Хімічні аспекти екології. Екологічні аспекти хімії елементів
У 1980-і та 1990-ті роки проблеми, пов'язані з навколишнім середовищем, широко обговорювалися вченими, політиками та у засобах масової інформації. Велику увагу було приділено питанням глобального та регіонального масштабу, наприклад, емісії діоксиду вуглецю (СО 2), пов'язаної з глобальним потеплінням клімату, та виснаження озонового шару стратосфери у зв'язку з викидами хлорфторвуглеводнів (ХФУ). Проте проблеми місцевого значення розглядалися не менш серйозно, оскільки їхні наслідки виявляються більш явними та безпосередніми. Питання, пов'язані із забрудненням водних ресурсів продуктами вилуговування, що надходять зі сміттєзвалищ, та утворенням радону в житлових будинках, є тепер надбанням не лише кількох вузьких фахівців, а й турботою широкого кола населення. Слід зазначити, що з цих проблем вимагають розуміння механізмів хімічних реакцій і тому хімія довкілля стає особливо важливою і актуальною дисципліною.
Хімія навколишнього середовища в даний час стає однією з провідних дисциплін у зв'язку з дедалі більшим впливом антропогенних хімічних сполук на навколишнє середовище. У запропонованому курсі викладаються основні принципи, необхідні вивчення хімії довкілля і показується, як застосовуються ці принципи у локальних і глобальних масштабах і як проявляється ефект геохімічних процесів у часовому масштабі.
Мета курсу хімічні основи екології – знайомство учнів із деякими основними хімічними принципами, які у хімії довкілля, і ілюстрація їх застосування у різних ситуаціях як глобального, і регіонального масштабу.
Основною ідеєю цього курсу є необхідність розуміння того, як протікають природні геохімічні процеси та як вони діяли у різних часових масштабах. Таке розуміння дає базову інформацію, на основі якої можна кількісно врахувати наслідки втручання людини у хімічні процеси. Курс не намагається дати вичерпний огляд, до нього включені теми, які висвітлюють основні хімічні принципи.
Пояснювальна записка
Програма "Хімічні основи екології" є модифікованою (Шустов С.Б., Шустова Л.В. "Хімія та екологія", Н.Новгород, 1994р., Нижегородський гуманітарний центр). Програма сприяє інтеграції природничих наук та гуманітарних наук, зміцнює систему екологічного пізнання.
Програма може бути реалізована в навчальному плані 9-11класів, передбачає зняття необґрунтованих упереджень щодо хімії як «основного винуватця» екологічних бід, оцінку її позитивної ролі в сучасному вирішенні проблем довкілля, формування оптимістичного погляду на майбутнє та віри в розум людини.
Ціль
Закласти основи для сприйняття базового курсу хімії з позицій екологічної проблематики, розвинути природничо знання, а також залучити учнів до бачення хімічних аспектів екології.
Завдання
1. Розвиток пізнавального інтересу до екологічних проблем.
2. Розвиток особистісної самоосвіти.
3. Створення зручної обстановки, атмосфери співробітництва.
4. Формування суспільної активності з питань екології.
5. Формування спеціальних знань та умінь.
Очікувані результати
Учні мають переосмислити основи базового курсу хімії з позицій екологічної проблематики, скоригувати стереотип ставлення до хімії як «основного винуватця» екологічних проблем. Реалізація програми дасть змогу впливати на формування у старшокласників життєвих принципів, що ґрунтуються на співпраці людини з природою, виховання відповідального ставлення до природи.
Крім того, комфортна сприятлива обстановка та атмосфера співпраці на заняттях сприяє самоосвіті.
Способи перевірки знань, умінь, навичок та періодичність
Стартове, проміжне та підсумкове тестування.
Вступ. 2 год. (1+1)
Хімія – наука про речовини та їх перетворення. Екологія – наука, що вивчає відношення організмів між собою та навколишнім середовищем. Взаємозв'язок хімії та екології, їх роль у пізнанні навколишнього світу. Охорона природи – комплекс заходів щодо захисту та збереження об'єктів природи та раціонального використання природних ресурсів. Подвійна роль людини у навколишньому середовищі.
Практична частина.Інтерв'ювання (опитування) учнів школи з метою виявлення їхнього ставлення до природи та її охорони та зіставлення їхніх відповідей зі своїм особистим ставленням до проблеми.
Тема №1. Найважливіші хімічні поняття. 3 год. (2+1)
Хімічні речовини та хімічні реакції. Прості та складні речовини. Основні класи речовин. Графічне зображення речовин. Рівняння хімічних реакцій. Знайомство з технікою безпеки під час роботи у хімічному кабінеті.
Практична частина.Зіставлення фізичних явищ та хімічних реакцій. Демонстраційна зміна забарвлення індикаторів у різних середовищах.
Тема №2. Основні екологічні поняття. 4ч. (3+1)
Екологічні фільтри Організм, Ланцюги живлення. Поняття про ГДК. Екологічна піраміда чисел та маси. Біосфера. Ноосфери. рівні екологічних проблем: місцевий, регіональний, глобальний. Екологічна криза.
Практична частина.Визначення рівня екологічних проблем.
Тема №3. Організм людини – хімічна лабораторія. 4 год. (3+1)
Хімічна організація організмів. Поняття про органічні речовини: білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти, гормони, вітаміни. Неорганічні речовини: вода, натрію солі, калію, кальцію. З'єднання заліза, міді, кобальту, фосфору та їхня біороль. Причини швидкого старіння організму. Ортобіоз – здоровий спосіб життя.
Практична частина.Ознайомлення зі складом зубної емалі та дентину. Причини появи карієсу.
Тема № 4. Атмосфера Землі та її охорона. 4 год.(2+2)
Атмосфера - повітряне середовище проживання. Повітря та його компоненти. Склад повітря, що вдихається і видихається. "Гігієна" повітря. Шкода, завдана здоров'ю людини курінням. Причини виникнення парникового ефекту, руйнування озонового шару та можливі наслідки. Охорона атмосфери. Екологічні чисті палива. Альтернативні джерела енергії.
Практична частина.Гра: "Якби я був мером..." Конкурс проектів: "Екологічні чисті види транспорту 21 століття".
Тема №5. Гідросфера та її охорона. 4 год. (2+2)
Вода, її склад та властивості. Гідросфера – водне місце існування організмів. Основні джерела та шляхи забруднення водойм: видобуток та транспортування нафти, вугілля, руди, промислові, сільськогосподарські та побутові стоки. Проблема дефіциту прісної води та її вирішення.
Практична частина. 1. Імітаційна гра: "Оперативна нарада" (проблема: нафта в морі). 2. Екологічне прогнозування. Оцінка ситуації: водії миють машини на березі водоймища. Розробка проекту екологічно безпечного майданчика для миття машин.
Тема №6. Літосфера та її охорона. 4 год. (2+2)
Літосфера та її межі. Ґрунт, її функції. Забруднення ґрунту важкими металами (джерела, наслідки, захист). Нагромадження у ґрунті пестицидів – хімічні засоби боротьби з бур'янами, хворобами рослин. Вплив пестицидів на природне середовище. Альтернативні методи боротьби зі шкідниками. Проблема міських та промислових звалищ та шляхи її вирішення.
Практична частина.Круглий стіл «Пестициди та навколишнє середовище». Складання пам'ятки дачнику.
Тема №7. Хімія у побуті. 4 год.(2+2)
Основні речовини, які у побуті, їх властивості. Техніка безпеки при користуванні побутовими хімікатами. Перша допомога при хімічних отруєннях та опіках. Етанол (склад, властивості, подвійна роль щодо людини)
Практична частина. 1. Знайомство з основними групами речовин, які у побуті. Конкурс інструкцій з побутової техніки безпеки. 2. Дискусія: Етанол: факти «за» та «проти».
Тема №8. Земля – наш спільний будинок. 4 год. (2+2)
Кругообіг речовин у біосфері. Поширеність елементів у земній корі. Поняття про методи контролю над надходженням металів у рослинні та тваринні організми. Ксентобіотики – речовини, які не властиві живим організмам (косметичні засоби, аерозолі). Екоотруєння. Алергія як результат екоотруєння. Шляхи збереження чистоти біосфери. Роль екології, хімії у вирішенні екологічних проблем.
Програма розрахована на 34 години, їх – 20 годин теорія, 14 годин практика.
Навчально-тематичний план
№ п/п
Назва розділів, тема
Кількість годин
всього
теорія
практика
Вступ
Найважливіші хімічні поняття
Атмосфера Землі та її охорона
Гідросфера та її охорона
Літосфера та її охорона
Хімія у побуті
Земля – наш спільний будинок
РАЗОМ:
34
20
14
Методичне забезпечення
Тема
Форма занять
Прийоми, методи
Методичний та дидактичний матеріали
Технічне оснащення
Форма підбиття підсумків
Вступ
Групова робота
Інтерв'ювання
Групове завдання
Бесіда
Картки
Підбиття підсумків
інтерв'ювання
Найважливіші хімічні поняття
Практичне заняття
Групові завдання
Таблиці
Схеми
Розчини кислот, лугу, солей та різних індикаторів
Реферат
Основні екологічні поняття
Групова
Індивідуальна
Практична
Лекція
Бесіда
Слайди
Таблиці
Екран
Презентація
Організм людини – хімічна лабораторія
Групова
Практична
Лекція
Дидактичні картки
Практична робота
Таблиці
Схеми
Дидактичні картки
Доповідь
Гідросфера та її охорона
Групова робота Імітаційна гра Прогнозування Моделювання
Групові та індивідуальні завдання Розмова
Дидактичні картки Таблиці Слайди
Екран
Імітаційна гра
Літосфера та її охорона
Групова робота Круглий стіл
Лекція Розмова Індивідуальні завдання
Дидактичні картки Відеофільм
Відеомагнітофон
Круглий стіл Складання пам'ятки дачнику
Атмосфера та її охорона
Групова робота Індивідуальна робота
Гра
Лекція Творчі завдання Групові завдання
Таблиці
Схеми
Слайди
Екран
Конкурс
проектів
Хімія у побуті
Практичні завдання Дискусія
Індивідуальні завдання Групові завдання Розмова
Дидактичні картки
Речовини, що застосовуються у побуті
Дискусія «Етанол: за та проти»
Земля – наш спільний будинок
Групові заняття Практичне заняття Конференція
Лекція
Бесіда
Групові завдання
Таблиці
Схеми
слайди
Екран
Конференція «Хімія та екологія»
Список літератури
Шустов С. Б., Шустова Л. В. Хімія та екологія. Навчальний посібник учнів. Н. Новгород, 1994 р. Нижегородський гуманітарний центр.
Е. Гроссе, Х. Вайсмантель. Хімія для допитливих. Ленінград, "Хімія", 1985 р.
В.І.Голік, В.І. Комащенко, К. Дребенштедт. Охорона навколишнього середовища. Москва, 2005 р.
А.Ф.Сергєєва. Урожай без хімії чи екологія шести соток. Ростов-Фенікс, 2001 р.
Г.П. Поляшова. Лікування без хімії. Перевірені засоби народної медицини. Золота книга народної медицини. ЕКСМО, 2005 р.
Мікроелементи та ферменти. Уявлення про металоферменти. Специфічні та неспецифічні ферменти. Роль іонів металів у ферментах. Горизонтальна схожість у біологічній дії d-елементів. Синергізм та антагонізм елементів.
Схильність іонів d-елементів до гідролізу та полімеризації
У кислих середовищах іони d-елементу знаходяться у вигляді гідратованих іонів [М(Н 2 Про) m] n+. При підвищенні рН гідратовані іони багатьох d-елементів внаслідок великого заряду і невеликого розміру іона мають високий поляризуючий вплив на молекули води, акцепторну здатність до гідроксид-іонів, піддаються гідролізу катіонного типу, утворюють міцні ковалентні зв'язки з ОН - . Процес закінчується або утворенням основних солей [М(ОН) m] (m-n)+, або нерозчинних гідроксидів М(ОН) n, або гідроксокомплексів [М(ОН) m] (n-m)-. p align="justify"> Процес гідролітичної взаємодії може протікати з утворенням багатоядерних комплексів в результаті реакції полімеризації.
