"Химическая кибернетика". Программа элективного курса по химии для учащихся 10—11-х классов

Пояснительная записка

Предлагаемая программа предназначена для учащихся, получающих полное среднее образование в Иркутском лицее № 1, имеющем техническую и физико-математическую направленность.

Программа расчитана на 36 часов, которые распределяются следующим образом: 10-й класс – 2 полугодие, 17 часов; 11-й класс – 1 полугодие. Курс начинается со второго полугодия 10-го класса, т.к. ему должно предшествовать изучение темы “Молекулярно-кинетическая теория газов. Термодинамика” в курсе физики 10-го класса.

Название элективного курса “Химическая кибернетика” появилось не случайно. Известно, что слово “кибернетика” было взято Н.Винером (основоположником этой науки) из греческого языка (кибернетика-искусство управления). Из словосочетания “Химическая кибернетика” можно прогнозировать, что речь пойдет о катализаторах – этих “могущественных химиках”, позволяющих управлять химическими процессами, направлять их в нужное для человека русло.

Катализ играет ведущую роль не только в промышленности, но и в живой природе. Вся сложная система управления жизненными процессами в организмах основана на катализе. Сложные комплексы химических превращений, обусловливающие брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков и других соединений, преобразование химической энергии в механическую и т.п., осуществляется с помощью ферментов-катализаторов белковой природы, образующихся в живых организмах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. В настоящее время широко ведутся исследования синтетических органических катализаторов-органических полупроводников, комплексных соединений, хелатных полимеров и др., характеризующихся более простым составом и строением по сравнению с ферментами, но моделирующих в известной степени их действия.

ЦЕЛЬ КУРСА – сформировать межпредметные связи между химией, с одной стороны, и физикой и биологией – с другой.

Выяснив более подробно механизм действия катализаторов, познакомившись с существующими теориями, у учащихся есть возможность самим (с помощью дополнительной литературы и знаний, полученных на занятиях по биологии) предположить механизм действия ферментов. Практически все реакции в живых организмах ферментативные. И идут они при невысоких температурах и атмосферном давлении, поэтому химикам есть чему поучиться у природы. Более того, ведь весь процесс самоорганизации осуществляется вопреки термодинамическим запретам. Чтобы это понять, необходимо более подробно познакомиться с термодинамикой, чему посвящена 1 часть курса.

Изучение основ химической термодинамики основано на знаниях о термодинамике из курса физики. Установление МПС помогает устранить изолированность учебных предметов.

Программой курса предусмотрен выбор темы слушателями для курсовой работы с последующей публичной защитой, желательно в электронном варианте.

Установление творческих связей с биохимической лабораторией масложиркомбината дает возможность проведения исследовательской работы, которую лицеисты могут выполнять индивидуально или в группе.

Предлагаемый элективный курс “Химическая кибернетика” предназначен для любознательных учащихся, интересующихся наукой химией. Углубленное изучение основ химической термодинамики с подробным разбором задач и с последующим самостоятельным решением задач на закон Гесса выходит за рамки стандартной программы для общеобразовательных школ. В то же время энтропийный и энтальпийный факторы имеют огромное значение в природе, ознакомление с ними придает мышлению большую широту и углубляет представления об окружающем нас мире. Интеллектуально развитые, думающие учащиеся хотят знать, почему идут химические реакции и можно ли ими управлять.

Учитывая, что большинство выпускников нашего лицея поступает в ИрГТУ, где почти на всех технических специальностях преподается химия, изучение курса “Химическая кибернетика” поможет им быстрее и качественнее адаптироваться в ВУЗе.

Преподавание химии в лицее №1 ведется по программе для 8-11 классов общеобразовательных школ (авторы: Л.С.Гузей, Р.П.Суровцева).В учебнике “Химия 10” есть понятие о термохимических расчетах, но эта тема относится к углубленному изучению и при прохождении программного материала нет возможности серьезно в этом разобраться.

ЦЕЛИ курса “Химическая кибернетика”:

• сформировать систему знаний об единстве каталитических процессов, идущих в химической промышленности и в живой природе;
• сформировать МПС между физикой, химией и биологией;
• познакомиться с основами химической термодинамики и термодинамическими расчетами.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

• установить МПС с физикой по вопросу “внутренняя энергия”;
• установить МПС с биологией по вопросу “ферменты, их роль в живых системах;
• сформировать навыки выполнения термохимических и термодинамических расчетов;
• научиться пользоваться справочной литературой для неахождения термодинамических характеристик вещества;
• сформировать представление о научно-исследовательской работе.

В результате прослушивания курса “Химическая кибернетика” учащиеся должны научиться:

• пользоваться справочными таблицами;
• выполнять термодинамические расчеты:
• по закону Гесса;
• по уравнению Гиббса;
• определять направление химической реакции;
• понимать сущность катализа, различая гомогенный и гетерогенный катализ;
• определять условия смещения химического равновесия;
• понимать, как катализ помогает охране окружающей среды.

