Практикум по решению задач курса органической химии с экологическим содержанием

Введение

Современное человечество, вооруженное техникой и использующее огромное количество энергии, представляет очень мощную силу, воздействующую на природу Земли. Если эти воздействия не учитывают природных законов и разрушают установившиеся за миллионы лет связи, возникают катастрофические последствия. Люди уже столкнулись с целым рядом природных катастроф, вызванных их деятельностью. Это возникновение так называемых "озоновых дыр", парниковый эффект, массовое уничтожение лесов на всех континентах, исчезновение тысяч видов растений и животных, накопление промышленных отходов на свалках и многое другое.

1. Задачи с экологическим содержанием в курсе органической химии

Экологизация школьного курса химии обусловлена необходимостью готовить школьников к активному участию в решении насущных проблем защиты окружающей среды от загрязнения. В настоящее время вопросы экологии находят свое отражение в новых учебных программах и содержании курса химии. Одним из эффективных методов формирования экологических знаний и умений школьников становится решение задач по экологической проблематике. Их оптимальное использование в учебном процессе позволяет сделать теоретический материал аргументированным, жизненным и менее академичным. В поисках ответа на вопрос задачи ученик невольно становится сопричастным к проблемам защиты природы, получает реальные возможности использовать приобретенные знания в жизни.

В условия задач могут быть включены следующие проблемы:

двойственная роль химии -- она, с одной стороны, служит человеку и природе, а с другой -- приводит к нарушению биогеохимических процессов при неразумном использовании ее достижений человеком;

влияние отдельных химических элементов и их соединений на живые организмы; экологическое несовершенство производства, связанное с многостадийностью химических процессов, накоплением отходов, появлением побочных продуктов, попаданием вредных веществ в природную среду. Физиологическое воздействие отходов химической промышленности на человека и животных в рамках системы «человек -- производство -- природа».

Исходные данные для составления задач с экологическим содержанием можно получить из справочной и научно-популярной литературы, учебных пособий, статей и периодических изданий.

Среди разнообразных задач в данной статье выделим три группы задач с экологическим содержанием.

I. Задачи, которые позволяют раскрыть структуру и функционирование природных систем, выявить экологические проблемы, связанные с нарушениями равновесия в биосферных процессах и биогеохимических циклах, истощением природных ресурсов и ухудшением качества окружающей среды в результате ее загрязнения отходами химических и других производств.

Пример 1. Рассчитайте объем углекислого газа, возвращенного в круговорот углерода , если ими было утилизировано из воздуха, 4,8 т метана. процесс биологического окисления метана идет ступенчато. пример 2. пдк фенола у мест водопользования составляет 0,001 мг/л. рассчитайте, во сколько раз концентрация фенола будет превышать предельно допустимую, если в водоем вместимостью 104 м3 со сточными водами коксохимического предприятия было сброшено 47 кг фенола.

пример 3. в лабораторных спиртовках этиловый спирт сгорает с выделением углекислого газа и воды. вычислите объем углекислого газа, который накопился в химическом кабинете вместимостью 288 м3, если на каждом из 18 столов за время работы учеников сгорает 2,3 г спирта. рассчитайте объемную долю выделившегося углекислого газа и поясните, окажет ли он влияние на самочувствие учащихся, работающих в кабинете, если учесть, что объемная доля углекислого газа в атмосферном воздухе составляет 0,03 %, а если его содержание выше 4 %, то происходит раздражение дыхательных путей, возникают шум в ушах, головная боль.

пример 4. в питьевой воде были обнаружены следы вещества, обладающего общетоксическим и наркотическим действием. на основе качественного и количественного анализа этого вещества было установлено, что это производное фенола и массовые доли элементов в нем составляют: 55% с, 4,2% н, 14,8% о, 27 % с1. установите молекулярную формулу вещества. составьте уравнение реакции его получения, укажите возможные причины попадания этого вещества в природную среду.

пример 5. на нефтеперерабатывающем заводе негерметичное соединение коммуникаций иногда приводит к утечке бензина или другого нефтепродукта например, при утечке одной капли бензина в секунду потери топлива в месяц составляют 130 л, а в год -- 1560 л. сколько километров мог бы пройти автомобиль в месяц и в год на потерянном топливе, если его расход составляет 15 л на 100 км? какой вред могут принести окружающей среде потери нефти и нефтепродуктов в нефтеперерабатывающей промышленности?

II. Задачи, в которых отражены вопросы регулирования состояния природной среды, разработки мер по предотвращению негативных последствий антропогенного воздействия в этом случае важно показать возможность решения экологических проблем, включая в условия задач данные о создании технологий, по которым большая часть природных ресурсов, вовлекаемых в хозяйственный оборот, преобразуется в полезную продукцию необходимо раскрыть сущность новых способов утилизации отходов, которые на современном уровне развития науки и техники еще не используются.