2. 4. Біологічна роль d-елементів (перехідних елементів)
Елементи, вміст яких вбирається у 10 -3 %, входять до складу ферментів, гормонів, вітамінів та інших життєво важливих сполук. Для білкового, вуглеводного та жирового обміну речовин необхідні: Fe, Co, Mn, Zn, Мо, V, В, W; у синтезі білків беруть участь: Mg, Мn, Fe, С, Сі, Ni, Сr, у кровотворенні - С, Ti, Сі, Mn, Ni, Zn; у диханні - Mg, Fe, Су, Zn, Mn та Co. Тому мікроелементи знайшли широке застосування в медицині, як мікродобрива для польових культур, підживлення в тваринництві, птахівництві та рибництві. Мікроелементи входять до складу великої кількості біорегуляторів живих систем, в основі яких лежать біокомплекси. Ферменти – це спеціальні білки, які діють як каталізатори в біологічних системах. Ферменти – унікальні каталізатори, що мають неперевершену ефективність дії та високу селективність. Приклад ефективності перебігу реакції розкладання перекису водню 2Н 2 Про 2 ® 2Н 2 Про +О 2 у присутності ферментів наведено у таблиці 6.
Таблиця 6. Енергія активації (Е о) та відносна швидкість реакції розкладання Н 2 Про 2 за відсутності та у присутності різних каталізаторів
В даний час відомо більше 2000 ферментів, багато з яких каталізують одну реакцію. Активність великої групи ферментів проявляється лише у присутності певних сполук небілкової природи, які називають кофакторами. Як кофактори виступають іони металів або органічні сполуки. Приблизно третина ферментів активується перехідними металами.
Іони металів у ферментах виконують ряд функцій: є електрофільною групою активного центру ферменту і полегшують взаємодію з негативно зарядженими ділянками молекул субстрату, формують каталітично активну конформацію структури ферменту (у формуванні спіральної структури РНК, беруть участь іони цинку та марганцю), беруть участь у транспорті електронів перенесення електрона). Здатність іона металу виконувати свою роль в активному центрі відповідного ферменту залежить від здатності іона металу до комплексоутворення, геометрії та стійкості комплексу, що утворюється. Це забезпечує підвищення селективності ферменту по відношенню до субстратів, активації зв'язків у ферменті або субстраті за допомогою координації та зміни форми субстрату відповідно до стеричних вимог активного центру.
Біокомплекси розрізняються за стійкістю. Одні з них настільки міцні, що постійно знаходяться в організмі та виконують певну функцію. У тих випадках, коли зв'язок кофактора та білка ферменту міцний і розділити їх важко, його називають «простетичною групою». Такі зв'язки виявлені в ферментах, що містять гем-комплексне з'єднання заліза з похідним порфіну. Роль металів таких комплексів є високоспецифічною: заміна його навіть на близький за властивостями елемент призводить до значної або повної втрати фізіологічної активності. Дані ферменти відносять до специфічних ферментів.
Прикладами таких сполук є хлорофіл, поліфенілоксидаза, вітамін В12, гемоглобін та деякі металоферменти (специфічні ферменти). Небагато ферментів беруть участь лише в одній певній або єдиній реакції.
Каталітичні властивості більшості ферментів визначаються активним центром, що утворюється різними мікроелементами. Ферменти синтезуються період виконання функції. Іон металу виконує роль активатора та його можна замінити іоном іншого металу без втрати фізіологічної активності ферменту. Такі віднесені до неспецифічним ферментам.
Нижче наведені ферменти, у яких іони різних металів виконують подібні функції.
Таблиця 7. Ферменти, у яких іони різних металів виконують подібні функції
Один мікроелемент може активувати роботу різних ферментів, а один фермент може бути активований різними мікроелементами. Найбільшу близькість у біологічній дії надають ферменти з мікроелементами однаковою мірою окислення +2. Як видно для мікроелементів перехідних елементів у їхній біологічній дії характерно більша горизонтальна подібність, ніж вертикальна в періодичній системі Д.І. Менделєєва (у ряді Ti-Zn). При вирішенні питання про застосування того чи іншого мікроелемента необхідно враховувати не тільки наявність рухливих форм цього елемента, але й інших, що мають однаковий ступінь окислення і здатних замінювати один одного у складі ферментів.
Проміжне положення між специфічними та неспецифічними ферментами займають деякі металоферменти. Іони металів виконують функцію кофактора. Підвищення міцності біокомплексу ферменту підвищує специфічність його біологічної дії. На ефективність ферментативної дії іона металу ферменту впливає його ступінь окислення. За інтенсивністю впливу мікроелементи розташовані у наступний ряд:
Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Іон Мn 3+ на відміну від іона Мn 2+ дуже міцно пов'язаний з білками, причому переважно з кисневмісними групами спільно Fe 3+ входить до складу металопротеїнів.
Мікроелементи в комплексонатній формі виступають в організмі як фактор, що визначає, мабуть, високу чутливість клітин до мікроелементів шляхом їхньої участі у створенні високого градієнта концентрації. Значення атомних та іонних радіусів, енергій іонізації, координаційних чисел, схильність до утворення зв'язків з тими самими елементами в молекулах біолігандів зумовлюють ефекти, що спостерігаються при взаємному заміщенні іонів: може відбуватися з посиленням (Синергізм), так і з пригніченням їх біологічної активності (антагонізм)елемента, що заміщується. Іони d-елементів у ступені окислення +2 (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) мають схожі фізико-хімічні властивості атомів (електронну структуру зовнішнього рівня, близькі радіуси іонів, тип гібридизації орбіталей, близькі значення констант стійкості з біолігандами). Подібність фізико-хімічних характеристик комплексоутворювача визначає близькість їх біологічної дії та взаємозамінність. Зазначені перехідні елементи стимулюють процеси кровотворення, посилюють процеси обміну речовин. Синергізм елементів у процесах кровотворення пов'язаний можливо за участю іонів цих елементів у різних етапах процесу синтезу формених елементів крові людини.
Для s - елементів I групи характерний у порівнянні з іншими елементами свого періоду невеликий заряд ядер атомів, невисокий потенціал іонізації валентних електронів, великий розмір атома та збільшення його групи зверху вниз. Все це визначає стан їх іонів у водних розчинах у вигляді гідратованих іонів. Найбільша схожість літію з натрієм зумовлює їхню взаємозамінність, синергізм їхньої дії. Деструктуючі властивості у водних розчинах іонів калію, рубідії та цезію, забезпечує їх кращу мембранопроникність, взаємозамінність та синергізм їх дії. Концентрація К+ усередині клітин у 35 разів вища ніж поза нею, а концентрація Na+ у позаклітинній рідині у 15 разів більша ніж усередині клітини. Ці іони у біологічних системах є антагоністами. s - Елементи II групи в організмі знаходяться у вигляді сполук утворених фосфорною, вугільною та карбоновими кислотами. Кальцій, що міститься в основному в кістковій тканині, за своїми властивостями близький до стронцію та барію, які можуть замінювати його в кістках. У цьому спостерігаються як випадки синергізму, і антагонізму. Іони кальцію є також антагоністами іонів натрію, калію та магнію. Подібність фізико-хімічних характеристик іонів Ве 2+ та Mg 2+ обумовлює їх взаємозамінність у сполуках, що містять зв'язки Mg–N та Mg–О. Цим можна пояснити інгібування магнійсодержащих ферментів при попаданні в організм берилію. Берилій – антагоніст магнію. Отже, фізико-хімічні властивості та біологічна дія мікроелементів визначаються будовою атомів. Більшість біогенних елементів – це члени другого, третього та четвертого періодів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Це відносно легкі атоми з порівняно невеликим зарядом ядер їх атомів.
2. 4. 2. Роль з'єднань перехідних елементів у перенесенні електронів у живих системах.
У живому організмі багато процесів мають циклічний, хвилеподібний характер. Хімічні процеси, що лежать у їх основі, мають бути оборотними. Оборотність процесів визначається взаємодією термодинамічних та кінетичних факторів. До оборотних відносяться реакції, що мають константи від 10 -3 до 10 3 і з невеликим значенням DG 0 і DE 0 процесу. За цих умов концентрації вихідних речовин і продуктів реакції можуть перебувати в порівнянних концентраціях і при зміні їх у деякому діапазоні можна досягати оборотності процесу. З кінетичних позицій мають бути низькі значення енергії активації. Тому зручним переносником електронів у живих системах є іони металів (залізо, мідь, марганець, кобальт, молібден, титан та інші). Приєднання і віддача електрона викликають зміни лише електронної конфігурації іона металу, не змінюючи, значною мірою, структуру органічної складової комплексу. Унікальна роль живих системах відведена двом окислювально-відновним системам: Fe 3+ /Fe 2+ і Cu 2+ /Cu + . Біоліганди стабілізують переважно у першій парі окислену форму, тоді як у другий паpe – переважно відновлену. Тому у систем, що містять залізо, формальний потенціал завжди нижчий, а у систем, що містять мідь, часто вище окислювально-відновлювальні системи, що мають у своєму складі мідь і залізо, перекривають широкий діапазон потенціалів, що дозволяє їм з багатьма субстратами вступати у взаємодію, що супроводжується помірними змінами DG 0 і DE 0 , що відповідає умовам оборотності. p align="justify"> Важливим етапом обміну речовин є відщеплення водню від поживних речовин. Атоми водню переходять при цьому в іонний стан, а відокремлені від них електрони надходять у дихальний ланцюг; у цьому ланцюзі, переходячи з одного з'єднання до іншого, вони віддають свою енергію на утворення одного з основних джерел енергії аденозинтрифосфорну кислоту (АТФ), а самі, зрештою, потрапляють до молекули кисню і приєднуються до неї, утворюючи молекули вода. Містком, яким осцилируют електрони, служать комплексні сполуки заліза з порфириновым ядром, аналогічні складу гемоглобіну .
Велика група залізовмісних ферментів, які каталізують процес перенесення електронів у мітохондріях, називається цитохромами(ц. х.), всього відомо близько 50 цитохромів. Цитохроми є залізопорфіринами, в яких всі шість орбіталей іону заліза зайняті донорними атомами, біоліганда. Відмінність цитохромів лише у складі бічних ланцюгів порфіринового кільця. Варіації у структурі біоліганду викликає різницю у величині формальних потенціалів. Всі клітини містять принаймні три близькі за будовою білки, названі цитохромами а, b, с. У цитохромі зв'язок з гістидиновим залишком поліпептидного ланцюга здійснюється через порфіринове ядро Вільне координаційне місце в іоні заліза зайнято метіоніновим залишком поліпептидного ланцюга:
Одним з механізмів функціонування цитохромів, що становлять одну з ланок електронно-транспортного ланцюга, є перенесення електрона від одного субстрату іншому.
З хімічної точки зору цитохроми є сполуками, що виявляють у оборотних умовах окислювально-відновну двоїстість.
Перенесення електрона цитохромом з супроводжується зміною ступеня окислення заліза:
ц. х. Fe 3+ + e « ц.хFe 2+
Іони кисню реагують з іонами водню навколишнього середовища та утворюють воду або перекис водню. Пероксид швидко розкладається спеціальним ферментом каталазою на воду та кисень за схемою:
2Н 2 О 2 ®2Н 2 О + О 2
Фермент пероксидазу прискорює реакції окиснення органічних речовин перекисом водню за схемою:
Ці ферменти у своїй структурі мають гем, у центрі якого є залізо зі ступенем окислення +3 (2 розділ 7.7).
У ланцюзі переносу електронів цитохром з передає електрони цитохромам, званих цитохромоксидазами. Вони мають у своєму складі іони міді. Цитохром – одноелектронний переносник. Наявність поряд із залізом у складі одного з цитохромів міді перетворює його на двоелектронний переносник, що дозволяє регулювати швидкість процесу.
Мідь входить до складу важливого ферменту - супероксиддисмутази (СОД), яка утилізує в організмі токсичний супероксид-іон Про 2 шляхом реакції
[СОД Cu 2+ ] + ® О 2 - [СОД Cu + ] + О 2
[СОД Cu + ] + О 2 - + 2Н + ® [СОДCu 2+ ] + Н 2 О 2
Водородпероксид розкладається в організмі під дією каталази.
В даний час відомо близько 25 мідь містять ферментів. Вони складають групу оксигеназ та гідроксилаз. Склад, механізм їхньої дії описаний у роботі (2, розділ 7.9).
Комплекси перехідних елементів є джерелом мікроелементів у біологічно активній формі, що мають високу мембранопроникність та ферментативну активність. Вони беруть участь у захисті організму від «окислювального стресу». Це пов'язано з їх участю в утилізації продуктів метаболізму, що визначають неконтрольований процес окислення (перекисами, вільними радикалами та іншими кисневими частинками), а також в окисленні субстратів. Механізм вільно-радикальної реакції окислення субстрату (RН) перекисом водню за участю як каталізатор комплексу заліза (FeL) можна представити схемами реакцій.
