небольшой относительной атомной массой, малым радиусом и способностью к образованию кратных связей. Это единственный элемент, который может сохранять в цепях одновременно одинарные, двойные и тройные связи.

Ковалентные связи между атомами углерода обеспечивают ус­тойчивость и самосохранение разнообразных сложных структур­ных образований с большим запасом в них энергии, что очень важно для жизнедеятельности организмов.

Помимо прочности, молекулы на основе атомов углерода еще и подвижны, гибки и могут геометрически приспосабливаться друг к другу Повороты отдельных групп в молекулах без разрыва С—С связей (конформационная подвижность) определяют свойства био­полимеров.

По цепям сопряженных связей в биомолекулах осуществляет­ся передача энергии. Кроме того, если в цепи содержится более пяти сопряженных связей, то такие молекулы поглощают свет видимой части спектра и приобретают окраску.

У учащихся большой интерес может вызвать информация о закономерностях, отражающих взаимосвязи в системе «строение -свойства», на примере проявления веществом токсичности:

1. В гомологическом ряду сила наркотического действия и токсичность веществ возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.

2. Разветвление углеродных цепей ослабляет наркотическое и токсическое действие; напротив, при замыкании цепи токсичность веществ возрастает.

3. Наличие кратных связей увеличивает химическую активность органических соединений, что, в свою очередь, не только обус­ловливает усиление наркотического и токсического эффектов, но может изменить характер воздействия вещества, например, такое соединение обладает раздражающим действием.

4. Воздействие токсического вещества зависит от его концентрации, что зачастую обусловлено такими показателями, как ле­тучесть (зависит от температуры кипения) и растворимость (ве­ щество попадает в организм в растворенном состоянии или не­посредственно растворяется в жидкостях организма). Знание перечисленных закономерностей поможет учащимся более осмысленно и целенаправленно подойти к анализу струк­тур органических соединений и по возможности прогнозировать их свойства с позиций воздействия на живые объекты природы.

При изучении метана приводится информация, расширяющая представления учащихся о его роли в биосфере, использовании его в биотехнологии и органическом синтезе.

Расчеты показывают, что скорость образования атомов хлора должна быть максимальной на высоте порядка 30 км. Однако скорости диффузии молекул фреонов от земной поверхности в стратосферу очень невелики из-за их значительной молекулярной массы, поэтому считать фреоны причиной разрушения озонового слоя, по крайней мере, проблематично.

Тем не менее в ряде стран было принято решение о сокраще­нии производства фреонов, а в последующем - и полном его пре­кращении. В качестве хладоагентов, например, можно использо­вать менее летучие фторхлорметаны, а в аэрозольных упаковках -сжиженные газообразные парафины.

При рассмотрении галогеналканов можно предложить учащим­ся дополнительную информацию о физиологическом действии некоторых из них, например хлороформа и дихлорэтана.

Хлороформ по характеру действия - наркотик, вызывающий нарушение обмена веществ и поражение внутренних органов, осо­бенно печени. При небольшом отравлении возникают рвота, боли в желудке, нарушение сердечно-сосудистой деятельности. При тяжелом отравлении - ослабление дыхания, понижение темпера­туры тела, глубокий наркоз. Хроническое воздействие хлорофор­ма в небольших концентрациях вызывает дерматиты, экземы, же­лудочно-кишечные расстройства, изменения в печени.

Дихлорэтан действует как наркотик, причем по силе наркоти­ческого действия занимает среди галогеналканов первое место. В основном поражает печень. При легком отравлении появляют­ся головные боли, головокружение, тошнота, замедление пульса, небольшое увеличение печени. При тяжелом остром отравлении эти проявления выражены сильнее. Возможен смертельный исход. При хроническом отравлении наблюдается поражение печени, со­провождающееся желтушной окраской слизистых оболочек и кож­ных покровов. При контакте с кожей возникают дерматиты.

