Цели урока:
Оборудование: интерактивная доска, таблицы, планшеты с тестовыми заданиями, магнитная доска, магниты.
План семинара.
1). Положение d-элементов в периодической системе.
2). Особенности строения атомов d-элементов, их свойства.
3). d-Элементы и живой организм.
4). Биологическая роль и токсическое действие d-элементов.
5). Проблемы загрязнения окружающей среды металлами и пути ее решения.
6). Нахождение d- элемента в природе. Полезные ископаемые, содержащие d-элементы, в Воронежской области.
I. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ.
А) Индивидуальный опрос.
- Работа по карточкам.
- Какие элементы называются d- элементами.
- Дать характеристику положения d- элементов в периодической системе.
- Особенности строения атомов d- элементов: заполнение электронами энергетических подуровней, явление “провала” электрона.
Б) Фронтальный опрос.
- Дать современную формулировку периодического закона.
- В чем физический смысл порядкового номера элемента, номера группы и периода?
- Какие квантовые числа описывают состояние электронов в атоме?
- Какие правила лежат в основе составления графической схемы строения атома?
- Составить графические схемы и написать электронные формулы строения атомов следующих химических элементов: скандия, железа, ниобия (“провал” электрона)
II. КОНТРОЛЬНЫЙ ТЕСТ с применением химического эксперимента (на предварительно пропитанной фенолфталеином и высушенной фильтровальной бумаге нанесена таблица с номерами вопросов теста по вертикали и литерами предполагаемых ответов по горизонтали; учащиеся с помощью пипетки добавляют раствор гидроксида натрия NaOH в клеточку выбранного ответа. О правильности данного ответа судят по изменению окраски фенолфталеина).
III. ИЗУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ И ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ d-ЭЛЕМЕНТОВ.
Особенность строения атомов d-элементов обусловлена наличием в них избытка валентных орбиталей и недостатком электронов. d-Элементы-металлы, а все металлы имею небольшое количество электронов на внешнем энергетическом уровне, легко их теряют, проявляя восстановительные свойства.
Металлы способны вступить во взаимодействие с белками организма и образовать с ними металлоорганические соединения. Ионы металлов - непременные участники биологических процессов: они стимулируют, нормализуют обмен веществ в организме, оказывают положительное действие на рост и размножение, на иммунобиологическую активность организма и продолжительность жизни; участвуют в кроветворении, в окислительно- восстановительных процессах, стабилизируют и активируют ферменты (образуют их активные центры). Ионы металлов создают разность потенциалов вблизи поверхности клеточных мембран, чем обеспечивают протекание жизненных процессов в клетке. Токсичность металлов тесно связана с их физико-химическими характеристиками (электронной конфигурацией, энергией ионизации, электроотрицательностью, величиной окислительно-восстановительного потенциала, способностью к образованию более или менее прочных соединений с рядом функциональных групп на поверхности или внутри клеток белков и т.д.), а также со строением иона металла, с функциональной и структурной организацией биологического объекта.
Электроотрицательность влияет на взаимодействие металла с цитоплазмой. Например, высокая электороотрицательность ртути дает ей возможность в первую очередь взаимодействовать с активными центрами ферментов, снижая этим их активность, а у растений – подавляя фотосинтез в хлоропластах. При установлении вредного воздействия загрязняющего вещества на организм (природный объект) необходимо учитывать три фактора:
1) токсичность вещества зависит от его состояния (нерастворимые в воде соединения практически не подвергаются превращениям в организме);
2) в природных условиях относительно безвредное вещество может перейти в высокотоксичное соединение;
3) в природной среде токсичное вещество может постепенно накапливаться в цепи питания, его концентрация в высших звеньях этой цепи может в тысячи раз превышать концентрацию данного вещества в окружающей среде в целом (фактор биологического накопления).