пример 1. из 1 м3 древесных отходов (сучья, пни, кора, щепа, листья) можно получить 60 л метанола рассчитайте массу 40 %-го раствора формалина, который можно получить при окислении спирта такого объема

пример 3. в настоящее время адипиновую кислоту в промышленности получают прямым окислением циклогексана. раньше использовали метод, при котором в качестве окислителя применяли азотную кислоту, поэтому производство служило источником загрязнения окружающей среды оксидами азота. определите массу адипиновой кислоты, которую можно получить из 252 кг циклогексана.

пример 4. в промышленности винилхлорид получают пиролизом дихлорэтана. В настоящее время осуществлен сбалансированный синтез дихлорэтана, при котором получают единственный продукт процесса -- винилхлорид. для этого выделяющийся при пиролизе дихлорэтан смешивают с этиленом и подвергают окислительному хлорированию на катализаторе, содержащем хлорид меди на носителе.

рассчитайте объем хлороводорода (н. у.), выделившегося при пиролизе 19,8 кг дихлорэтана, и массу винилхлорида, полученного при сбалансированном синтезе какой объем займет этилен (н. у.), необходимый для второй стадии процесса? оцените новую технологию получения винилхлорида с позиций защиты окружающей среды от загрязнения.

3. Задачи, способствующие формированию личностных качеств учащихся: этических норм отношения к природе, познавательного интереса, умения вариативно и нестандартно мыслить такие задачи часто бывают проблемными по содержанию и требуют самостоятельного поиска решения. в этом случае анализ экологической проблемы; отраженной в задаче, не только способствует активизации умственной деятельности школьников, расширению их кругозора в экологических вопросах, но и обусловливает выработку динамичности умственных действий, уводит от стандартизации и шаблона, раскрывает индивидуальные качества учеников.

пример 1. в основе самоочищения водоемов от органических загрязнений лежит процесс их окисления если органических веществ в воде немного, то они окисляются растворенным в воде кислородом этот процесс ускоряется под действием солнечного света. Способствуют окислению и некоторые микроорганизмы. существуют химические методы интенсификации процесса окисления органических загрязнений в воде. какой из предложенных ниже реагентов вы выберете для ускорения этого процесса:

а) пероксид водорода;

б) хлор или его кислородсодержащие производные;

в) озоно-воздушную смесь? Дайте обоснованный ответ.

Пример 2. Соберите непищевые отходы, накопленные вами за один день. Проанализируйте их состав. Составьте прогноз о превращениях этих веществ при попадании в окружающую среду. Опишите, как вы поступили с собранным вами мусора после проведенного анализа.

Особое внимание при решении задач необходимо обращать на анализ их условий и полученных результатов, так как эти операции помогают учащимся оценить состояние окружающей среды и выявить эффективность мер по ее охране.

Приведем пример такой задачи: «В настоящее время муравьиную кислоту получают из природного газа путем каталитического окисления содержащегося в нем метана. Вычислите объем природного газа (н. у.), необходимого для получения муравьиной кислоты массой 69 т, если объемная доля метана в нем равна 0,95. Определите преимущества данной технологии по сравнению с методом получения муравьиной кислоты путем разложения формиата натрия серной кислотой при охлаждении раствора».

Содержание задачи раскрывает один из способов комплексного использования сырья на примере природного газа. Современный способ получения муравьиной кислоты дает экономическую выгоду, так как его, использование уменьшает расход ценного сырья.

Если природный газ используют без предварительной переработки, то это вызывает попадание в атмосферу большого количества продуктов его сгорания: оксидов серы, азота, углерода, которые загрязняют окружающую среду. Данная технология получения' муравьиной кислоты имеет также преимущества в сравнении с синтезом кислоты из формиата натрия, который осуществляется в несколько стадий и дает в качестве побочных продуктов производства соли серной кислоты, кислотные и щелочные сточные воды. Решение задачи позволяет восстановить в памяти учащихся сущность каталитического окисления вообще и метана в частности и закрепить природоохранные понятия: рациональное природопользование, малоотходные технологии.

Анализ результатов решения задачи позволяет сделать вывод, что природный, газ данного объема почти полностью расходуется на получение муравьиной кислоты. Следовательно, выброс отходов производства в окружающую среду уменьшается по сравнению с методом получения ее разложением формиата натрия, так как используется малоотходная технология.