RН+. ВІН ® R . + Н 2 Про; R. + FeL ® R + + FeL
Субстрат
R + + ВІН - ® RОН
Окислений субстрат
Подальше перебіг радикальної реакції призводить до утворення продуктів з більш високим ступенем гідроксилювання. Аналогічно діють інші радикали: АЛЕ 2 . , Про 2 . , . Про 2 - .
2. 5. Загальна характеристика елементів р-блоку
Елементи у яких відбувається добудова р-підрівня зовнішнього валентного рівня називають р-елементами. Електронна будова валентного рівня ns 2 p 1-6. Валентними є електрони s- та р-підрівнів.
Таблиця 8. Положення р-елементів у періодичній системі елементів.
| Період | Група | |||||
| IIIA | IVA | VA | VIA | VIIA | VIIIА | |
| (C) | (N) | (O) | (F) | Ne | ||
| (P) | (S) | (Cl) | Ar | |||
| Ga | Kr | |||||
| In | Sn | Sb | Te | (I) | Xe | |
| Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |
| р 1 | р 2 | р 3 | р 4 | р 5 | Р 6 | |
| () - незамінні елементи, – біогенні елементи |
У періодах зліва направо зростає заряд ядер, вплив якого переважає збільшенням сил взаємного відштовхування між електронами. Тому потенціал іонізації, спорідненість до електрона, а, отже, і акцепторна здатність та неметалічні властивості у періодах збільшуються. Всі елементи, що лежать на діагоналі Вr - At і вище, є неметалами і утворюють тільки ковалентні сполуки та аніони. Всі інші р-елементи (за винятком індію, талію, полонію, вісмуту які виявляють металеві властивості) є амфотерними елементами і утворюють як катіони, так і аніони, причому і ті, й інші сильно гідролізується. Більшість р-елементів-неметалів – біогенні (виняток – благородні гази, телур та астат). З р-елементів – металів – до біогенних відносять лише алюміній. Відмінності у властивостях сусідніх елементів, як усередині; так і за періодом: виражені значно сильніше, ніж у s-елементів. р-Елементи другого періоду – азот, кисень, фтор мають яскраво виражену здатність брати участь у освіті водневих зв'язків. Елементи третього та наступного періодів цю здатність втрачають. Їх схожість полягає лише у будові зовнішніх електронних оболонок та тих валентних станів, які виникають за рахунок неспарених електронів у незбуджених атомах. Бор, вуглець і особливо азот сильно відрізняються від інших елементів своїх груп (наявність d-і f-підрівнів).
Всі р-елементи і особливо р-елементи другого та третього періодів (С, N, Р, О, S, Si, Cl) утворюють численні сполуки між собою та з s-, d- та f-елементами. Більшість відомих Землі сполук – це сполуки р-элементов. П'ять головних (макробіогенних) р-елементів життя – О, Р, С, N та S – це основний будівельний матеріал, з якого складені молекули білків, жирів, вуглеводів та нуклеїнових кислот. З низькомолекулярних сполук р-елементів найбільше значення мають оксоаніони: 3 2- , НСО 3 - , С 2 O 4 2- , СНзСОО - , РО 4 3- , НРO 4 2- , H 2 PO 4 - , SO 4 2- та галогенід-іони. p-Елементи мають багато валентних електронів, що володіють різною енергією. Тому в сполуках виявляють різний ступінь окиснення. Наприклад, вуглець виявляє різні ступені окислення від – 4 до +4. Азот – від –3 до +5, хлор – від –1 до +7.
У процесі реакції р-елемент може віддавати і приймати електрони, виступаючи відповідно відновником або окислювачем залежно від властивостей елемента, з яким вступає у взаємодію. Це породжує широкий асортимент утворених ними сполук. Взаємоперехід атомів р-елементів різних ступенів окислення, в тому числі і за рахунок метаболічних окислювально-відновних процесів (наприклад, окислення спиртової групи в їх альдегідну і далі в карбоксильну і так далі) викликає багатство їх хімічних перетворень.
З'єднання вуглецю виявляє окислювальні властивості, якщо в результаті реакції атоми вуглецю збільшують кількість його зв'язків з атомами менш електоронегативних елементів (метал, водень) тому, що притягуючи до себе загальні електрони зв'язків атом вуглецю знижує свій ступінь окислення.
СН 3 ® -СН 2 ОН ® -СН = О ® -СООН ® СО 2
Перерозподіл електронів між окислювачем і відновником в органічних сполуках може супроводжуватися лише усуненням загальної електронної щільності хімічного зв'язку до атома, що виконує роль окислювача. У разі сильної поляризації цей зв'язок може розірватися.
Фосфати в живих організмах служать структурними компонентами скелета, клітинних мембран та нуклеїнових кислот. Кісткова тканина побудована головним чином гідроксиапатиту Ca 5 (PО 4) 3 OH. Основу клітинних мембран складають фосфоліпіди. Нуклеїнові кислоти складаються з рибозо-або дезоксирибозофосфатних ланцюгів. Крім того, поліфосфати є основним джерелом енергії.
В організмі людини обов'язково синтезується NO за допомогою ферменту NO-синтази з амінокислоти аргініну. Час життя NO в клітинах організму близько секунди, але їхнє нормальне функціонування не можливе без NO. Ця сполука забезпечує: розслаблення гладкої мускулатури м'язів судин, регуляцію роботи серця, ефективну роботу імунної системи, передачу нервових імпульсів. Передбачають, що NO забезпечує важливу роль у навчанні та запам'ятовуванні.
Окисно-відновні реакції, в яких беруть участь р-елементи, лежать в основі їх токсичної дії на організм. Токсична дія оксидів азоту пов'язана з їхньою високою окислювально-відновною здатністю. Нітрати, які у продукти харчування, в організмі відновлюються до нітритів.
NO 3 - + 2H + + 2е ® NО 2 + Н 2 О
Нітрити мають високо токсичні властивості. Вони перетворюють гемоглобін на метгемоглобін, який є продуктом гідролізу та окислення гемоглобіну.
В результаті гемоглобін втрачає здатність транспорту кисню до клітин організму. В організмі розвивається гіпоксія. Крім того, нітрити, як солі слабкої кислоти, реагують із соляною кислотою в шлунковому вмісті, утворюючи при цьому азотисту кислоту, яка з вторинними амінами утворює канцерогенні нітрозаміни:
Біологічна дія високомолекулярних органічних сполук (амінокислот, поліпептидів, білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот) визначається атомами (N, Р, S, О) або групами атомів (функціональними групами), що утворюються, в яких вони виступають як хімічно активні центри, донори. електронних пар здатних до утворення координаційних зв'язків з іонами металів та органічними молекулами. Отже, р-елементи утворюють полідентатні хелатуючі сполуки (амінокислоти, поліпептиди, білки, вуглеводи та нуклеїнові кислоти). Їх характерні реакції комплексоутворення, амфотерні властивості, реакції гідролізу аніонного типу. Дані властивості визначають їх участь у основних біохімічних процесах, у забезпеченні стану ізогідрії. Вони утворюють білкові, фосфатні, водородкарбонатні буферні системи. Беруть участь у транспорті поживних речовин, продуктів метаболізму та інших процесах.
3. 1. Роль довкілля. Хімія забруднень аттмосфери. Роль лікаря в охороні навколишнього середовища та здоров'я людини.
А. П. Виноградов показав, що поверхня землі неоднорідна за хімічним складом. Рослини та тварини, а також і людина, що знаходяться на території різних зон, використовують неоднакові за хімічним складом поживні речовини та відповідають на це певними фізіологічними реакціями та певним хімічним складом організму. Ефекти, викликані мікроелементами, залежить від надходження до організму. Концентрації біометалів з організмом при нормальному його функціонуванні підтримуються на строго певному рівні (біотична доза) за допомогою відповідних протеїнів та гормонів. Запаси біометалів в організмі систематично поповнюються. Вони містяться в достатній кількості в їжі. Хімічний склад рослин та тварин, що йдуть на харчування, впливає на організм.
Інтенсивне промислове виробництво спричинило забруднення природного середовища «шкідливими» речовинами, зокрема і сполуками перехідних елементів. У природі спостерігається інтенсивний перерозподіл елементів у біогеохімічних провінціях. Основним шляхом (до 80%) їх надходження з організму є наша їжа. З урахуванням антропогенного забруднення навколишнього середовища необхідно вживати радикальних заходів щодо реабілітації довкілля та людини, яка живе в ній. Ця проблема в багатьох європейських країнах поставлена попереду проблем економічного зростання і є пріоритетною. Останніми роками викид різних забруднень збільшився. Прогноз розвитку промисловості дозволяє зробити висновок про подальше зростання кількості викидів та забруднювачів довкілля.
Реальні зони, в яких в результаті життєдіяльності здійснюється кругообіг елементів, називаються екосистемамичи, як називав академік В.М. Сукачів, біогеоценозами. Людина є складовою екосистем на планеті. У своїй життєдіяльності людина може порушувати перебіг природного біогенного круговороту. Навколишнє середовище забруднюють багато галузей промисловості. Відповідно до вчення В. І. Вернадського оболонку нашої планети, змінену господарською діяльністю людини, називають ноосферою. Вона охоплює всю біосферу та виходить за її межі (стратосферу, глибокі шахти, свердловини тощо). Головну роль ноосфері грає техногенна міграція елементів - техногенез. Дослідження з геохімії ноосфери є теоретичною основою раціонального використання природних ресурсів та боротьби із забрудненнями навколишнього середовища. Газоподібні, рідкі, тверді забруднення довкілля утворюють токсичні аерозолі (туман, дим) у приземному шарі атмосфери. При забрудненні атмосфери сірчистим газом, високої вологості за відсутності температури, утворюється токсичний смог. Основну шкоду навколишньому середовищу завдають продукти окислення SO 2 , SО 3 і кислоти H 2 SO 3 та H 2 SО 4 . Внаслідок викидів оксиду сірки, азоту у промислових регіонах спостерігаються «кислотні» дощі. Дощова вода, що містить великі концентрації іонів водню, може вилуговувати токсичні іони металів:
ZnO(т) + 2H + = Zn 2+ (p) + Н 2 О
При роботі двигуна внутрішнього згоряння виділяються оксиди азоту, продуктом перетворення яких є озон:
N 2 + Про 2 « 2NO (у циліндрі двигуна)
Велике занепокоєння суспільства викликають екологічні проблеми, хімічна суть яких полягає у охороні біосфери від надлишку оксидів вуглецю та метану, що створюють «парниковий ефект», оксидів сірки та азоту, що призводять до «кислотних дощів»; галогенпохідних (хлор, фтор) вуглеводнів, що порушують «озоновий щит Землі»; канцерогенних речовин (поліароматичних вуглеводнів та продуктів їх неповного згоряння) та інших продуктів. У наші дні стає актуальною як проблема охорони навколишнього середовища, а й охорона внутрішнього середовища. Зростає кількість речовин, що надходять у живий організм, які є чужорідними, чужими для життя і званих ксенобіотиками. За даними всесвітньої організації охорони здоров'я, їх налічується близько 4 млн. Вони потрапляють в організм з їжею, водою і повітрям, а також у вигляді ліків (лікарських форм).
Це з низькою культурою виробників і споживачів хімічних препаратів, які мають професійними хімічними знаннями. Справді, лише незнання властивостей речовин, нездатність передбачати наслідки надмірного застосування може бути причиною непоправних втрат природи, складовим елементом якої є людина. Адже досі деякі виробники, та й медичні працівники, уподібнюються до булгаківського мірошника, який хотів відразу вилікуватися від малярії неймовірною (ударною) дозою хініну, але не встиг – помер. Роль різних хімічних елементів у забрудненні навколишнього середовища та виникненні захворювань, у тому числі і професійних, досі недостатньо вивчена. Необхідно проаналізувати надходження в довкілля різних речовин в результаті діяльності людини, шляхи попадання їх в організм людини, рослини, взаємодію їх з живими організмами на різних рівнях і розробити систему ефективних заходів, спрямованих як на запобігання подальшому забрудненню навколишнього середовища, так і створення необхідних біологічних засобів захисту внутрішнього середовища організму. Медичні працівники зобов'язані брати участь у розробці та впровадженні технічних, профілактичних, санітарно-гігієнічних та лікувально-оздоровчих заходів.
3.2 Біохімічні провінції. Ендемічні захворювання.
