Наиболее полно использовать воспитательные возможности учебного предмета позволяет внеклассная работа, самыми популярными формами которой были и остаются химические вечера. Их можно проводить как устные журналы с элементами театрализации, обязательно включив демонстрацию занимательных опытов, что усиливает эмоциональную отдачу этих мероприятий. В творческую группу по подготовке вечера входят учащиеся 9 классов, а среди гостей праздника - родители участников, учащиеся разных классов, учителя.
Цель: расширить и углубить знания учащихся о химических элементах, их значении для жизни человека, животных и растений.
Задачи:
- рассмотреть свойства и значение макро- и микроэлементов – металлов и неметаллов в окружающей среде и жизни человека;
- повторить характеристику групп периодической системы, к которой принадлежат рассматриваемые элементы;
- осуществить межпредметные связи химии с биологическими дисциплинами.
План устного журнала:
- Вступительное слово учителя.
- Страницы устного журнала: сообщения учащихся о кислороде, водороде, углероде, азоте, фосфоре, железе и микроэлементах.
- Кроссворд (приложение 1)
- Демонстрация опытов. (приложение 2)
Оборудование: портреты ученых, музыка, оборудование для опытов, электронные презентации о химических элементах.
Ход мероприятия
Вступительное слово учителя.
Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около ½ массы земной коры приходится на кислород. Более ¼ на кремний. Всего 18 элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba – составляют 99,8% массы земной коры. Из них на 8 элементов (О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg) приходится 98% массы земной коры. В живом организме (приложение 3) преобладают 6 элементов: С, Н, О, N, P, S – на которые приходится 97,4% массы организма. Эти элементы называются органогенами. Возникает вопрос: почему некоторые элементы преобладают именно в живых организмах? Каковы должны быть свойства этих элементов? Об этом мы узнаем на страницах нашего журнала.
Страница первая. Кислород – вездесущ.
Кислород – элемент VI группы периодической системы; атомный номер 8, атомная масса 16. Название происходит от греч. oxygens (образующий кислоты). Открыт в 1774 году Дж. Пристли (Англия) и независимо от него К. Шееле (Швеция).
Кислород – вездесущ. Он самый распространенный элемент на Земле и существует в основном в виде двух элементных формах: О2 (кислород) и О3 (озон). В значительных количествах кислород входит в состав воздуха, воды, почвы, животных и растений. Подавляющее большинство окружающих нас веществ, продукты питания содержат кислород.
При обычных условиях простое вещество – кислород бесцветен, без вкуса и запаха, поэтому не ощутим никакими органами чувств. Однако недостаток, а тем более его отсутствие мы обнаружили бы очень быстро.
Кислород не зависимо друг от друга открыли выдающиеся химики XVIII века: швед Карл Вильгельм Шееле (1772) и англичанин Джозеф Пристли (1774). До конца своих дней они остались ярыми защитниками теории флогистона. Вот почему позже Ф. Энгельс писал, что Пристли и Шееле «не знали, что оказалось у них в руках… Элемент, которому суждено было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию, пропадал в их руках совершенно бесследно. Если даже Лавуазье и не дал описание кислорода…, то все же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описали» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 24, с.19.)
А. Лавуазье (1777) при изучении процессов горения и дыхания пришел к выводу, что воздух состоит из смеси газов: азота («нежизненного» газа), не поддерживающего ни дыхания, ни горения, и кислорода («жизненного» газа), необходимого и для горения веществ, и для дыхания животных. Необходимость в теории флогистона отпала, так как на смену ей пришла кислородная теория горения.
Кислород обладает окислительными свойствами. Он способен окислять почти все химические элементы. Условия взаимодействия кислорода с веществами различны. С фосфором кислород реагирует при нагревании до 60°С, с серой – до 250°С, с углеродом (графитом) – до 800°С. Однако такие вещества, как оксид азота (II), оксид меди (I) и гемоглобин крови реагирует с кислородом при комнатной температуре.
Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива и медленного окисления веществ с выделением энергии.
Содержание кислорода в организме взрослого человека составляет около 62% от массы тела (43 кг на 70 кг массы тела).
Вместе с водородом кислород образует молекулу воды, содержание которой в организме взрослого человека в среднем составляет около 55-65%.
Кислород входит в состав белков, НК и других жизненно-необходимых компонентов организма. Он необходим для дыхания, окисления жиров, белков, углеводов, аминокислот, а также для многих других биохимических процессов.
Человеку при усиленной нагрузке требуется около 6 л. кислорода в минуту, но при этом через легкие должно пройти 120 л. воздуха.
Кровь – «река жизни», она разносит кислород и питательные вещества (глюкозу, витамины, аминокислоты, жиры, соли), очищает ткани от «шлаков» - ядовитых продуктов обмена веществ.