Изменение концентрации Ме в окружающей среде может происходить как естественным путем (перераспределение между поверхностью суши, водой, атмосферой), так и искусственно (аккумуляция в почве, возникновение геохимических аномалий с последующим распределением и усвоением металлов растениями, животными и микроорганизмами).
В процессе эволюции организмы выработали систему защиты от повреждающего действия металлов, как на уровне генома, так и на уровне тканевых регуляторных механизмов. Система защиты представлена специфическими белками, вырабатываемыми организмом, которые действуют на регуляторные участки ДНК и РНК; синтез таких белков приводит к появлению устойчивых (толерантных) к токсичному действию металлов популяций. Белки обладают несколькими центрами связывания, что дает возможность нейтрализовать одновременно большое количество поступающих в организм металлов.
Организм и среда взаимосвязаны. Отмечена определенная зависимость между биологической ролью элементов и их местом в периодической системе Д.И.Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. Поэтому только 4 металла: натрий, калий, кальций, магний содержатся в организмах в сравнительно больших количествах. Большинство же биологически активных металлов расположены в средней части первого большого периода и относится к переходным элементам, которые содержатся в организмах в очень малых количествах.
В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких элементов к тяжелым в пределах одной группы их токсичность возрастает и параллельно этому убывает их содержание в биомассе (Zn, Cd, Hg).
d-Элементы обладают двойной биологической ролью: важным биологическим значением и токсическим действием на живой организм.
Целесообразно выделить 3 направления:
а) антропогенные источники поступления Ме в окружающую среду;
б) биологическая роль металлов;
в) токсическое действие металлов.
IV. СООБЩЕНИЯ УЧАЩИХСЯ О ВОЗДЕЙСТВИИ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ.
V. ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ МЕТАЛЛАМИ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ.
Загрязнение окружающей среды металлами наиболее опасно для биологических объектов. Завышенное или заниженное содержание Ме в организмах вызывает различные болезни.
Особенно опасно загрязнение среды тяжелыми металлами, поскольку они включаются в природный круговорот веществ. В последнее время все чаще выявляют очаги аномально высоких концентраций тяжелых металлов. Например, в некоторых промышленных районах содержание в почве свинца превышает его фоновое значение в 22 раза, кобальта – в 10, цинка - в 28, меди - в 100 раз. Из почвы металлы попадают в растения.
Так, в помидорах, выращенных на расстоянии 500-5000 м от предприятий цветной металлургии, свинца содержится в 5-10 раз больше, а в клубнях картофеля – в 10-170 раз больше, чем на более удаленных участках. Накапливать металлы способны также грибы, мхи, водоросли, моллюски, рыбы. В карпах, выращенных в прудах возле автомагистралей, концентрация свинца превышает ПДК в 3 раза.
Недостаток тяжелых металлов в природной среде также небезопасен для живых организмов. Полагают, что нехватка в организме цинка, меди, кобальта или никеля вызывают потерю аппетита, развитие близорукости.
Какие отрасли промышленности вызывают наибольшее загрязнение d- элементами окружающей среды? В наибольшей степени подвергаются загрязнению металлами районы, в которых добывают руду, обогащают ее и производят металл. 70-75% всех производственных отходов приходится на горнодобывающую промышленность. Существует четкая закономерность: чем меньше объем производства металлов и его концентрация в рудах, тем больше отходов образуется при получении его из руды. На 1т готового металла количество отходов составляет: для Pb -30т, Ni -100т, Cu-200-300т, Sn-500-1000т, W и Mo- 2000 т пустой породы.
В отвалах теряется более 15% меди, 50% Zn, 13-14% благородных металлов. Все эти данные свидетельствуют об огромной техногенной нагрузке на природную среду. К путям снижения или предотвращения этой нагрузки следует отнести:
1) комплексное использование руд;
2) улавливание и использование газообразных выбросов;
3) переработка твердых отходов (снижение их токсичности и появление нового источника сырья);
4) повторное вовлечение в технологический процесс очищенных стоков;
5) разработка и внедрение малоотходных технологий.