Зони, в межах яких тварини та рослини характеризуються певним хімічним елементним складом, називають біогеохімічними провінціями.Біогеохімічні провінції – це таксони біосфери третього порядку – території різних розмірів у складі субрегіонів біосфери з постійними характерними реакціями організмів (наприклад, ендемічні захворювання). Розрізняють - два роду біогеохімічних провінцій - природні та техногенні, що виникають в результаті | розробки рудних родовищ, викидів металургійної та хімічної промисловості, застосування добрив у сільському господарстві. Потрібно звертати увагу на роль мікроорганізмів у створенні геохімічних особливостей довкілля. Дефіцит та надлишок елементів може призводити до формування біогеохімічних провінцій, обумовлених як недоліком елементів (йодні, фторні, кальцієві, мідні та ін. провінції) так і їх надлишком (борні, молібденові, фторні, мідні та ін.). Цікава та важлива проблема дефіциту брому всередині континентальних областей, гірських районів та надлишку брому у прибережних та вулканічних ландшафтах. У цих регіонах і еволюція центральної нервової системи протікала якісно по-різному. На Південному Уралі відкрито біогеохімічну провінцію на породах збагачених нікелем. Для неї характерні потворні форми трав, хвороби овець, пов'язані з підвищеним вмістом нікелю у середовищі.
Співвідношення біогеохімічних провінцій з їхнім екологічним станом дозволило виділити такі території: а) із відносно задовільною екологічною обстановкою - (Зона відносного благополуччя);б) з оборотними, обмеженими, і в більшості випадків усунутими екологічними порушеннями - (Зона екологічного ризику); в) з досить високим ступенем неблагополуччя, що спостерігається протягом тривалого періоду на значній території, усунення якого вимагає значних витрат і часу - (зона екологічної кризи); г) з дуже високим ступенем екологічного неблагополуччя, практично незворотними екологічними порушеннями, що мають чітку локалізацію –( зона екологічного лиха).
За фактором впливу, його рівня, тривалості дії та площі поширення виділені як зони ризику та кризи такі природно-техногенні біогеохімічні провінції:
1. поліметалічні (РЬ, Cd, Hjg, Сu, Zn) з домінуючими асоціаціями Сu–Zn, Сu–Ni, Рb–Zn, у тому числі:
· Збагачені міддю (Південний Урал, Башкортостан, Норильськ, Медногорськ);
· Збагачені нікелем (Норільськ, Мончегорськ, Нікель, Полярний, Тува, Південний Урал);
· Збагачені свинцем (Алтай, Кавказ, Забайкалля);
· Збагачені фтором (Кіровськ. Красноярськ, Братськ);
· З підвищеним вмістом урану та радіонуклідів у середовищі (Забайкалля, Алтай, Південний Урал).
2. біогеохімічні провінції з вадами мікроелементів (Se, I, Cu, Zn та інших.).
Філософські дискусії у сучасному природознавстві є у певному сенсі незвичайну картину, а саме: дуже активно обговорюються методологічні та світоглядні проблеми біології та фізики, синергетики та астрономії, генетики та біотехнології, проте не дуже велика увага приділяється аналогічним питанням хімії. Може виявитися, що, базуючись на таких фундаментальних узагальненнях, як періодичний закон, теорія хімічної будови, хімічна термодинаміка, хімія відкрила широкі можливості для дослідження та синтезу мільйонів речовин неживої та живої природи, для створення раніше невідомих сполук. Начебто вона захопилася емпіризмом, утилітарною стороною і її не цікавлять складні світоглядні та методологічні проблеми, що стоять перед нею. "Однак перед хімією, - підкреслює Ю.А. Жданов, - стоять свої складні та актуальні проблеми теоретичного та методологічного характеру, і без їх з'ясування не тільки вона сама, а й низка інших наук не зможуть продуктивно рухатися вперед".
Тепер розглянемо екологічний аспект хімії, коли відбувається процес забруднення навколишнього середовища, який через його нелінійність шкідливо впливає на людину. Тут можна виділити цілий спектр шкідливих для нашого здоров'я факторів: хімічне забруднення ґрунту та наступна звідси небезпека продуктів, хімічна забрудненість повітря води та інші екологічно небезпечні дії. В даному випадку слід зважати на антропогенну природу різного роду забруднення атмосфери, гідросфери та літосфери. «Людина є природним та основним забруднювачем, – підкреслює Дж. Бокріс, – планети. Довгий час екологічний розвиток був гармонійним. Життя одного організму в процесі розвитку було підпорядковане цілому, і воно відповідало хімічним процесам, що протікали навколо неї. До нинішнього століття людина не дуже відчутно впливала на збалансовану в процесі розвитку екологічну ситуацію. Порушення цієї гармонії, з якою в даний час зіткнулася людина, є наслідком збільшення обсягу хімічних та інших промислових підприємств, що скидаються у воду та повітря. В атмосфері відбуваються фотохімічні процеси, за допомогою яких переробляються забруднюючі речовини та відновлюється баланс. Однак із початку XX ст. Людина викинула в атмосферу таку кількість забруднювачів, що вони порушують природні процеси відновлення балансу». Хімічна забрудненість навколишнього середовища значно впливає на життєдіяльність і поведінку людини, оскільки завдає відчутної шкоди її організму.
Давно встановлено, що поведінка людини та пов'язані з нею її здоров'я та патологія детерміновано хімічною природою навколишнього середовища. Селективний вибір хімічних речовин лежить в основі пошуку лікарських препаратів для лікування різноманітних захворювань, у тому числі і психічних. Відомо чимало речовин, що викликають порушення нормальної поведінки людини, наприклад, що призводять до наркоманії. Однак вони становлять лише дуже невелику частину величезної різноманітності хімічних речовин, що надають біохімічним шляхом вплив на здоров'я людини. Адже хімічні речовини, незалежно від способів проникнення в організм людини, впливають на протікання біохімічних процесів в організмі. Це зумовлено, по-перше, закономірностями генези біосистем на нашій планеті - в ході хімічної еволюції однією з ранніх основних змін був перехід від відновлювальної атмосфери до окислювальної, в якій почали розвиватися характерні для нашого часу біосистеми. Гармонійність такої еволюції чітко проявляється в «... єдності, яка має на увазі біохімічну еволюцію набагато складнішу і відбулася набагато раніше, ніж біологічна еволюція, яка дала нам усі такі різноманітні форми, явища та поведінкові зразки в рослинному та тваринному світі». Отже, зовнішнє хімічне середовище детермінувало природу організмів, що вижили в ході еволюції.
По-друге, виживання організмів пов'язане з здатністю організму, що розвинулася до відтворення. Розшифрування коду ДНК – основного генетичного матеріалу, що транслюється від покоління до покоління – показало, що розвиток індивіда регулюється на молекулярному рівні та протікає за рахунок великої кількості біохімічних реакцій. Тоді стає зрозумілим, що всі інші властивості організму (анатомічні, електрофізіологічні, поведінкові та ін) у певному сенсі залежать від біохімічних процесів. Це пояснює, чому на здоров'я та патологію людського організму насамперед впливає біохімічні фактори, чому найбільш значущими є впливи зовнішнього хімічного середовища.
Зрозуміло, що в ході еволюційного процесу сформувалася здатність біосистеми реагувати як єдине ціле на впливи навколишнього середовища, від чого залежить фізичний стан індивіда, основною причиною зміни цього стану людини є нейрохімічні процеси, які протікають в нервовій системі, особливо в центральній нервовій системі, тонка організація якої забезпечує можливість здійснення множини таких процесів. Мозок людини містить, як відомо, близько 100 млрд. нейронів, він є нейронною мережею, яка є фракталом, тобто. має нелінійність. І сам організм людини є динамічною нелінійною системою, тому зв'язок між станом людини і зовнішнім хімічним середовищем у найзагальнішому вигляді є нелінійним. Результати експериментів щодо виявлення зв'язків чутливості поведінки та гострих змін хімічного середовища, коли порушується нормальний стан організму, показує нелінійну (експоненційну) залежність (зв'язок) між станом організму та екзогенною хімічною речовиною. У загальному випадку неважливо, яким шляхом потрапляють хімічні речовини в організм людини - соматичним, при вдиханні через шкіру або слизову оболонку, внаслідок ін'єкції або імплантації; головне у тому, що вони надає нелінійне впливом геть стан організму людини. Це має важливе значення для методів контролю та очищення навколишнього середовища від хімічних забруднень, щоб людина могла нормально санкціонувати та здійснювати свою діяльність.
Заслуговує на філософське осмислення перехід від конструювання молекул до створення молекулярних машин, що відбувається в сучасній хімії. Хімія відноситься до тих областей фундаментального знання, яка дозволяє синтезувати та вивчати молекули, а це означає, що хімія як розділ природничих наук зайнята вивченням речовини на рівні її молекулярної організації. Дана область досліджень здається ненасиченою і насправді є такою. До каталогу хімії занесено сотні тисяч молекул природного походження, будова яких розшифрована в лабораторіях, а до цього часу до цього числа додано понад 15 млн. молекул, синтезованих хіміками і речовин, що не зустрічаються в живій природі. Розроблена хіміками методологія синтезу, методи дослідження молекулярної структури та їх перетворень (а серед новітніх з них є такі, як скануюча тунельна мікроскопія та лазерна фемтосекундна спектроскопія, в яких досягаються просторове та тимчасове дозволи на рівні розмірів окремих атомів та їх переміщень за зникнення в 10 -15 с), дозволяє успішно осягати таємниці будови молекул та їх різних властивостей. Це стосується навіть найнестійкіших з них, що розкладаються у звичайних умовах за мільйонні частки секунди.
«Чи означають ці здобутки, - пише В.І. Мінкін, - що хімія як наука вже вирішила своє завдання і, хоча її можливості виробляти нові молекули в ще більшій кількості залишаються необмеженими, сам цей процес набуває все більш рутинного характеру? Справді, нині став, наприклад, можливим автоматичний синтез пептидів (низкомолекулярных білків). Така оцінка загального стану хімічної науки (науки, закони якої однаково важливі для розуміння живої та неживої Природи) була б поспішною. Та й зовсім не оригінальною». Адже ще в 1929 р. нобелівський лауреат Поль Дірак з відкриттям квантової механіки стверджував: "Основні фізичні закони, необхідні для математичної теорії частини фізики та всієї хімії, стають, таким чином, повністю відомими, і труднощі полягають тільки в тому, що точне застосування цих законів призводить до рівнянь, надто складних, щоб їх можна було вирішити". Ця теза Дірака опинилася в центрі широких дискусій серед фізиків, хіміків та адептів та противників філософії редукціонізму. У багатьох монографіях і підручниках з теоретичної та фізичної хімії наводиться цей вислів класика науки, причому акцент робиться на нездійсненності передбачення. Очевидно, Дірак висловлював свою думку як таку собі гіперболу, щоб підкреслити виняткову важливість нової теорії мікросвіту. Самі постулати квантової механіки, які з них наслідки виявилися вірними, а як було вже показано зараз повне рівняння Шредінгера не вирішується точно навіть для найпростіших молекул, а хороші наближення до точних рішень для молекул середнього розміру вимагають часу роботи суперкомп'ютера, що обчислюється цілодобово. Можна сміливо сказати, що методи квантової механіки визначають, переважно, темпи наукового прогресу, але з характер наукової творчості. Відомо, що творчі за своєю природою ірраціональні і не можуть бути виведені логічним, дедуктивним шляхом - інакше будь-яка людина, яка володіє логікою, могла робити наукові відкриття (у цьому випадку наука просто була б не потрібна). До того ж не слід забувати, що періодична система елементів та теорія молекулярної будови органічних сполук були створені хіміками задовго до формування принципів квантової механіки та навіть до відкриття електрона.
Відомо, що вибір напрямів наукового пошуку диктується двома чинниками: запитом суспільної потреби та внутрішнім імпульсом дослідника до відкриття нових явищ та закономірностей, проникнення у таємниці Природи. На різних етапах розвитку суспільства в залежності від досягнутого рівня знань тенденції наукового пошуку та пріоритети вибору цілей змінюються. У хімії 60-80-х років центр тяжкості досліджень припадав на вивчення тонкої структури молекул, механізмів реакцій та внутрішньомолекулярної динаміки. В останнє десятиліття чітко виявився інтерес до об'єктів та цілей підвищеної складності - вивчення та моделювання функцій біологічно важливих молекулярних систем, а також створення нових високотехнологічних матеріалів, побудованих з елементів наноскопічного масштабу. Ця тенденція відбиває перехід від вивчення окремих молекул та його невеликих асоціатів до вивчення будови властивостей і трансформацій досить великих агрегатів молекул, спрямованому конструюванню організованих молекулярних ансамблів із створення своєрідних молекулярних машин, тобто. молекулярних пристроїв, у яких зміни, що індукуються в окремих складових молекулах, викликають кооперативні процеси у всій системі (К. Дрекслер). Такі пристрої можуть служити для перетворення одного виду енергії в інший, акумуляції світлової енергії, запису, зберігання та передачі інформації, молекулярного комп'ютингу та ін. .