Контроль за деятельностью учащихся при решении подобных задач дает представление об уровнях сформированности их экологических и химических знаний и умений, познавательных интересов, а также интеллектуальном развитии учащихся. Задачи, которые можно решить несколькими способами, так как неоднозначность экологической ситуации отражена в условии, позволяют учителю судить об уровне сформированное экологической культуры учащихся и корректировать свою педагогическую деятельность в этом направлении.

2. Урок «Практикум по решению задач курса органической химии с экологическим содержанием»

Цель. Описывать и объяснять задачи с экологическим содержанием. (Оптимальное использование в учебном процессе таких задач позволяет приблизить теоретический материал к жизни, сделать его менее академичным. В поисках ответа на вопрос задачи ученик невольно соприкасается с проблемами защиты природы и получает реальные возможности использовать приобретенные знания на практике.

Задачи, которые дают возможность раскрыть сущность функционирования природных систем и выявить экологические проблемы

1. Рассчитайте объем СО2, возвращенного в круговорот углерода в результате деятельности метанокисляющих бактерий, если ими было утилизировано из воздуха 4,8 т СН4. Процесс биологического окисления метана идет ступенчато:

СН4 ® СН3ОН ® НСНО ® НСООН ® СО2.

Масса СН4 в атмосфере равна 4,3*108 т, а общая масса СО2 - 2,3*1012 т.

2. ПДК фенола у мест водопользования составляет 0,001 мг/л. Рассчитайте, во сколько раз концентрация фенола будет превышать ПДК, если в водоем вместимостью 104 м3 со сточными водами коксохимического предприятия было сброшено 47 кг фенола.

3. В лабораторных спиртовках этиловый спирт сгорает с выделением СО2 и Н2О. Вычислите объем СО2, который накопился в химическом кабинете объемом 288 м3, если на каждом из 18 столов за время работы учеников сгорает 2,3 г спирта.

Рассчитайте объемную долю СО2 и поясните, окажет ли он влияние на самочувствие учащихся, работающих в кабинете, если учесть, что объемная доля СО2 в атмосферном воздухе составляет 0,03%. Если же его содержание превышает 4%, то происходит раздражение дыхательных путей, возникают шум в ушах и головная боль.

4. В питьевой воде были обнаружены следы вещества, обладающего общетоксическим и наркотическим действием. На основе качественного и количественного анализов этого вещества было установлено, что это производное фенола и массовые доли элементов в нем равны: 55% С, 4,0% Н, 14,0% О, 27% Cl.

Установите молекулярную формулу вещества. Составьте уравнения реакции его получения, укажите возможные причины попадания этого вещества в среду.

Задачи, в которых отражены вопросы регулирования состояния природной среды, разработки мер по предотвращению негативных последствий антропогенного воздействия

5. Из 1 м3 древесных отходов можно получить 60 л метанола. Рассчитайте массу формалина (40%-го раствора формальдегида), который можно получить при окислении указанного объема спирта (rCH3OH = 0,791 г/см3).

6. Один из способов очистки коксового газа от оксидов азота(II) - использование метана:

Какой объем СН4 расходуется в час на взаимодействие с NO на установке по очистке коксового газа производительностью 130 тыс. м3/ч, если в 1 м3 коксового газа содержится 6 см3 NO?

7. В промышленности винилхлорид получают пиролизом дихлорэтана (1-я стадия):

В настоящее время осуществлен сбалансированный (безотходный) синтез винилхлорида. Для этого выделяющийся при пиролизе HCl смешивают с этиленом и кислородом, а затем эту смесь подвергают окислительному хлорированию в присутствии катализатора хлорида меди(II) CuCl2 на носителе (2-я стадия):

Рассчитайте объем НСl (н. у.), выделившегося при пиролизе 19,8 кг дихлорэтана, и массу винилхлорида, полученного при сбалансированном синтезе. Какой объем займет этилен (н. у.), необходимый для второй стадии процесса? Оцените новую технологию получения винилхлорида с позиции защиты окружающей среды от загрязнения.

Задачи, способствующие формированию личностных качеств учащихся

8. В основе самоочищения водоемов от органических загрязнителей лежит процесс их окисления. Если органических веществ в воде немного, то они окисляются растворенным в воде кислородом. Этот процесс ускоряется под действием солнечного света. Способствуют окислению и некоторые микроорганизмы (биологические методы).

Существуют и химические методы интенсификации процесса окисления органических загрязнителей в воде. Какой из предложенных ниже реагентов вы выберете для ускорения этого процесса: а) пероксид водорода; б) хлор или его кислородсодержащие производные; в) озоновоздушную смесь? Дайте обоснованный ответ.