Материал о получении ацетилена из метана связывается с эко­номическими и экологическими проблемами. Анализируя метод окислительного крекинга метана, внимание учащихся обращают на то, что тепло, затрачиваемое на эндотермическую реакцию об­разования ацетилена, получают за счет сгорания метана в специ­альных горелках, где при температуре 1600-2200 °С образуется ацетилен:

2СН + 30

2СО + 4Н₂О

2СН4-

* С2Н2 Н

ьЗН2

С₂Н₂

2СО + ЗН

4Н₂О

4СН + ЗО

Кроме ацетилена образуется смесь оксида углерода (II) и водо­рода, представляющая собой синтез-газ - ценное сырье для орга­нического синтеза (например, метанола). Отмечается, что один из перспективных методов получения ацетилена и водорода из мета­на - плазмохимический, для которого характерны полное отсутствие сажеобразования и низкий расход электроэнергии - 4-5 кВт-ч на 1 м³ продукта.

При изучении ароматических соединений внимание учащихся обращается на их высокую токсичность.

Бензол обладает общетоксическим и мутагенным действием, воздействует на репродуктивную функцию женщин. Действует на почки, печень, изменяет формулу крови (уменьшает количество лейкоцитов, тромбоцитов, красных кровяных телец), нарушает структуру хромосом.

Нитробензол также обладает общетоксическим действием. Вызывает метгемоглобинемию, желтушность белков, физиологи­ческие и неврологические расстройства.

Рассматривая материал о пестицидах, следует подчеркнуть, что это, пожалуй, единственный вид загрязняющих веществ, который человек вносит в окружающую среду сознательно. Известно, что во всем мире из-за болезней растений, сорняков и вредителей те­ряется более трети урожая.

В качестве пестицидов применяют более 600 химических со­единений. Инсектициды и акарициды (уничтожают клещей) - это в основном фосфорорганические соединения (паратион, малати-он), а также производные карбаминовой кислоты (севин, карба-мат, нортилкарбамат), хлор- и бромзамещенные углеводороды (ли-дан, гексахлоран, альдрин) и другие вещества. К фосфороргани-ческим соединениям относятся также хлорофос, трихлофос, бактекс, применяемые для борьбы с комарами и мухами. В ассор­тимент фунгицидов входят гетероциклические соединения, неко­торые неорганические соединения серы. К гербицидам относятся триазин и его производные, карбаматы, производные карбамида и бензойной кислоты, нитросоединения и соединения мышьяка.

Примечание. Названия соединений даны не для запоминания.

Среди пестицидов на первом месте по значению и тоннажу до недавнего времени были хлорорганические соединения: гексахло­ран, ДДТ, гексахлорбензол, полихлорпинен и др. Их использова­ли для борьбы с вредителями зерновых, зернобобовых, овощных и технических культур, виноградников, в лесном хозяйстве, ветеринарии. Их отличительная черта - стойкость к воздействию раз­личных факторов среды (температуре, влаге, солнечной радиации); они почти не разлагаются в воде и почве, накапливаются в расте­ниях и животных. Длительное их применение в неограниченном количестве оказывает негативное воздействие на многие стороны биогеоценозов. Большую опасность представляет концентрация их в цепях питания - возникают хронические отравления с пораже­нием, например, у животных или человека печени, центральной и периферической нервной системы, других жизненно важных ор­ганов и систем.

Серьезную опасность для живых организмов представляет то обстоятельство, что эти чужеродные для природы вещества неред­ко обладают мутагенным действием (индуцируют хромосомные перестройки, повышают стерильность пыльцевых зерен, например у пшеницы, изменяют популяционный состав). Опасность усугуб­ляется еще и тем, что эти вещества, по существу яды, могут по­падать в неконтролируемую человеком природную среду, напри­мер в водоемы. Многие пестициды могут вызвать гибель водорос­лей, зоопланктона, различных личинок, рыб. Так, низкие, но хронические концентрации пестицидов в морской воде вызывают серьезные сдвиги физиологических функций и нарушение эмбри­онального развития у бычков, кефалей, морской собачки.