Для хімії небо залишається широко відкритим, бо це наука, а й мистецтво. Мистецтво, звичайно ж, завдяки красі своїх об'єктів, але й за своєю суттю, завдяки своїй здатності і нескінченно винаходити і творити свої об'єкти, саме себе, своє власне майбутнє. Подібно до художника, хімік втілює в матеріальних образах плоди своєї власної уяви. Камінь, звуки, слова власними силами не містять створюваних їх творів скульптора, композитора, письменника. Подібним чином, хімік створює нові молекули, нові матеріали та нові властивості елементів, що надаються йому природою. Він воістину творить нові світи, які не існували, поки не вийшли, оформившись з рук хіміка, подібно до того, як матеріал, тільки вийшовши з рук майстра, набуває сили і виразності твору мистецтва. Це чудово передав у своєму творінні Опост Роден.
Хімія має цей творчий потенціал. Як Марселей Бертло: "Хімія сама створює свої об'єкти". Вона не просто створює предмети, вона творить предмет дослідження. Він не існує спочатку, винаходиться і створюється у процесі дослідження. Він не просто чекає свого відкриття, він чекає свого створення. Суть хімічної науки знайшла свій повний вислів у словах художника – вченого Леонардо да Вінчі: «… там, де природа перестає творити свої власні об'єкти, за справу береться людина, яка створює, використовуючи природні матеріали та за допомогою природи, безліч нових об'єктів…» .
Суть хімії у відкриттях, а й у винаходах, у творчому творенні, передусім. Книгу хімії треба не лише читати, а й писати; партитуру хімії треба не просто виконати, її треба написати. Філософська значимість сучасної хімії полягає в тому, що вона дозволяє конструювати нові речовини та матеріали, що не зустрічаються в живій природі, а це, у свою чергу, вносить новий вимір у сенс екзистенції людини. Адже дуже складними та різноманітними обіцяють бути об'єкти супрамолекулярної хімічної творчості, в результаті якої можна створювати цілі хімічні галактики. Творчість, як відомо, служить пошуку сенсу нашого життя, задовольняючи найвищу потребу в самоактуалізації.
Подібна інформація.
Екологічні аспекти викладання хімії у школі
Вступ
В наш непростий час. Коли хімія як наука перетворилася на ізгоя суспільства. Доводиться переглядати і зміст предмета та методи його викладання, змінюючи не лише акценти, а й пріоритети, щоб подолати хемофобію.
Основні питання курсу повинні визначатися як важливість придбання знань у розвиток інтелекту учнів, і затребуваність цих знань у реальному житті людини та її практичної діяльності. З цієї точки зору необхідний прогрес у справі хімічної освіти, оскільки без нього неможливе задоволення об'єктивних потреб суспільства у широкому використанні досягнень хімічної науки та промисловості.
Концепція сучасної шкільної хімічної освіти будується на засадах гуманізації, індивідуалізації та диференціалізації навчання, велика увага приділяється екологічним аспектам, розвитку загальної культури, зміцненню здоров'я школярів, підвищенню їхньої екологічної грамотності.
Актуальні теми
Хімія як одна з фундаментальних областей знань значною мірою визначає розвиток інших найважливіших напрямів науки і техніки. Відомо, що без хімії, хімічних процесів та хімічних продуктів не може існувати жодне виробництво, жодна галузь сучасної економіки та соціальної сфери.
Необхідно зробити так, щоб учні розуміли практичну значущість хімії, її зв'язок із повсякденним життям. Вони повинні переконатися у можливості знаходження за допомогою хімії відповідей інші «чому» зі сфери своїх життєвих і виробничих інтересів. Особливо важливим є вирішення питання елементарної «хімічної» підготовленості людей, адже з речовинами, здатними завдати шкоди людині, сьогодні контактує практично кожен із нас. Однак не багато споживачів, які використовують лікарські препарати, косметичні та парфумерні засоби, барвники, пластмаси, добрива, волокна, різні види палива тощо, мають уявлення про небезпеки, пов'язані із застосуванням. Ця суперечність обумовлює багато бід, що обрушуються на людей. На жаль, у більшості шкіл активна просвітницька робота з учнями, пов'язана з характеристикою основних властивостей поширених у побуті та на виробництвах хімічних сполук, особливо в аспекті їх впливу на навколишнє середовище, ведеться вкрай слабко та нерегулярно. В основному учні отримують лише загальнотеоретичні уявлення, не адаптовані до реалій життя і особливо екологічної проблематики.
Негативне ставлення до хімії призводить до непристосованості до цивілізованого, сучасного життя, екологічної безграмотності, наслідком яких буде не лише ущемленість у освіті школярів, а й підготовка екологічних бомб сповільненої дії. Це лише поглибить конфлікт людини та природи.
Останніми роками у низці наукових та навчальних центрів різних країн було розпочато роботи, що стосуються хіміко-екологічної освіти, але часто вони мали декларативний характер.
Своє завдання я бачу в тому, щоб виховувати в учнів прагнення добувати знання; зробити те щоб сам процес навчання захоплював їх; сприяв розвитку пізнавальної активності, інтересу до предмета. З цією метою я включаю до програми курсу хімії розгляд екологічних та валеологічних питань. Дана програма спрямована на формування у учнів природничо-наукових уявлень про навколишній світ та його закони, гуманістичні відносини та екологічно грамотну поведінку, інтелектуальне моральне вдосконалення учнів. Зміст програми готує хлопців до усвідомленого сприйняття хімічної картини світу та пропонує реалізацію інтегрованого принципу, тобто вимагає від учнів застосування знань і умінь із різних предметів природного циклу. Актуальність роботи зумовлена комплексом проблем, що полягають у подоланні відомої абстрактності предмета хімії, упередженості у її оцінці, у взаємозв'язку хімічних понять з екологічними аспектами реального життя людини.
Цілі та завдання роботи:
Розгляд основних засад екологізації хімічної освіти;
Аналіз форм та методів (прийомів) формування екологічної культури у навчанні хімії;
Характеристика ролі людини у процесі пізнання, перетворення та використання природи.
Практична значущість роботи полягає в тому, що вона містить методичні дослідження екологічних коментарів до основних положень курсу хімії, що дають змогу освоювати закони хімії на конкретних екологічних прикладах; розгляд прийомів формування усвідомленого ставлення до природи, екологічно грамотної поведінки у несприятливих умовах довкілля.
Результати застосування роботи в ліцеї № 4 показали її ефективність та практичну цінність, зростання інтересу учнів до предметів природно - екологічного циклу; дозволили переосмислити різні підходи до розгляду питань використання досягнень хімії у практичній діяльності, до значення прикладного характеру хімічних знань.
Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на педагогічних радах ліцею № 4, на засіданнях науково-методичної ради кафедри природничо – екологічного циклу ліцею. На семінарі директорів шкіл Комінтернівського району було дано урок «Теплові двигуни та охорона навколишнього середовища» спільно з учителем фізики, що базується на фізичних, хімічних, та екологічних аспектах проблеми. За матеріалами роботи опубліковано статті у збірнику «Освіта м. Воронежа на рубежі століть. Освітня область «Природознавство». Хімія «На межі двох тисячоліть, на зламі двох століть».
ГЛАВА 1
Стан проблеми екологізації викладання хімії в
науці та практиці.
1.1. Необхідність запровадження екологічної освіти у середній школі та її основні принципи.
Серед сучасних проблем, що стоять перед світовим співтовариством, особливо виділяється одна – проблема погіршення якості довкілля людини. Вона має глобальний характер і хвилює людей усіх країн. Першою країною, яка відчула негативний вплив хімічного забруднення природного середовища, стала Японія. У цій країні понад 80% території зазнають безпосереднього впливу промислового виробництва. Японці першими заговорили про проблему когай, що означає небезпеку шкоди від забруднень навколишнього середовища. Незабаром із цією проблемою зіткнулися і в інших країнах. Зростання забруднення довкілля проявляється наочно і викликає емоційну критику людей. Зазвичай основні претензії населення звернені до хімії. Тим часом за рівнем забруднення хімічна промисловість помітно поступається паливно-енергетичному комплексу, автотранспорту, чорної та кольорової металургії та навіть промисловості. Останніми роками найбільш неблагополучною є ситуація із забруднення атмосфери міста Воронежа бензапіреном, що міститься у вихлопах автомобілів, та пилом, питома вага нестандартних лабораторних аналізів яких щодня становлять 15-20%. Еколого-геохімічне обстеження ґрунтового покриву показало, що дуже неблагополучна обстановка із забруднення ґрунту свинцем та цинком. Частка незадовільних аналізів проб грунту становить містом загалом 19,3 і 15,5% відповідно, причому у промислової правобережної частини міста ця величина збільшується до 40-46%. Тим часом, саме ці інгредієнти є своєрідними індикаторами збільшення захворювання дітей. Серед дитячих захворювань у Воронежі переважають хвороби органів дихання (65%), рівень яких перевищує аналогічні середньоросійські показники у 1,2 разу по місту загалом. Профілактики підвищеного контролю вимагають, крім того, новоутворення, вроджені аномалії, просторові відмінності рівнів яких корелює з інтенсивністю забруднення навколишнього середовища.
Встановлено зв'язки між концентраціями в атмосфері формальдегіду та захворюванням на бронхіальну астму, а також великого вмісту в атмосфері пилу з хворобами крові. Пневмонії частіше реєструються в районах з підвищеним вмістом свинцю та оксиду вуглецю. Принаймні збільшення інтенсивності забруднення повітряного басейну в дітей віком спостерігаються виражені зміни гематологічних показників і зростання захворюваності.
В умовах, що склалися, необхідно провести об'єктивний аналіз причин розширення забруднення навколишнього середовища та почастішання катастроф, пов'язаних з неконтрольованим поширенням хімічних сполук технічного або біологічного походження. Здійснити такий аналіз складно, але можна виділити два основні аспекти загальної проблеми. Перший аспект належить до галузей політики та соціології та стосується суперечностей у розвитку економіки.
Другий аспект пов'язаний із підготовленістю самої людини до використання досягнень природничих наук у виробничих та побутових сферах.
Легке, суто технократичне ставлення до природи, пряме екологічне невігластво призвели до низки катастроф із незворотними наслідками. Факти жахливого забруднення дуже промовисті і гаряче осуджуються населенням. Проте рецидиви, що мали місце, рідко аналізувалися і зазвичай оцінювалися лише з емоційних позицій. Так виникла хемофобія. Тим часом суворий облік обставин показує, що екологічні зриви, що мають місце, зазвичай визначаються не особливістю хімії, а лише низькою кваліфікацією і не завжди належною моральністю працівників.
Першопричиною всіх відзначених бід, крім помилок у плануванні та будівництві, є застарілі недогляди у викладанні хімії в середній школі і як наслідок цього - брак населення хімічних знань. Виявляється вражаюче протиріччя; з хімічними речовинами та процесами систематично мають справу всі люди, але при цьому з розумінням можуть коригувати свої дії лише деякі. Однак слід зазначити, що саме на уроках хімії можна яскраво та переконливо продемонструвати як негативні сторони втручання людини у природне середовище, так і можливі шляхи оптимізації антропогенних впливів на ньому.
Необхідна копітка робота зі зміни свідомості людини щодо природокористування та виховання, прищеплення екологічної культури.
Стратегія природокористування, що спиралася на ідею могутності людини та її зростаючий над природою в епоху НТР, довгий час здавалася непорушною, на перевірку виявилася лише стратегією «яблуневої ідеології нашого ставлення до природи передбачає велику роботу з перебудови свідомості людей, з його екологізації. Усвідомлення цієї ситуації сприяло постановці найсерйозніших завдань, як у практичній галузі, так і у сфері фундаментальних наукових досліджень. Екологічними проблемами стали займатися представники різних наук, причому як природних, а й гуманітарних. Зумовлено це тим, що поряд із необхідністю розробки нової стратегії природокористування та створення принципово нових промислових технологій стало завдання екологічної перебудови свідомості людей, широкої пропаганди екологічних знань.