Предлагаемые темы для рефератов:

• Катализ гомогенный и гетерогенный;
• Классификация к5аталитических процессов;
• Открытие явлений катализа;
• Значение закона Гесса;
• Химическое равновесие и условие его смещения;
• Катализ и загрязнение воздуха;
• Катализ в живой природе.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

I часть. Основы химической термодинамики (17 час.).

Тема 1. Энергетические соотношения в химических системах (8 час.).

Химические реакции как источники или потребители энергии. Тепловой эффект хим. реакции. Внутренняя энергия и энтропия. I закон термодинамики. Термохимия. Закон Гесса и его следствия. Энтальпия образования химических соединений. Энергетические эффекты при фазовых переходах. Энтальпийные диаграммы.

Экспериментальное определение и расчет теплот образования. Энергия и питание.

Теплотворная способность топлива и пищи. Энергия и питание.

Термохимические расчеты.

Практическая работа: проведение экзо- и эндотермических реакций.

Тема II. Причины эндотермических реакций (9 час.).

Самопроизвольные процессы, энтальпия и энтропия. Энтропия – мера беспорядка. Энтропия и ее изменения при химических процессах и фазовых переходах. Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах. Стандартная энергия Гиббса. Энтальпийный и энтропийный факторы.

Направление реакции и химическое равновесие. Термодинамические расчеты.

Зачет по темам I и II.

II часть. Химическая кибернетика (17 час.).

Тема III. Могущественный химик – катализатор (8 час.).

Скорость химических реакций (химическая кинетика). Энергия активации химической реакции.

Уравнение Аррениуса и его практическое использование.

Графическое изображение хода химической реакции.

Гомогенные и гетерогенные системы. Классификация каталитических процессов. Теории катализа. Гомогенный и гетерогенный катализ. Избирательность действия катализаторов. Важнейшие каталитические процессы в промышленности.

Катализатор на службе охраны окружающей среды.

Тема IV. Ключи жизни – ферменты (9 час.).

Катализ и “возбудители жизни” (установление межпредметных связей с биологией).

Учение о ферментах. Белковая природа ферментов. Ферменты – биологические катализаторы. Строение ферментов. Специфичность действия ферментов. Модель “ключа и замка”. Факторы, влияющие на активность ферментов. Согласованность действия ферментов. Роль ферментов в медицине и в питании человека.

Роль катализаторов в эволюционном процессе происхождения жизни.

Получение катализаторов, подобных ферментам – мечта химиков.

Практическое занятие: Разложение перекиси водорода ферментами и неорганическими катализаторами.

Экскурсия в биохимическую лабораторию.

Календарно-тематический план элективного курса “Химическая кибернетика.

Часть I. (10-й класс). Основы химической термодинамики.

Лекции – 6 час.

Практические занятия – 8 час.

Лабораторные занятия – 1 час.

Контрольная работа – 1 час.

Зачет – 1 час.

_________________________

Итого – 17 час.

Часть II. (11-й класс). Химическая кибернетика.

Лекции – 6 час.

Практические занятия – 7 час.

Лабораторные занятия – 1 час.

Контрольная работа – 1 час.

Защита курсовых – 2 час.

_________________________

Итого – 17 час.

Литература для учителя.

1. Асатиани В.С. Химия нашего организма. – М.: Наука, 1969.
2. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа. 1988.
3. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. Т. 1, 2. – М.: Мир, 1993.
4. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: “Химия” Л-ое отделение. 1984.
5. Краткая химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1967.
6. Кузнецова Л.М., Ившин Я.В. О направленности химических реакций. //Химия в школе. 2003, №9. С. 53-57.
7. Леенсон И.А. Химические реакции. – М.: Астрель, 2002.
8. Николаев Л.А. Химия клетки. – М.: Наука, 1964.
9. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. – М.: Высшая школа, 1985.
10. Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. – М.: Просвещение, 1995.

Литература для учащихся.

1. Ахметов Н.С. Химия. Учебник для 10,11 кл. – М.: 1998.
2. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. Т. 1, 2. – М.: Мир, 1993.
3. Габриелян О.С., Лысова Г.Г. Химия. Уч. пособие. – М.: “Блик плюс”, 2000.
4. Гузей Л.С., Суровцева Р.П. Химия 10. – М.: Изд. Дом Дрофа, 1998.
5. Журин А.А. Лабораторные опыты и практические работы по химии. – М., 1997.
6. Книга для чтения по неорганической химии. / Сост. В.А. Крицман. – М.: Просвещение, 1993.
7. Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. – М.: Высшая школа, 1985.
8. Я познаю мир. Детская энциклопедия. Химия. – М., 1998.