VI. НАХОЖДЕНИЕ d- ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ.
В земное недро ты, Химия,
Проникни взора остротой,
И что содержит в нем Россия,
Драги сокровища открой.
М.В.Ломоносов.
После распада СССР Россия оказалась лишенной многих ценных металлов: хрома, урана, марганца и др. Остались лишь два крупных региона по добыче и переработке цветных металлов: Карело-Кольский и Норильский. Однако, экологическая обстановка в этих регионах неблагоприятная. Попав в Норильске под дождь, можно остаться без плаща. Ежесуточно в атмосферу выбрасывается 54 т газов. Возникла необходимость поиска альтернативных регионов, богатых металлами, но более экологически чистых.
По запасам металлов III место после Карело-Кольского и Норильского районов занимает Воронежская область. Кристаллический фундамент, на котором стоит Воронеж, содержит железо, никель, замечены проявления хрома, титана. Среднегодовая прибыль от разработки воронежских месторождений составила бы 3 млн. рублей.
В Лисках есть следы урана, радоновой воды, в 2 раза более богатой радоном, чем воды Цхалтубо.
В области 32 металлоносных места и 5 месторождений. Наиболее ценными являются Верхне- Мамонское и Елань – Коленовское. Запасы по металлам в Елань – Колено составляют 1 млн. тонн, в то время как месторождения международного значения в ЮАР и Канаде имеют запасы всего 25 тысяч тонн металлов.
Теперь стоит задача рационального использования природных богатств. В Елань-Колено огромные запасы меди и никеля, есть платина и золото, а Россия 10% титана завозит из Швеции, руда на Кольский полуостров поступает из ЮАР.
Германия работает на минералах, содержащих 24% железа, а мы отправляем в отвал все, что содержит менее 40% железа. В Павловском гранитном карьере в отвал ушло металлов на сумму 28 млн.$. Нетрудно подсчитать прибыль, которую может дать этот карьер, если цена 1 т – 70$, а добывается 450 тысяч тонн с извлечением 80%. Осмия берут 8%, а 92% идет в отвал, платины извлекают 24 %, остальное – в отвал.
Стрелецкий песчаный карьер может давать 15 кг золота ежегодно, прибыль от этого составит 28 млн.$. А, ведь, золото и платина – валютные металлы. Некоторые соединения имеют огромное значение для развития медицины и экологии. Так, Pt(NH3)2Сl2 – прекрасный антираковый препарат.
Платина и палладий являются катализаторами, направляющими процесс очистки выхлопных газов на фильтрах автомобиля на образование экологически чистых продуктов.
Платиниды используются для изготовления костюмов космонавтов. В настоящее время разработана безотходная экологически чистая технология извлечения, транспортировки и переработки металлов, но она еще не внедрена. Задача молодого поколения осуществить внедрение этой и ей подобных технологий и рационально использовать природные богатства.
VII. ВЫВОДЫ.
VIII. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ (проверка через интерактивную доску).
Один из предсказанных Д.И.Менделеевым элементов IV периода образует оксид, содержащий 34,8% кислорода. Назвать этот элемент.
R2O3, RO2
48 г О составляет 34,8%
Х г ________________ 100%
138 г – 48 г = 90 г
Ar(R) = 90:2 = 45 —> искомый металл Sc
Х = 138 г
2. При взаимодействии 0,10 г некоторого металла с водой образуется 0,005 г водорода. Назвать этот элемент, если он обладает постоянной степенью окисления.
Х = 40 г —> искомый металл Са
IX. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ
X. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.
Моя педагогическая концепция по экологизации химии близка экологизированному курсу химии: от темы к теме В.М.Назаренко. В работе использованы некоторые данные из доклада профессора Н.М. Чернова “Металлоносные районы Воронежской области” на секции учителей предметов естественного цикла.