Интегрированный урок (физика+ химия) по теме "Осмос"

Двухчасовой урок затрагивает проблемы трех наук: физики, химии и биологии.

 Цели урока:

а) дидактическая: обеспечить формирование понятия "Осмос" на основе синтеза репродуктивных знаний учащихся в химии, физике, биологии, продолжить формирование у учащихся представлений о единстве мира.

б) развивающая: осуществить развитие синтезирующего мышления учащихся (развитие умения устанавливать единые общие признаки и свойства целого).

в) воспитательная: продолжить формирование положительного отношения к знаниям, мировоззренческой направленности познавательных интересов.

Учитель направляет внимание, волю учащихся на развитие умений переноса и синтеза, способностей и интересов.

Учащиеся осознают межпредметную сущность задачи, осуществляют анализ ее условий, отбор знаний из предметов химии, физики и биологии.

Эпиграф: " Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удастся связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые." Д.Хевеш.

Ты еще не видел чудо?
Никогда не видел чудо?
Вот беда: не видел чудо…
Так пойди и посмотри:

Там, где магазин " Посуда ",
Возле дома № 3,
Сквозь асфальт, у перекрестка,
Пробивается березка. А. Барто

Где берет силы нежное растение? На этот и другие вопросы ответ мы найдем в течение сегодняшнего урока. Нам предстоит связать воедино разные подходы изучения нового понятия (с точки зрения физики, химии и биологии), чтобы сложить целостное восприятие о нем.

Мотив: Формирование познавательного интереса к знаниям с учетом ЗБР.

Учитель стимулирует познавательный интерес учащихся к проблеме, к обобщенным понятиям из физики, химии, биологии, подчеркивает практическую значимость для учащихся успехов в предлагаемой деятельности.

Учащиеся актуализируют познавательные мотивы учения, мобилизуют волевые усилия.

Демонстрации и объяснения опытов.

Если поместить в цилиндр концентрированный раствор какого-либо вещества, например, сахара, а сверху налить слой более разбавленного раствора сахара, то вначале сахар и вода будут распределены в объеме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы сахара и воды вновь равномерно распределятся по всему объему жидкости. Это происходит потому, что молекулы сахара, беспорядочно двигаясь, проникают как из концентрированного раствора в разбавленный, так и в обратном направлении; но при этом в течение любого промежутка времени из более концентрированного раствора в менее концентрированный переходит больше молекул сахара, чем из разбавленного раствора в концентрированный. Точно так же молекулы воды движутся в различных направлениях,

но при этом больше молекул воды переходит из более разбавленного раствора.

Опыт 1. Диффузия в жидкости.

Диффузию можно наблюдать, если налить в стеклянный цилиндр какой-либо окрашенный раствор, например, KMnO_4, а сверху него осторожно, чтобы не вызвать перемешивания, добавить воды. Вначале заметна резкая граница, но постепенно она размывается; через некоторое время, растворенное вещество равномерно распределяется по всему объему раствора, и вся жидкость принимает один цвет.

В рассмотренном примере частицы растворителя и растворенного вещества диффундируют в противоположных направлениях. Такой случай называется встречной или двусторонней диффузией.

Опыт 2. Диффузия в газах.

Можно воспользоваться дезодорантом и ощутить изменения, произошедшие в классной комнате. Появляется запах, который почувствовали сначала те, кто сидит близко к столу, а затем и сидящие на отдаленных местах. Концентрация пахучего вещества выравнивается. Это происходит потому, что молекулы вещества всегда движутся преимущественно в том направлении, где концентрация вещества меньше. Такой процесс ведет к выравниванию концентраций.

Вывод: Диффузией называется самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц соприкасающихся газов, жидкостей и твердых тел, при котором осуществляется процесс выравнивания концентраций, обусловленный переносом вещества посредством молекулярного движения.

Содержание: Создание условий для усвоения общепредметного понятия.

Учитель вводит новый учебный материал, одновременно актуализируя опорные знания из других предметов, осуществляя перспективные связи на уровне общих фактов, понятий, суждений, законов.

Учащиеся участвуют в объяснительной беседе, ищут пути решения проблемы.

 Представим себе сосуд, в котором есть перегородка, например, из стекла или полиэтилена. В разные половинки сосуда налиты растворы разной концентрации (вода и раствор сахара). Будет ли происходить диффузия в этом случае? Нет, потому что перегородка непроницаема ни для молекул воды, ни для молекул сахара.

Рис. 1

Иначе будет обстоять дело, если между двумя растворами поместить перегородку, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество - не может. Такие перегородки, получившие название полупроницаемых, существуют в природе, а также могут быть получены искусственно.

Если пропитать глиняный пористый сосуд раствором медного купороса, а затем погрузить его в раствор гексацианоферрата (II) калия (желтой кровяной соли), то в порах цилиндра осядет гексацианоферрат (II) меди.