9. Соберите непищевые отходы, накопленные вами за один день. Проанализируйте их состав. Составьте прогноз о превращениях этих веществ при попадании в окружающую среду. Опишите, как вы поступили с собранным вами мусором после проведенного анализа.

3. Задачи с экологическим содержанием на уроках химии

Для экологически грамотного хозяйствования на Земле нужно знать очень много: от того, как взаимодействуют со средой обитания отдельные организмы, до понимания общепланетарных связей живой природы и места в них человеческого общества.

Поэтому экология в настоящее время приобретает особое значение, как наука, помогающая найти выход из возникающего кризиса.

Проблема приобретения экологических знаний решается в общеобразовательных учреждениях через введение дисциплины "экология", а также через экологизацию школьных дисциплин.

На уроках химии учитель поднимает многие экологические проблемы, обсуждает вместе с учащимися возможные пути их решения.

В условиях экологизации химического образования возрастает роль расчетных и творческих задач с экологическим содержанием. Использование на уроках химии таких задач направлено на изучение богатств родного края, способствует пониманию сущности экологических проблем, способствует гуманитарному воспитанию.

Предлагаем задачи, которые можно решать в соответствующих разделах курса химии, а также отдельным блоком на итоговых уроках при закреплении и обобщении знаний в конце изучения курсов неорганической и органической химии.

При изучении темы "Подгруппа кислорода" в 9-м классе мы знакомим учащихся с процессами, обеспечивающими круговорот кислорода в биосфере, рассказываем о значении кислорода и озона в жизни живых организмов и предлагаем для решения и обсуждения следующие задачи:

В стратосфере на высоте 20-30 км находится слой озона O3, защищающий Землю от мощного ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы не "озоновый экран" атмосферы, то фотоны большой энергии достигли бы поверхности Земли и уничтожили на ней все живое. Подсчитано, что в среднем на каждого жителя Белгорода в воздушном пространстве над городом приходится по 150 моль озона. Сколько молекул озона и какая его масса приходится в среднем на одного белгородца? (Ответ: 9,03?1025; 7,2 кг)

Одинаковое ли (и какое именно) число молекул содержится в 1г воды и в 1г кислорода? Какова роль этих веществ в биосфере Земли? (Ответ: 0,33?1023; 0,37?1027)

Чтобы приготовить бордосскую смесь (препарат против фитофторы - грибкового заболевания огородных растений), используют медный купорос CuSO4?5H2O. Рассчитайте число атомов кислорода и водорода, которые содержатся в 350 г этого вещества. (Ответ: 75,8?1023; 84,2?1023)

В сутки человек вдыхает приблизительно 25 кг воздуха. На каждые 100 км пути автомобиль расходует 1825 кг кислорода. Сколько суток сможет дышать человек воздухом, если одна из машин проедет на 100 км меньше? Используя приведенные факты и результаты ваших расчетов, подготовьте:

а) рекламный проспект автомобилей;

б) текст обращения к президенту России о защите природы.

(Ответ: 347 суток 14 часов 52 минуты)

Основной компонент природного газа - метан. Некоторые крупные месторождения природного газа, например Астраханское, Оренбургское, помимо углеводородных газов содержат значительное количество сероводорода. Эта примесь, с одной стороны опасна, так как вызывает сильную коррозию трубопроводов и перекачивающей аппаратуры. Кроме того, при сгорании такого газа получается оксид серы (IV), что вызывает загрязнение атмосферы. С другой стороны сероводород является ценным химическим сырьем, из которого можно получить, например, серную кислоту. Предложите рациональные, по вашему мнению, способы очистки природного газа от сероводорода.

При изучении свойств и применения углерода и его соединений обращаем внимание учащихся на одну из современных экологических проблем - возникновение "парникового эффекта", приводящего к потеплению климата. Предлагаем для обсуждения и обсуждения такие задачи:

Белгородский мел содержит карбонат кальция и карбонат магния в пересчете на CaO и MgO соответственно 54 и 0,5 %.

Сколько примеси содержит белгородский мел?

Какой объем CO2 выделится в атмосферу при обжиге образца такого мела массой 1 кг?

(Ответ: 2,5%)

В природе постоянно происходит круговорот биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота и др. Человек в процессе своей деятельности вмешивается в круговорот веществ, использую минеральное сырье для своих нужд. Какая масса углерода должна превратиться в CO2, чтобы получить 1 л минеральной газированной воды с концентрацией углекислоты 2%, ?=1г/см3. (Ответ: 3,84 г.)