Головне- це реалізація прийнятих рішень, яка залежить зрештою про нас самих, наших знань, переконань, волі. Тут потрібні принципово нове екологічне мислення, подолання споживчої психології щодо природи. Суспільство має знати основні закони розвитку природи, знаходити шляхи вирішення проблем, навчитися приймати рішення у ситуаціях морального вибору та прогнозу, тобто пройти весь ланцюжок від екологічних знань до екологічного мислення та екологічно виправданої поведінки.
Формування високої екологічної культури можливе за умови, якщо у зміст шкільної освіти виходитимуть такі елементи: система знань про взаємодію суспільства та природи; ціннісні екологічні орієнтації; система норм і правил ставлення до природи, вміння та навички щодо її вивчення та охорони.
Екологічна освіта та виховання – одне з основних завдань школи.
1.2. Зміст екологічної освіти під час уроків хімії.
Екологічна освіта та екологічне виховання-два основні акценти, пов'язані з формуванням ставлення до природи. При екологічному навчанні увагу педагога концентрується на процесі передачі та засвоєння учнями накопиченого досвіду екологічних відносин, а при екологічному вихованні - на формуванні відповідних якостей особистості. Кінцева ж мета екологічного навчання та виховання єдине - формування оптимальних відносин людини із середовищем її проживання. Реалізується у межах єдиного педагогічного процесу. Фактично ж кінцева мета набагато глибше. Вона полягає у забезпеченні умов для інтелектуального, особистісного та соціального розвитку учнів, виховання у них почуття особистої відповідальності за стан до навколишнього середовища, прагнення глибоко розібратися в сутності та суперечливості змін, що відбуваються в екологічному розвитку нашої планети.
Система екологічних знань має забезпечити перелом у свідомості людей, їх світорозуміння, стосунків до природних багатств. Екологія стала ознакою сучасного етапу розвитку загальнолюдської культури. Тому метою екологічної освіти стає формування екологічної культури. До поняття екологічної культури включають знання та навички, рівень морального та естетичного розвитку світогляду, способи та форми спілкування людей
Зміст екологічної освіти настільки багатий і різноманітний, що може бути розгорнуто у межах однієї чи кількох предметів. Тому педагоги говорять про міждисциплінарний характер екологічної освіти, про широкі можливості практично всіх навчальних предметів та особливе значення кожного у формуванні екологічної культури учнів. Приклад тому - реалізація екологічних знань у початковій школі у курсі «Природознавства», а й у нових навчальних програмах шкільних дисциплін. Курси, що розробляються, мають на меті залучення всіх учнів у процес всебічного пізнання світу і підвищення загального рівня їх знань. Пріоритет у нових програмах набувають ті предмети, які найбільш значущі нині і залишаються актуальними наступні десятиліття.
Міждисциплінарний підхід потребує визначення функції кожного предмета у загальній системі екологічної освіти, виділення міжпредметних зв'язків, узагальнення міжпредметних підходів, які формують цілісність усіх навчальних дисциплін, об'єднаних метою – пізнання навколишнього світу. Зміст навчальних дисциплін потребує міжпредметної координації та поетапної інтеграції відповідних знань.
Екологічна освіта нерозривно пов'язана з пізнанням діалектичного характеру взаємодії елементів у системі «людина-суспільство-природа». Відображення цієї триєдності і становить те ядро, яке у змісті загальної освіти дозволяє лише на рівні міжциклових зв'язків розкрити світ природи і світ як єдине ціле.
Модель екологічної освіти включає як змістовну структуру, а й основні умови задля досягнення мети.
https://pandia.ru/text/78/141/images/image002_5.gif" width="612" height="372">Фактори екологічної освіти, що визначають у школярів відповідальне ставлення до природного середовища.
Слід пояснити підростаючому поколінню, що нинішній стан довкілля таїть у собі таку ж небезпеку людства, як і ядерна війна. Різниця лише в одному – екологічні проблеми більш підступні... Небезпечною помилкою є втіха надією, що людство зможе зупинитися в руйнуванні навколишнього світу, коли наблизитися до щільної до екологічної загибелі. Буде піздно! У цьому й усі підступність проблеми.
Розумне, тонке екологічне виховання та утворення нових поколінь – ось та сила, яка ще може заморозити і повернути назад заведені стрілки жахливого механізму, що загрожує розв'язанням нашої планети. .
Пізнання сутності навколишнього світу виступає інтегруючим ланкою предметів природного циклу, і важлива роль екологізації освіти відводиться навчанню хімії.
Поряд із засвоєнням основ базової науки, що включають її мову, найважливіші факти, поняття, теорії та закони, доступні узагальнення світоглядного характеру навчання хімії має сприяти: розвитку та інтелектуальному вдосконаленню особистості; формуванню в учнів екологічно доцільної поведінки, розумного ставлення до себе, людей, навколишнього природного середовища; виробленні розуміння суспільної потреби у розвитку хімії, формуванню у тих, хто навчається, ставлення до хімії як можливої галузі майбутньої практичної діяльності.
Відбір екологічного матеріалу для включення до навчальних програм з хімії має проводитися з урахуванням основних принципів дидактики. Головними критеріями є науковість, доступність для вивчення, логічний зв'язок із змістом навчального предмета, що дозволяє здійснити педагогічно обґрунтований відбір питань з хімічних аспектів екології, розробити зміст та методику їх вивчення на уроках хімії.
Яке ж місце у загальній системі екологічної освіти займає хімічна освіта?
Традиційно головна мета навчання хімії полягає в тому, що учня необхідно було ввести у світ речовин (як природних, так і створених людиною), закласти основу розуміння причин його різноманіття, сформувати не тільки загальне уявлення про способи отримання та сфери застосування речовин, але й практичні вміння. поводитися з ними. Недостатня інформація про біологічну роль речовин, їх шкідливий вплив на організм людини та навколишнє середовище висунула ще одне освітнє завдання
навчанні хімії – на основі Фундаментальних хімічних знань сформувати системні знання про хімічні аспекти екології та екологічних проблем. Ця система включає знання про речовини живої природи, про взаємодії, пов'язані з проявом життя в рослинному та тваринному світі, про хімічні взаємозв'язки організмів між собою та навколишнім середовищем, про взаємодію антропогенних факторів як на саму людину, так і на все живе
Система екологічних та хімікоекологічних понять у хімічній освіті включає питання кругообігу речовин у природі, зміни та перетворення енергії в біосфері, розгляд середотворчої функції речовини, а звідси і глобальних проблем, інтегративних властивостей екосистем, таких як наявність біогенних речовин та їх хімічне перетворення; самовідновлення екосистем; антропогенні зміни в екосистемах; реалізація закономірностей взаємодії органів із середовищем у практичній діяльності людини, в охороні навколишнього середовища; закони збереження матерії та енергії, єдність матеріального світу; протиріччя у взаємодії нашого суспільства та природи, розвиток суспільства з допомогою ресурсів природи.
Екологія та хімія взаємодоповнюють одна одну. Впровадження в екологію принципів термодинаміки породило продукційно-енергітичну екологію, яка досліджує закономірності розсіювання потоку енергії у харчових ланцюгах. Погляд на різноманітність екологічних відносин через призму неорганічної хімії виявляє широкий спектр явищ, зумовлених впливом людини на біосферу та неживу природу. Важливим компонентом притодних процесів на планеті є глобальна циркулярна і перетворення, що зазнають таких основних елементів, як вуглець, азот, водень, сірка та фосфор. Багато неорганічних сполук здатні вплинути і вже впливають
на клімат планети та стан її атмосфери, на якість того природного середовища, в якому живе людина, а отже, і на здоров'я людей
У межах неорганічної хімії цікавить звернути увагу як на антропогенні деформації природних циклів хімічних речовин і застосування якості довкілля, а й у пошук рішень соціально-екологічних проблем: енергетичної, сировинної та інших. Наприклад, перспективи водневої енергетики; роль кисню та озону у забезпеченні життя на Землі; метали в біосфері та організмі людини тощо.
Величезну роль екологічних відносинах грають процеси, які стосуються області органічної хімії . Органічні сполуки становлять основу частини біосфери, яку називав «Живе речовина». Життя людей як біологічних індивідів зумовлено складними перетвореннями органічних речовин в організмі людини та обміну речовин із навколишнім середовищем. Нарешті, саме виживання людства сьогодні неможливе без широкого використання органічних речей у побуті, медицині, промисловості, сільському господарстві тощо.
Розуміння ролі органічних речовин у існуванні та розвитку складного соціобіосферного комплексу Землі в цілому та основних його частин становить важливий бік хімічного прочитання сучасної економіки.
Досягнення екології є фундаментом для вирішення низки актуальних завдань сучасності. Зокрема, із даними, отриманими екологією
Логію здорового способу життя: у пріоритеті духовних потреб у порівнянні з матеріальними, турботі про збереження свого фізичного здоров'я. Така особистість у юному буднт здатна у своїй професійній діяльності керуватися принципами екологічного та морального імперативів (15, с. 3).
Звернемо до проблеми організації викладання хімії у середній школі. На шляху перетворення предметного навчання та створення системи екологічного виховання школярів вчитель зустрічається з певними труднощами. По - перше, хемофобія, що виникла в суспільстві, що викликає у дітей початкову зневагу до предмета. По-друге, абстрактність самого предмета.
Головне-змінити (екологізувати) власний світогляд, усвідомити свою відповідальність (людську та професійну) за підготовку екологічно освіченого підростаючого покоління. Необхідно здійснювати систематичне інформування про досягнення хімії у захисті навколишнього середовища.
1.3. Огляд літературних джерел з питань екологічного всенавчання.
Курс хімії, що вивчається у сучасній середній школі, не вирішує повною мірою завдань екологічної освіти та виховання. Питання екології заявлено декларативно, глибоко не вивчається і лише «контурно» намічено. Однак заходи щодо вивчення впливу хімічних процесів та хімічних сполук на навколишнє середовище не можуть повною мірою замінити систематичного вивчення цих питань.
Хімія- одне з найважливіших предметів, з урахуванням якого формується діалектика- матеріалістичні ставлення до навколишньому світі.
Згідно з чинною програмою випускники IX-го класу мають про хімію вельми неповні, уривчасті уявлення, оскільки питання органічної та загальної хімії вивчаються в X-XI класах. З урахуванням диференціації навчання в старших класах багато учнів можуть зовсім не вивчати хімію, що призведе до повного незнання цілого ряду життєво важливих питань і ускладнить існування людини в сучасному світі, оскільки випускники шкіл не розуміють, наприклад, причин шкідливого впливу господарської діяльності на рослинний і тваринний світ та біосфера в цілому та інші подібні питання.
Таким чином, необхідна докорінна зміна програми з хімії, а відповідно і курсу хімії загалом.
На кафедрі методики викладання предметів природничо-математичного циклу МДІУУ розроблено нову програму курсу хімії «Екологія та діалектика» та на її основі проведено експеримент у двадцяти школах м. Москви та Московської області. Її відмінною особливістю є те, що на її основі випускники IX класу отримують загальне уявлення про хімічну науку в цілому, а також про її розділи. На базовому ступені, що завершується дев'ятим класом, учні знайомляться з роллю і місцем хімії в сучасній господарській діяльності людини, її вплив на навколишнє середовище та способами подолання негативного впливу практичної діяльності на флору, фауну та людський організм, пов'язаної з використанням хімічних виробництв.
У цій програмі багато уваги приділено постановці хімічних експериментів використанню різних найбільш важливих хімічних сполук у практичній діяльності людини, їх впливу на довкілля та людський організм. Через знання хімічних сполук, хімічних явищ у учнів формується особливе ставлення до довкілля людини,
Створюється база правильного розуміння проблем екології, без якого неможливе існування людства в сучасному світі; формується уявлення про складність суперечливості різних процесів, у тому числі й хімічних, що дозволяє на цій основі, залучаючи знання з інших курсів природно – математичного циклу, формувати діалектико-матеріалестичне розуміння навколишньої діяльності. Водночас цей курс хімії має вирішувати і завдання виховання професіоналів – хіміків, а також людей, для яких потрібне глибоке знання хімії для успішної реалізації своїх професійних завдань. Він покликаний створити фундамент міцних хімічних знань, на основі яких можна формувати вищий рівень знання та розуміння хімії у Х – XI класах середньої школи. У цьому курсі передбачається реалізація диференційованого навчання, враховує особливості засвоєння хімічних знань як учням зі зниженим рівнем виховання навчального матеріалу, і учням, які мають початковий рівень розуміння хімії досить високий.