Фосфорорганические пестициды при определенных дозах сни­жают уровень тканевого метаболизма у пресноводных рыб - кар­па, осетра, судака, леща. Эти пестициды оказались более токсич­ными для птиц, чем препарат ДДТ. Их действие проявляется, в первую очередь, в нарушении репродуктивной функции птиц, ги­бели кладок, увеличении периодов кладки, насиживания, пребы­вания птенцов в гнезде.

Многие пестициды действуют на половую систему млекопита­ющих, снижая их способность к размножению, а при длительном пребывании на загрязненных пестицидами площадях популяции млекопитающих гибнут.

За последние три десятилетия использование пестицидов в нашей стране увеличилось в 7 раз, тогда как урожайность зерно­вых возросла всего с 11 до 16 ц с га, что связано с возникновени­ем устойчивости у подавляемых видов. У насекомых приспособ­ленность к пестицидам возникает за 10-30 поколений. В настоя­щее время около 500 видов насекомых устойчивы к применяемым инсектицидам. Бесконтрольное применение пестицидов привело к огромным потерям насекомых-опылителей, насекомых-хищни­ков, которые в естественных условиях являли собой пример био­логической борьбы с вредными насекомыми.

Действие пестицидов проявляется в нарушении обмена амино­кислот в организме, приводящего к выделению свободного амми­ака, который усиливает эффект отравления. Патологические изме­нения проявляются в выделении пищеварительного секрета, интенсивности дыхания. В организме насекомых происходит трансформация токсикантов в более токсичные вещества под вли­янием факторов окружающей среды.

Сейчас создаются препараты с высокой избирательной способ­ностью, различной продолжительностью действия (от нескольких часов до многих месяцев). Многие из них под влиянием микро­организмов, солнечного света, воды и воздуха полностью разла­гаются на безвредные вещества. Таковы препараты из семейства пиретринов и их синтетических аналогов - пиретроидов, которые вносят на поля в количестве 5-20 г/га, т. е. в 100 - 1000 раз мень­шем, чем в случае традиционных пестицидов. Вещества, исполь­зуемые в качестве регуляторов роста (этилен, гетероауксин, этрел, хлорсульфурон, гимексазол, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, абсцизовая кислота и др.), либо малотоксичны, либо вовсе безвред­ны для человека, животных, рыб и насекомых.

В борьбе с насекомыми довольно широко применяют вещества, которые используются насекомыми или растениями в естествен­ных, природных процессах: репелленты (отпугивают насекомых), антифиданты (в присутствии этих веществ привычный корм ста­новится насекомым не по вкусу), аттрактанты (привлекают насе­комых к пище, к месту кладки яиц, помогают самцам в период спаривания найти самок), феромоны (вещества, изменяющие по­ведение насекомых; среди них феромоны тревоги, мечения терри­тории, половые аттрактанты, а также вещества, регулирующие принадлежность насекомых к определенной касте, и т. д.). При­меняют феромоны в крайне малых количествах, обрабатывая ими небольшую часть угодий. Так, для охраны примерно 4000 га са­дов от плодожорки достаточно обработать всего 400 га. Аттрак­танты можно использовать при конструировании ловушек для на­секомых (причем в экологическом отношении такие ловушки пол­ностью безвредны), а также обрабатывать этими веществами гранулы удобрений для отвлечения вредителей от семян и всхо­дов.

Учащимся может быть предложена экологическая игра, в ко­торой анализируют последствия воздействия пестицидов на пище­вую цепь: травянистые растения - грызуны (кролики, мыши) -хищники 1-го порядка (лисы, ласки) - хищники 2-го порядка (бер­кут).

Вопросы и задания для закрепления знаний

1. Какие химические методы используют для обезвреживания га­ зов, содержащих ароматические соединения?

2. Какие природоохранные мероприятия могут быть использова­ ны при применении пестицидов?

3. Составьте схему опосредованного влияния пестицидов на че­ ловека.

4. В чем состоит двойственная роль химических средств защиты растений?

5. Приведите пример нарушения какой-либо экосистемы в резуль­ тате хозяйственной деятельности человека. Какие природоох­ ранные мероприятия следовало бы осуществить, чтобы избе­ жать этого нарушения?