При рассмотрении вопросов применения азота и аммиака в теме "Подгруппа азота" в 9-м классе для закрепления знаний используем такие задачи:

Азот - незаменимый биогенный элемент, поскольку входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Атмосфера - неисчерпаемый резервуар азота, однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот: он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Существуют азотфиксирующие бактерии, способные фиксировать азот воздуха и превращать его в доступную для растений форму. С помощью таких бактерий при хорошем урожае клевер может накапливать за сезон 150-160 кг/га азота. Какой объем воздуха в м3 содержит такую массу азота? Какую массу 10 % раствора аммиачной воды (используемой в качестве удобрений) может заменить 1 га клевера, накопивший за сезон 100 кг/га азота? (Ответ: 120 м3, 2100 кг)

Большой ущерб водным организмам наносят соединения мышьяка. Особенно ядовиты соединения мышьяка (III) Предложите способ очистки сточных вод от арсенатов и арсенитов, принимая во внимание, что мышьяк является аналогом фосфора.

При обобщении знаний учащихся по органической химии в 10-м классе для более глубокого понимания природных процессов предлагаем учащимся следующие задачи:

Накопление углекислого газа в атмосфере становится опасным загрязнением - приводит к парниковому эффекту. Какой объем CO2 попадает в атмосферу при сжигании 100 г полиэтилена (100 шт. использованных пакетов)?

Растения поглощают минеральные вещества и углекислый газ и под действием ультрафиолета синтезируют глюкозу, выделяя кислород.

Какой объем CO2 усвоили зеленые листья сахарной свеклы для получения 100 г сахарозы, из которой можно изготовить 10 конфет (одна конфета содержит примерно 10 г сахара)?

(Ответ: 26 л СО2).

Листья растения махорки содержат лимонную кислоту, примерно 3%. Какая масса зеленых листьев этого растения потребуется для получения 1 кг лимонной кислоты, если потери при производстве составляют 15 %? (Ответ: 39,1 кг).

Поскольку нефтепродукты горючи, очистку от них водной поверхности можно было бы проводить путем сжигания нефтяной пленки. Такой способ, конечно, не экономичен, он связан с потерей топлива, но охрана природы, сохранение морской и прибрежной фауны и флоры важнее, чем экономия нефти. Трудность сжигания нефтяной пленки заключается в том, что поджечь можно только относительно толстый слой плавающей на поверхности воды нефти. Если же пленка тонкая (так бывает в большинстве случаев), поджечь ее не удается. Предложите способ сжигания тонких пленок нефтепродуктов на поверхности воды.

Большие неприятности доставляет наличие в сточных водах карбоновых кислот и их солей. Предложите физико-химический способ очистки воды от этих загрязнений.

При изучении темы "Металлы" в 11-м классе знакомим учащихся с общими способами получения металлов, а также с проблемами утилизации отходов при переработке металлов.

Для нейтрализации промышленных стоков гальванического участка завода "Энергомаш" города Белгорода потребовалось 60 кг негашеной извести CaO с массовой долей примесей 7%. Какая масса иона никеля Ni2+, содержащегося в стоках была нейтрализована?

(Ответ: 58,7 кг).

При нейтрализации промышленных стоков белгородского завода "Ритм" было получено 300 кг осадка Cr(OH)3. Какую массу металлического хрома можно получить из осадка, если производственные потери составляют 10 %

В Белгородской области питьевая вода содержит растворимые соли ионов Ca2+ и Mg2+ - сульфаты и карбонаты, обуславливающие ее жесткость. Повседневное употребление такой воды может привести к ряду заболеваний пищеварительного тракта.

Какие из перечисленных ниже веществ могут быть применены для снижения жесткости белгородской воды:

а) карбонат калия;

б) поваренная соль;

в) фосфат натрия.

Дайте обоснованный ответ, приведя уравнения соответствующих реакций.

Литература

1. Винокурова Н.Ф. Интеграция экологических знаний. Нижний Новгород, 1996;

2. Захлебный А.Н., Суравегина И.Т. Экологическое образование школьников во внеклассной работе. М., 1984;

3. Зверев И.Д. Экология в школьном обучении. М.: Знание, 1980;

4. Куратова Е.В., Сорокин В.В. Система экологических и химико-экологических понятий в химическом образовании. Химия в школе, 1995, №1;

5. Небел Б. Наука об окружающей среде. М.: Мир, 1993;

6. Назаренко В.М. Программа экологизированного курса химии для средней общеобразовательной школы. Химия в школе, 1993, № 5;

7. Назаренко В.М. Контролирующие задания с экологическим содержанием. Химия в школе, 1993, № 1;

8. Экологическое образование школьников. Под. ред. И.Д. Зверева, И.П. Сурангиной. М.: Педагогика, 1983.