Розроблена програма «Екологія та діалектика» передбачає глибокий взаємозв'язок з біологією, фізикою, географією та ін дисциплінами, що вивчаються в школі, що дозволить сформувати в учнів цілісне уявлення про навколишній світ.
Однак, ця програма розрахована на поглиблене вивчення предмета з пропедевтичним курсом у VII класі та придатна лише у спеціалізованих школах чи класах. Фахівцям МПГУ ім. Н Звєрєвої і було розроблено низку інтегрованих курсів: «Біосфера і людина», «екологія та цивілізація», екологізований курс хімії; від теми до теми.
Програма інтегрованого курсу «Біосфера та людина» призначена для учнів старших класів та середніх спеціальних закладів гуманітарного профілю. Цей підхід тим більше актуальний, що в гуманітарній освіті останнім часом посилилася тенденція до скорочення курсів природничих дисциплін, і в першу чергу хімії. Інтеграція природничо знань дозволяє вирішити проблему формування цілісного сприйняття навколишнього світу, розвинути інтерес до хімічної науки і сформувати на хорошому рівні хімічні знання.
Метою цього курсу є екологізація свідомості учнів, популяризація вчення. Провідні ідеї курсу: людина-причина появи екологічних проблем і лише людина може їх вирішити; цілісність та різноманіття світу. Увага акцентовано на вивченні самої природи, різноманітності рівнів організації життя, еволюції як органічного світу, так і взаємин людини та природи.
Але курс "Біосфера і людина" дуже специфічний і заявлений як окремий спеціалізований предмет у X-XI класах. Однак, не в кожній школі в навчальному плані є додатковий годинник на введення цього курсу.
запропонувала екологізований курс "Екологія і цивілізація", що має яскраво виряджений міждисциплінарний характер, що включає філософсько-історичні, соціально-моральні, біологічні, географічні та фізико-хімічні аспекти екологічних проблем.
В рамках екологічного навчання та виховання проводиться пропедевтика в I-VII класах у вигляді вивчення курсу "Навколишній світ" (I-II Кл.), "Природознавство" (I-IV Кл.) відбувається подальше накопичення знань учнів про природні об'єкти, деякі закономірності розвитку природи, фактах антропогенного впливу на довкілля; навчання шкільні-
ків аналізу та моделювання нескладних ситуацій. На цьому етапі найбільш ефективним є шлях екологізації навчальних дисциплін у поєднанні з проблемними факультативними курсами, гуртковою та краєзнавчою роботою.
У процесі навчання хімії у VIII та IX класах важливо включити розгляд проблем захисту навколишнього середовища від хімічного забруднення. В основу екологізованого курсу хімії покладено уявлення про взаємозв'язок складу, будови, властивостей та біологічної функції речовин; їх двоїстої ролі в живій природі; біологічної взаємозамінності хімічних елементів та наслідках цього процесу для організмів; причини порушення біогеохімічних циклів; ролі хімії у вирішенні екологічних проблем.
На завершальному етапі навчання (X_XI кл.) удосконалення хімічних знань продовжується у процесі засвоєння курсу органічної та загальної хімії. Його зміст дозволяє розвинути ідеї вияву хімічних законів у природних процесах; зрозуміти такі екологічні закономірності, як циклічність і безперервність обміну речовиною між складовими компонентами біосфери.
Екологізований курс хімії X кл. доповнюється факультативним курсом «Хімія та охорона навколишнього середовища», в якому розкрито хімічні аспекти екологічних проблем на локальному, регіональному та глобальному рівнях. Складовою цього курсу є лабораторний практикум, що передбачає організацію дослідницької діяльності учнів з вивчення антропогенного на природні об'єкти.
Навчальна дисципліна «Екологія та цивілізація» введена паралельно з вивченням курсу хімії у X та XI класах (14, с.43).
Внаслідок інтегрованості цих курсів здійснення програм відбувається у межах кількох предметів та кількома вчителями.
Для VIII – XI класів було запропоновано програму екологізованого курсу хімії: від теми до теми. Основна увага в ній зосереджена на тих явищах.
Лініях, які викликають серйозне занепокоєння за стан природного середовища та майбутнє цивілізації: глобальне потепління клімату, виснаження атмосферного озонового шару, кислотний дощі, накопичення у ґрунті токсичних важких металів та пестицидів, забруднення великих територій радіоклітин.
Природа у своєму природному розвитку перебуває у динамічній рівновазі;
Безпосереднім результатом взаємодії людини та природи стає зміни хімічного складу компонентів навколишнього середовища, що призводить до усунення природної рівноваги;
Хімічні знання - невід'ємна частина знань про основи охорони природи, раціональне природокористування та розумне перетворення навколишнього середовища людиною.
Роль хімії у вирішенні екологічних проблем на сучасному етапі значна:
А) Вивчаючи склад, будову, властивості, як веде себе та чи інша речовина в атмосфері, грунті, водному середовищі, які впливи надає вона і продукти його перетворень на біологічні теми;
Б) Розкриваючи механізми біогеохімічних процесів у природному кругообігу елементів, хімія сприяє вирішенню завдання найбільш природного та “безболісного” входження промислового виробництва в природні цикли, роблячи його частиною будь-якої екосистеми.
В) Використовуючи різноманітні методики хіміко-аналітичного контролю стану об'єктів довкілля середовища чи якості готової продукції низки галузей промисловості (хімічної, нафтохімічної)
, мікробіологічної, фармацевтичної), хімія дозволяє отримати інформацію, необхідну для подальшого прийняття рішень про запобігання надходженню шкоди.
Них речовин у контрольовані об'єкти, очищення цих об'єктів, способи їх захисту тощо.
Екологізований курс хімії дає можливість розкрити особливу роль цієї науки у боротьбі з екологічним невіглаством, що виявилося в уявленні про «винність» хімії, що вкоренилося, в цій екологічній ситуації, залучити школярів до дослідницької роботи з вивчення стану природного середовища, виховати у них почуття особистої відповідальності за її збереження. .
Цінність цієї програми полягає в тому, що екологічні поняття знаходять відгук у кожній темі з хімії, розширюючи, поглиблюючи та систематизуючи знання учнів основних хімічних закономірностей, їх взаємозв'язки зі станом довкілля. При розгляді будь-якого хімічного питання екологічні аспекти можуть бути представлені або у вигляді короткого повідомлення, доповіді на уроці, захисту реферату, постановки екологічного експерименту або вирішення екологічного завдання, що допомагає освоювати закони хімії конкретних екологічних прикладів.
А (МПГУ ім. В.І. Леніна), (ЛДІУУ), Мю (МНВО «Синтез»), (МДУ ім..) розроблено програми факультативних курсів з екологічної освіти школярів: «Здоровий спосіб життя людини в умовах забрудненої біосфери», "Основи загальної екології та охорона навколишнього середовища", "Екологічні проблеми Ленінградської області", "Біологічна роль хімічних елементів". Ці факультативні курси забезпечують формування системи знань учнів (рівень екологічної свідомості) з елементами екологічної культури (ціннісна орієнтація школярів науково обгрунтоване природокористування). Для повнішого вивчення основ екології у зв'язку з основами хімії необхідні загальноосвітні цикли, що містять загальноеколо-
Шені цих завдань підвищується рівень мотивації вчення і полегшується процес отримання знань.
При диференціації за інтересами технологія стикається з культурно-виховною технологією навчання, що сприяє гуманізації освіти. Як стан частина даної технології виступає відділення екологічної культури: ознайомлення з проблемами збереження природи, довкілля людини, унікальної людської культури: виховання любові до природи, поглиблене вивчення географії, біології та хімії. Як специфічні часто методичні та локальні технології може бути застосована технологія екологічного виховання, Т. В. Кучер та ін.
З метою екологізації викладання хімії використовують і технології співробітництва, групові технології, що надають стимулюючу дію на розвиток дитини. Вони припускають комунікацію, спілкування, обмін учнів інформацією, порозуміння.
Процес навчання базується також на альтернативних технологіях і технологіях навчання, що ґрунтуються на принципах антропософії, згідно з якою розвиток здатності до пізнання призводить людини до досконалості. Антропософія є основою вальдорфської педагогіки Р. Штейнера. Розвиток інтелектуальних здібностей здійснюється за технологією та. Розвиваюче навчання враховує та використовує закономірність розвитку, пристосовується до рівня та особливостей дитини (3, с. 80-83: с109: с. 119-122: с.1516 с. 181)
Застосування цих технологій дозволяє орієнтувати особистість школяра н6а сприйняття всього оточуючого як зацікавленого дослідника, який відчуває особисту відповідальність за наслідки своєї діяльності іншим людям і природи.
Фрагменти вищезгаданих технологій Н. П Гузіка, І. Н Закатової, НТ Суровішної, ТБ Кучер, Р Штейнера, ДБ Ельконіна та ВВ Давидова я використовуючи при проведенні уроків екологічної спрямованості та позакласних заходів з екологічної тематики
2.2. Форми проведення занять екологічного всенавчання при викладанні хімії.
З професійної точки зору мене залучають нестандартні форми проведення занять та обліку знань учнів, такі як уроки-заліки, уроки-семінари, уроки-конференції, використання дидактичних, рольових та ділових ігор, елементів тетралізації. Я використовую взаємозбагачувальну взаємодію природничо-наукових дисциплін для формування цілісного ставлення до природи, мотивації норм здорового способу життя.
З метою посилення екологічної спрямованості шкільної освіти вводжу розгляд питань екологої у навчальний матеріал кожної теми, надаю слово учням-черговим екологам для висвітлення найбільш важливих екологічних проблем у рамках даної теми, що дозволяє найповніше використовувати екологічні знання для формування дбайливого ставлення учнів до природи, їх готовності до активних дій щодо її охорони.
Моя педагогічна концепція з екологізації викладання хімії близька до екологізованого курсу хімії: від теми до теми. Під час уроків я використовую екологічні експерименти, завдання чи питання, практичні роботи екологічної спрямованості.
При вивченні будови та властивостей перехідних металів я проводжу семінарське заняття «Особливості будови d-елементів та вплив їх на довкілля та здоров'я людини». Метод цього уроку – семінар розвиваючого та навчального типу.
Цілями уроку є узагальнення знань учнів про періодичний закон, будову атомів, стан електронів в атомах; закріплення умінь складати електронні схеми, формули, порівняти хімічні елементи за хі-
мічної активності; ознайомлення учнів із деякими закономірностями, що зумовлюють поширеність металів у природі, їх токсичність, частку участі у метаболізмі живих організмів, виходячи з становища елементів – металів у періодичної системі; розкриття причин забруднення довкілля d-елементами, зазначення основних джерел забруднення; формування вміння школярів прогнозувати та аналізувати наслідки забруднення природного середовища металів; ознайомлення з основними напрямками щодо запобігання забрудненню.
Девізом уроку я обрала слова: “Наука тільки тоді благотворна, коли ми її приймаємо не лише розумом, а й серцем”.
План семінару
1)Положення d-елементів у періодичній системі.
2)Особливості будови атомів d-елементів, їх властивості.
3) d-елементи і живий організм.
4) Біологічна роль та токсична дія d - елементів.
5) Проблема забруднення навколишнього середовища металами та шляхи її вирішення.
6)Знаходження d - елементів у природі. Корисні копалини, що містять d-елементи в Воронезькій області.
На початку уроку актуалізую знання та проводжу індивідуальне та фронтальне опитування.
а) Індивідуальне опитування.
1. Робота за картками.
2. Які елементи називаються d-елементами?
3. Дати характеристику положення d – елементів у періодичній системі.
4. Особливості будови атомів d – елементів; заповнення електронами енергетичних підрівнів, явище "провалу електрона".
б) Фронтальне опитування.
1. Дати сучасне формулювання періодичного закону.
2. У чому фізичний зміст порядкового номера елемента, номера групи та періоду?
3. Які квантові числа описують стан електронів в атомі?
4. Які правила є основою складання графічної схеми будови атома?
5. Скласти графічні схеми та написати електронні формули будови атомів наступних хімічних елементів скандію, заліза, ніобію, («провал» електрона) (перевірка через гороскоп)
З другого краю етапі пропоную учням виконати текстове завдання за трьома варіантами. Свої відповіді вони оформлять на фільтрованому папері, просоченому фенолфталеїном, капаючи в потрібне, на їхню думку, положення розчином лугу. У разі правильної відповіді на папері з'являється сигнал кольору.