Обработанный таким образом цилиндр обладает свойствами полупроницаемой перегородки; через его стенки могут проходить молекулы воды, но для молекул растворенного вещества они непроницаемы. Таким путем приготовлял полупроницаемые перегородки Пфеффер, впервые изучавший рассматриваемое явление.

Что же будет происходить, если между двумя растворами поместить полупроницаемую перегородку (мембрану)? Молекулы растворителя будут перемещаться в обе стороны, но больше молекул будет переходить от растворителя к раствору. Молекулы растворенного вещества перемещаться не будут.

Это частный случай диффузии - осмос.

Рис. 2

Осмос - это диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Мембраны могут разделять раствор и чистый растворитель, а также растворы разной концентрации.

Из физического энциклопедического словаря: осмос ( от греч. - толчок, давление ) - диффузия вещества (обычно растворителя ) через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и чистый растворитель (или два раствора разной концентрации).

Перенос молекул растворителя обусловлен осмотическим давлением. Выравнивание концентраций раствора по обе стороны мембраны, пропускающей малые молекулы растворителя, но не пропускающие более крупные молекулы растворенного вещества, возможно лишь при односторонней диффузии растворителя. Поэтому осмос всегда идет от чистого растворителя к раствору (или от разбавленного раствора к концентрированному).

Приборы, служащие для измерения осмотического давления, называются осмометрами.

Рис. 3.

На рисунке 3 изображен простейший осмометр. В порах глиняного сосуда осаждена железосинеродистая медь по способу, описанному ранее. Сосуд наполняется водным раствором исследуемого вещества, например сахара. Горло сосуда заткнуто плотно пригнанной пробкой с отверстием, в которое вставлена длинная вертикальная трубка. Если сосуд погрузить в чистую воду, то она начнет проникать внутрь сосуда через полупроницаемые стенки. Когда уровень жидкости в трубке достигнет определенной высоты, дальнейшее проникновение воды в сосуд прекратится, так как этому будет препятствовать гидростатическое давление столба жидкости в трубке. Вес этого столба между уровнями АВ и С и будет служить мерой осмотического давления: Р_осм = gh где - плотность раствора, а h - высота указанного столба жидкости При измерении осмотического давления различных растворов было установлено, что величина осмотического давления зависит от концентрации раствора и от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества, ни от природы растворителя.

В 1886 г. Вант-Гофф показал, что для растворов неэлектролитов невысоких концентраций зависимость осмотического давления от концентрации и температуры раствора выражается уравнением (закон Вант-Гоффа): Р = СRТ

Здесь Р - осмотическое давление раствора, кПа; С - его молярная концентрация, моль/л; R- универсальная газовая постоянная, 8,314Дж/(моль*К); Т - абсолютная температура раствора.

Молярность раствора С представляет собой отношение количества растворенного вещества v к объему раствора V (л): С = v /V

А количество вещества равно его массе m, деленной на молярную массу М. Отсюда для молярности раствора получаем С = m/MV.

Подставляя значение С в уравнение Вант-Гоффа, найдем PV = mRT/M.

Полученное уравнение по форме выглядит как уравнение состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева. Это уравнение позволяет по величине осмотического давления раствора определить молярную массу растворенного вещества.

Если к раствору, отделенному от воды полупроницаемой перегородкой, приложить внешнее давление, равное осмотическому давлению раствора, то, как уже говорилось, осмос прекратится. Если же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия воды будет преимущественно происходить из раствора в водную фазу, т.е. в направлении, противоположном направлению переноса воды при осмосе. Такое явление получило название обратного осмоса.

В настоящее время обратный осмос начали применять как один из наиболее экономичных способов опреснения воды. Солевой раствор (например, морскую воду) отделяют полупроницаемой мембраной от пресной воды и подвергают давлению более высокому, чем осмотическое давление раствора. В результате часть содержащейся в растворе воды "вытесняется" в фазу пресной воды, а концентрация солей в оставшемся растворе повышается. Концентрированный солевой раствор периодически заменяют свежими порциями подлежащей опреснению воды.

Явления осмоса играют очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаемые для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Проникая в клетки, вода создает в них избыточное давление, которое слегка растягивает оболочки клеток и поддерживает их в напряженном состоянии. Вот почему такие мягкие органы растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов, обладают упругостью, тургором.

Если срезать растение, то вследствие испарения воды объем внутриклеточной жидкости уменьшается, оболочки клеток опадают, становятся дряблыми - растение вянет. Но стоит только начавшее вянуть растение поставить в воду, как начинается осмос, оболочки клеток снова напрягаются и растение принимает прежний вид.

Осмос является также одной из причин, обусловливающих поднятие воды по стеблю растения, питание клеток и многие другие явления.

В молодых клетках тургорное давление является движущей силой растяжения клеточных стенок и обеспечивает возможности роста клетки. В отдельных случаях это давление сильно возрастает. Этим и объясняется то "чудо", когда нежные стебельки растений взламывают асфальт, пробиваясь к свету.