Учебный эксперимент в преподавании экологизированного курса химии

Химический эксперимент - неотъемлемая часть обучения хи­мии. В условиях экологизации химического образования его роль возрастает: он становится активным методом изучения окружаю­щей природной среды, формирования и совершенствования зна­ний в области химии, экологии и охраны природы; с его помощью осуществляется контроль за качеством овладения экологизирован­ным курсом химии, воспитывается нравственное отношение к окружающему миру. Под руководством учителя школьники учат­ся анализировать разнообразные экологические ситуации, прогно­зировать функционирование природных систем в условиях антро­погенного воздействия, находить решения, направленные на защи­ту и сохранение среды обитания.

В настоящее время экологизация химического эксперимента идет в двух направлениях: использование аналитических методов для опрецеления состояния природного окружения; переработка отходов, образующихся в результате химических реакций (унич­тожение веществ, их обезвреживание с последующим помещени­ем во внешнюю среду или повторное использование в учебном процессе).

Существуют, по крайней мере, еще три направления в этой области, разработка которых позволила бы учителю в доступной и наглядной форме раскрыть единство живой и «неживой» при­роды, характер деятельности человека в окружающей его среде, принципы рационального природопользования, двойственную роль веществ в природе, способы защиты среды обитания от хи­мического загрязнения. К этим направлениям относятся: исполь­зование химического эксперимента для объяснения природных явлений и процессов; изучение воздействия веществ на живые организмы и экосистемы; разработка экологически безопасного эксперимента.

Переориентация содержания школьного курса химии в область экологических проблем требует и изменения направленности учеб­ного эксперимента. Основными в обучении химии являются три вида учебного эксперимента: демонстрации (выполняются, как правило, учителем), лабораторные опыты и практические работы (выполняются учащимися). Экологизация программного экспери­мента во всех его трех видах осуществляется в трех направлениях:

а) химическое содержание эксперимента сохраняется, но обязательным элементом становится экологическая чистота прове­дения опыта, которая достигается либо хорошей герметизаци­ ей лабораторного оборудования, либо нейтрализацией или обез­вреживанием продуктов реакций, либо заменой опасных для здоровья учащихся реактивов на безопасные;

б) содержание эксперимента сохраняется, но оно ориентировано на экологическую проблему;

в) химическое содержание заменяется на экологическое при сохра­нении смысловой нагрузки эксперимента или тематического раздела курса.

Все опыты должны быть безвредны и безопасны для учащих­ся, при необходимости для их постановки используют полумик-рометод.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие указанные на­правления.

Направление А

Пример 1. Демонстрация опытов, в результате которых обра­зуются токсичные продукты.

Основной путь безопасного проведения опыта - это замыкание процесса на поглотитель.

Опыт. Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с медью. Опыт небезопасен из-за продукта реакции - оксида азота (IV) - токсичного вещества, поражающего альвеолярную ткань легких, вызывающего расширение сосудов, снижение кровяного давления, повреждение эритроцитов крови, химические некрозы зубной эмали.

Опыт демонстрируют с использованием традиционного лабораторного оборудования, дополненным поглотительной склян­кой для обезвреживания оксида азота (IV). Склянку заполняют либо раствором щелочи, либо гидрокарбонатом натрия. В качестве поглотителя используют также водный раствор аммиака и карбо­нат аммония. В этом случае образуется нитрит аммония - нестой­кое соединение, которое разлагается с выделением воды и элемен­тарного азота - экологически безвредных веществ.

Пример 2. Демонстрация опытов, для проведения которых используются вредные вещества.

Опыт. Взаимодействие этилена с бромной водой и раствором перманганата калия.

В опыте используется бромная вода, которую предварительно получают растворением в воде чистого брома - сильнейшего яда. Как правило, при приготовлении бромной воды учитель или ла­борант подвергают свой организм опасности острого химическо­го отравления. Для избежания нежелательных для здоровья по­следствий в опытном обучении был исключен контакт с бромом. Единственным реактивом на двойную связь оставался раствор перманганата калия.