Це дозволяє одразу оцінити роботу учнів.
Особливість будови атомів d - елементів обумовлена наявністю в них надлишку валентних орбіталей та недоліком
Філософські дискусії у сучасному природознавстві є у певному сенсі незвичайну картину, а саме: дуже активно обговорюються методологічні та світоглядні проблеми біології та фізики, синергетики та астрономії, генетики та біотехнології, проте не дуже велика увага приділяється аналогічним питанням хімії. Може виявитися, що, базуючись на таких фундаментальних узагальненнях, як періодичний закон, теорія хімічної будови, хімічна термодинаміка, хімія відкрила широкі можливості для дослідження та синтезу мільйонів речовин неживої та живої природи, для створення раніше невідомих сполук. Начебто вона захопилася емпіризмом, утилітарною стороною і її не цікавлять складні світоглядні та методологічні проблеми, що стоять перед нею. "Однак перед хімією, - підкреслює Ю.А. Жданов, - стоять свої складні та актуальні проблеми теоретичного та методологічного характеру, і без їх з'ясування не тільки вона сама, а й низка інших наук не зможуть продуктивно рухатися вперед".
Тепер розглянемо екологічний аспект хімії, коли відбувається процес забруднення навколишнього середовища, який через його нелінійність шкідливо впливає на людину. Тут можна виділити цілий спектр шкідливих для нашого здоров'я факторів: хімічне забруднення ґрунту та наступна звідси небезпека продуктів, хімічна забрудненість повітря води та інші екологічно небезпечні дії. В даному випадку слід зважати на антропогенну природу різного роду забруднення атмосфери, гідросфери та літосфери. «Людина є природним та основним забруднювачем, – підкреслює Дж. Бокріс, – планети. Довгий час екологічний розвиток був гармонійним. Життя одного організму в процесі розвитку було підпорядковане цілому, і воно відповідало хімічним процесам, що протікали навколо неї. До нинішнього століття людина не дуже відчутно впливала на збалансовану в процесі розвитку екологічну ситуацію. Порушення цієї гармонії, з якою в даний час зіткнулася людина, є наслідком збільшення обсягу хімічних та інших промислових підприємств, що скидаються у воду та повітря. В атмосфері відбуваються фотохімічні процеси, за допомогою яких переробляються забруднюючі речовини та відновлюється баланс. Однак із початку XX ст. Людина викинула в атмосферу таку кількість забруднювачів, що вони порушують природні процеси відновлення балансу». Хімічна забрудненість навколишнього середовища значно впливає на життєдіяльність і поведінку людини, оскільки завдає відчутної шкоди її організму.
Давно встановлено, що поведінка людини та пов'язані з нею її здоров'я та патологія детерміновано хімічною природою навколишнього середовища. Селективний вибір хімічних речовин лежить в основі пошуку лікарських препаратів для лікування різноманітних захворювань, у тому числі і психічних. Відомо чимало речовин, що викликають порушення нормальної поведінки людини, наприклад, що призводять до наркоманії. Однак вони становлять лише дуже невелику частину величезної різноманітності хімічних речовин, що надають біохімічним шляхом вплив на здоров'я людини. Адже хімічні речовини, незалежно від способів проникнення в організм людини, впливають на протікання біохімічних процесів в організмі. Це зумовлено, по-перше, закономірностями генези біосистем на нашій планеті - в ході хімічної еволюції однією з ранніх основних змін був перехід від відновлювальної атмосфери до окислювальної, в якій почали розвиватися характерні для нашого часу біосистеми. Гармонійність такої еволюції чітко проявляється в «... єдності, яка має на увазі біохімічну еволюцію набагато складнішу і відбулася набагато раніше, ніж біологічна еволюція, яка дала нам усі такі різноманітні форми, явища та поведінкові зразки в рослинному та тваринному світі». Отже, зовнішнє хімічне середовище детермінувало природу організмів, що вижили в ході еволюції.
По-друге, виживання організмів пов'язане з здатністю організму, що розвинулася до відтворення. Розшифрування коду ДНК – основного генетичного матеріалу, що транслюється від покоління до покоління – показало, що розвиток індивіда регулюється на молекулярному рівні та протікає за рахунок великої кількості біохімічних реакцій. Тоді стає зрозумілим, що всі інші властивості організму (анатомічні, електрофізіологічні, поведінкові та ін) у певному сенсі залежать від біохімічних процесів. Це пояснює, чому на здоров'я та патологію людського організму насамперед впливає біохімічні фактори, чому найбільш значущими є впливи зовнішнього хімічного середовища.
Зрозуміло, що в ході еволюційного процесу сформувалася здатність біосистеми реагувати як єдине ціле на впливи навколишнього середовища, від чого залежить фізичний стан індивіда, основною причиною зміни цього стану людини є нейрохімічні процеси, які протікають в нервовій системі, особливо в центральній нервовій системі, тонка організація якої забезпечує можливість здійснення множини таких процесів. Мозок людини містить, як відомо, близько 100 млрд. нейронів, він є нейронною мережею, яка є фракталом, тобто. має нелінійність. І сам організм людини є динамічною нелінійною системою, тому зв'язок між станом людини і зовнішнім хімічним середовищем у найзагальнішому вигляді є нелінійним. Результати експериментів щодо виявлення зв'язків чутливості поведінки та гострих змін хімічного середовища, коли порушується нормальний стан організму, показує нелінійну (експоненційну) залежність (зв'язок) між станом організму та екзогенною хімічною речовиною. У загальному випадку неважливо, яким шляхом потрапляють хімічні речовини в організм людини - соматичним, при вдиханні через шкіру або слизову оболонку, внаслідок ін'єкції або імплантації; головне у тому, що вони надає нелінійне впливом геть стан організму людини. Це має важливе значення для методів контролю та очищення навколишнього середовища від хімічних забруднень, щоб людина могла нормально санкціонувати та здійснювати свою діяльність.
Заслуговує на філософське осмислення перехід від конструювання молекул до створення молекулярних машин, що відбувається в сучасній хімії. Хімія відноситься до тих областей фундаментального знання, яка дозволяє синтезувати та вивчати молекули, а це означає, що хімія як розділ природничих наук зайнята вивченням речовини на рівні її молекулярної організації. Дана область досліджень здається ненасиченою і насправді є такою. До каталогу хімії занесено сотні тисяч молекул природного походження, будова яких розшифрована в лабораторіях, а до цього часу до цього числа додано понад 15 млн. молекул, синтезованих хіміками і речовин, що не зустрічаються в живій природі. Розроблена хіміками методологія синтезу, методи дослідження молекулярної структури та їх перетворень (а серед новітніх з них є такі, як скануюча тунельна мікроскопія та лазерна фемтосекундна спектроскопія, в яких досягаються просторове та тимчасове дозволи на рівні розмірів окремих атомів та їх переміщень за зникнення в 10 -15 с), дозволяє успішно осягати таємниці будови молекул та їх різних властивостей. Це стосується навіть найнестійкіших з них, що розкладаються у звичайних умовах за мільйонні частки секунди.
«Чи означають ці здобутки, - пише В.І. Мінкін, - що хімія як наука вже вирішила своє завдання і, хоча її можливості виробляти нові молекули в ще більшій кількості залишаються необмеженими, сам цей процес набуває все більш рутинного характеру? Справді, нині став, наприклад, можливим автоматичний синтез пептидів (низкомолекулярных білків). Така оцінка загального стану хімічної науки (науки, закони якої однаково важливі для розуміння живої та неживої Природи) була б поспішною. Та й зовсім не оригінальною». Адже ще в 1929 р. нобелівський лауреат Поль Дірак з відкриттям квантової механіки стверджував: "Основні фізичні закони, необхідні для математичної теорії частини фізики та всієї хімії, стають, таким чином, повністю відомими, і труднощі полягають тільки в тому, що точне застосування цих законів призводить до рівнянь, надто складних, щоб їх можна було вирішити". Ця теза Дірака опинилася в центрі широких дискусій серед фізиків, хіміків та адептів та противників філософії редукціонізму. У багатьох монографіях і підручниках з теоретичної та фізичної хімії наводиться цей вислів класика науки, причому акцент робиться на нездійсненності передбачення. Очевидно, Дірак висловлював свою думку як таку собі гіперболу, щоб підкреслити виняткову важливість нової теорії мікросвіту. Самі постулати квантової механіки, які з них наслідки виявилися вірними, а як було вже показано зараз повне рівняння Шредінгера не вирішується точно навіть для найпростіших молекул, а хороші наближення до точних рішень для молекул середнього розміру вимагають часу роботи суперкомп'ютера, що обчислюється цілодобово. Можна сміливо сказати, що методи квантової механіки визначають, переважно, темпи наукового прогресу, але з характер наукової творчості. Відомо, що творчі за своєю природою ірраціональні і не можуть бути виведені логічним, дедуктивним шляхом - інакше будь-яка людина, яка володіє логікою, могла робити наукові відкриття (у цьому випадку наука просто була б не потрібна). До того ж не слід забувати, що періодична система елементів та теорія молекулярної будови органічних сполук були створені хіміками задовго до формування принципів квантової механіки та навіть до відкриття електрона.
Відомо, що вибір напрямів наукового пошуку диктується двома чинниками: запитом суспільної потреби та внутрішнім імпульсом дослідника до відкриття нових явищ та закономірностей, проникнення у таємниці Природи. На різних етапах розвитку суспільства в залежності від досягнутого рівня знань тенденції наукового пошуку та пріоритети вибору цілей змінюються. У хімії 60-80-х років центр тяжкості досліджень припадав на вивчення тонкої структури молекул, механізмів реакцій та внутрішньомолекулярної динаміки. В останнє десятиліття чітко виявився інтерес до об'єктів та цілей підвищеної складності - вивчення та моделювання функцій біологічно важливих молекулярних систем, а також створення нових високотехнологічних матеріалів, побудованих з елементів наноскопічного масштабу. Ця тенденція відбиває перехід від вивчення окремих молекул та його невеликих асоціатів до вивчення будови властивостей і трансформацій досить великих агрегатів молекул, спрямованому конструюванню організованих молекулярних ансамблів із створення своєрідних молекулярних машин, тобто. молекулярних пристроїв, у яких зміни, що індукуються в окремих складових молекулах, викликають кооперативні процеси у всій системі (К. Дрекслер). Такі пристрої можуть служити для перетворення одного виду енергії в інший, акумуляції світлової енергії, запису, зберігання та передачі інформації, молекулярного комп'ютингу та ін. .
Для хімії небо залишається широко відкритим, бо це наука, а й мистецтво. Мистецтво, звичайно ж, завдяки красі своїх об'єктів, але й за своєю суттю, завдяки своїй здатності і нескінченно винаходити і творити свої об'єкти, саме себе, своє власне майбутнє. Подібно до художника, хімік втілює в матеріальних образах плоди своєї власної уяви. Камінь, звуки, слова власними силами не містять створюваних їх творів скульптора, композитора, письменника. Подібним чином, хімік створює нові молекули, нові матеріали та нові властивості елементів, що надаються йому природою. Він воістину творить нові світи, які не існували, поки не вийшли, оформившись з рук хіміка, подібно до того, як матеріал, тільки вийшовши з рук майстра, набуває сили і виразності твору мистецтва. Це чудово передав у своєму творінні Опост Роден.
Хімія має цей творчий потенціал. Як Марселей Бертло: "Хімія сама створює свої об'єкти". Вона не просто створює предмети, вона творить предмет дослідження. Він не існує спочатку, винаходиться і створюється у процесі дослідження. Він не просто чекає свого відкриття, він чекає свого створення. Суть хімічної науки знайшла свій повний вислів у словах художника – вченого Леонардо да Вінчі: «… там, де природа перестає творити свої власні об'єкти, за справу береться людина, яка створює, використовуючи природні матеріали та за допомогою природи, безліч нових об'єктів…» .
Суть хімії у відкриттях, а й у винаходах, у творчому творенні, передусім. Книгу хімії треба не лише читати, а й писати; партитуру хімії треба не просто виконати, її треба написати. Філософська значимість сучасної хімії полягає в тому, що вона дозволяє конструювати нові речовини та матеріали, що не зустрічаються в живій природі, а це, у свою чергу, вносить новий вимір у сенс екзистенції людини. Адже дуже складними та різноманітними обіцяють бути об'єкти супрамолекулярної хімічної творчості, в результаті якої можна створювати цілі хімічні галактики. Творчість, як відомо, служить пошуку сенсу нашого життя, задовольняючи найвищу потребу в самоактуалізації.