Благодаря тургору растения сохраняют упругость. Особенно ярко это проявляется у таких растений, ткани которых обогащены водой: у кактуса, алоэ, агавы. Важную роль играет тургор в формировании при отсутствии у организма арматурной ткани, как, например, у помидоров, гусениц, медуз.

Осмос играет важную роль в жизнедеятельности животных и растений. Обмен веществ в организме осуществляется посредством соков и крови - растворов, омывающих полупроницаемые перегородки растительных и животных клеток.

Величина осмотического давления клеток многих растений составляет 5-20 атм. Только благодаря этому вода из почвы может поступать на большую высоту по стволам деревьев (например, эвкалиптов).

Величина осмотического давления крови человека составляет 7,6-7,9 атм. Однако разность осмотических давлений крови и лимфы, имеющая значение для перехода воды между ними, составляет всего 0,03-0,04 атм.

Вообще, благодаря наличию сложных механизмов регулирования, клетки обладают лишь незначительно повышенным или равным осмотическим давлением по отношению к омывающим их внутренним жидкостям организма. Падение осмотического давления в клетках, например при обезвоживании организма, приводит к их коллапсу. Обессоливание организма может повести к набуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Нарушение осмоса и изменение осмотического давления в организме ведет к нежелательным последствиям. При большом избытке воды в организме (в результате потери солей, например, с потом) осмотическое давление понижается. Это может вызвать рвоту, судороги, даже гибель организма.

При избытке солей осмотическое давление, наоборот, повышается, в результате чего соли скапливаются в тканях, возникает отек.

Средства: Создание условий для переноса общепредметного понятия при решении задач.

Учитель предлагает применить ранее усвоенные знания и умения и выработать новые общепредметные умения: речевые, коммуникативные, творческие, практические, оценочные.

Учащиеся решают, объясняют и оценивают предложенные общепредметные задачи.

Задача. Определить осмотическое давление для растений в пустынной местности, если концентрация почвенного раствора в момент всасывания растений составляет 6000 моль/м³ при температуре 47^оС?

А. В условиях этой задачи определить изменение осмотического давления при увеличении абсолютной температуры в 2 раза в условиях постоянной концентрации растворенного вещества.

Б. В условиях этой задачи определить изменение осмотического давления при постоянной температуре для уменьшения концентрации растворенного вещества в 3 раза.

Результат: Обеспечить системность знаний, умений обобщения, целостность мировоззрения.

Учитель побуждает к формулированию выводов, обобщению, систематизации знаний по межпредметному понятию.

Учащиеся формулируют выводы, обобщения, фиксируют достижения в овладении новыми знаниями, умениями, связями за счет особенностей трех предметов.

В результате обсуждения совместной деятельности на уроке была составлена структурно-логическая схема изученного единого понятия "Осмос":

Изучено понятие "осмос". Усвоено определение, выяснены условия его осуществления (через полупроницаемые мембраны при возникающем осмотическом давлении), рассмотрены два способа подсчета Р_осм. Наконец, выяснена роль осмоса в процессе жизнедеятельности растений и животных. Работа клетки, а значит и важнейшие физиологические функции связаны с осмосом. Это явление широко применяется в живой природе.

Осмос используется и в технике при очистке сточных вод, при опреснении воды, при разделении радиоактивных веществ и во многих других областях.

Детям дается задание найти применение осмоса в быту.

Обращаясь вновь к эпиграфу урока, делаем вывод о том, что с помощью трех наук нам удалось связать воедино разрозненные факты об осмосе.

Контроль: Создание условий для самооценки знаний учащихся.

Учитель проверяет качество усвоенных знаний: систематичность, полноту, гибкость, оперативностьчерез тест соответствия.

Учащиеся выполняют предложенные задания и осуществляют самопроверку знаний.

1. Какое явление лежит в основе всасывания волосками корней растений питательных веществ из почвы?
2. Количественное выражение растворенного вещества в растворе.
3. Подберите синоним к перечисленным понятиям - перепонка, диафрагма, плазмолемма…
4. Как называется давление, создаваемое неорганическими солями в плазме крови?
5. Как называется напряженное состояние растительных тканей, создаваемое осмотическим давлением?
6. От какой физической величины не зависит осмотическое давление?
7. За счет чего дым от костра по мере подъема перестает быть видимым?

А/ диффузия
Б/ полупроницаемая мембрана
В/ осмос
Г/ осмотическое давление
Д/ концентрация
Ж/ универсальная газовая постоянная
З/ тургор

Ключ:

1 2 3 4 5 6 7
В Д Б Г З Ж А

Задание на дом

Задача 1. Определите осмотическое давление тканей жидкости человека при t = 36° С. Концентрация раствора кровяной жидкости равна 299моль/м³.

Задача 2. Определите концентрацию лимфы человека при t = 37° С, если осмотическое давление составляет 7,7*10⁵Па.