Переносчиками кислорода в крови являются эритроциты. Их около 25 000 млрд. у взрослого человека. Форма эритроцита – лепешка с утолщенными краями. Такая форма способствует лучшему проникновению кислорода в клетки и присоединению к гемоглобину – белку, способному связывать кислород. Эритроциты, изменяя свою форму, способны продвигаться в самых узких кровеносных сосудах – капиллярах, доставляя кислород во все отдаленные уголки организма.
Существует такое мнение, что в большие морозы птицы гибнут на лету. Но погибают они не от холода, а от голода. Пока в организме есть запас энергии, движущему организму смерть от холода не грозит: энергия при мышечной работе превращается в теплоту.
Ученые установили, что кислород может применяться для лечения различных болезней. В медицине кислород используют для ингаляций при затрудненном дыхании, состояниях кислородной недостаточности, отравлении угарным газом и цианидами. В лечебных целях применяют дозированное воздействие кислорода на организм под повышенным давлением, в результате чего улучшается гемодинамика и кислородное снабжение тканей. При сердечнососудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене. Также применяется искусственное обогащение озоном воздуха для его обеззараживания и дезодорации. Озонирование питьевой воды используется для ее очистки и обеззараживания. Радиоактивный изотоп кислорода 15О используют для исследований скорости кровотока, легочной вентиляции и обмена кислорода в миокарде и головном мозге. Атомы кислорода являются составной частью молекул множества лекарственных веществ.
Страница вторая. Углерод – основа жизни.
Углерод – элемент IV группы периодической системы; атомный номер 6, атомная масса 12. Углерод известен с доисторических времен. Его название происходит от лат. carbo (уголь).
В настоящее время известны миллионы соединений углерода. Все же остальные элементы, вместе взятые, образуют немногим более пятидесяти тысяч соединений. На углеродной основе построена жизнь, хотя углерод – одиннадцатый по распространенности элемент на Земле.
Это объясняется тем, что: а) ни у одного из элементов не развита так способность к усложнению, как у углерода, б) углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами, в) связь атомов углерода между собой и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и других элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов.
Самые разные конструкции молекул образуются в том случае, если участвует в реакции углерод. Так, например, из двадцати атомов углерода и сорока двух атомов водорода можно получить 366319 различных углеводородов состава С20Н42. Где углерод – там многообразие. Где углерод – там сложные и самые различные конструкции молекул. Например, простые цепочки – как в бутане, разветвление структуры – как в изобутане и циклические – как в бензоле. Наиболее сложную структуру молекул имеют нуклеиновые кислоты и белки. В середине XX столетия был осуществлен полный химический синтез молекулы инсулина. Это один из простейших по строению белков, ответственный за углеводный обмен в организме. В молекуле его две цепи, связанные дисульфидным мостиком. В молекулах белков – много тысяч атомов, но обязательно есть углерод, водород, кислород и сера. Без углерода нет жизни – во всяком случае, на Земле. Все живые организмы, составляющие биосферу, построены из соединений углерода, и он составляет 18% из массы. Есть организмы, в которых содержание элемента углерода всего 0,1%. В ряске, затягивающей стоячий пруд, 2,5%, в другом растении – колокольчике его уже 10,2%, а в организме кошки на долю углерода приходится 20,56%, а в организме человека около 21% (15 кг на 70 кг общей массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).
Необходимые органические вещества (углеводы, белки, жиры) растения синтезируют из углекислого газа, воды и минеральных солей, используя энергию солнечного света. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные же получают углерод с пищей растения.
Ежегодно растительный мир суши и океана забирает для своих нужд из воздуха и воды около 1010 т. углерода. Однако атмосфера не обедняется углеродом благодаря тому, что на Земле происходит беспрерывное выделение углекислого газа при дыхании человека и животных, при гниении органических остатков, брожении, извержении вулканов. Много углерода возвращается в атмосферу вследствие деятельности человека – при работе машин, фабрик, заводов. В природе идет постоянный круговорот углерода.
Имя первооткрывателя углерода неизвестно. Неизвестно и то, какое из аллотропных видоизменений углерода (алмаз или графит) было открыто раньше. Можно лишь утверждать, что до алмаза и графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей аморфной модификацией углерода, - уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, - это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Структурный анализ показал, что аморфный углерод – это том же графит. Но кристаллы его очень мелкие и имеют много дефектов. После этого стали считать, что углерод в природе существует в двух аллотропных модификациях – в виде графита и алмаза.
Кроме аллотропных модификаций углерода в природе существуют и другие соединения, в состав которых входит углерод: монооксид углерода СО, диоксид углерода СО2, карбиды (CaC2, Al4C3), угольная кислота и ее соли (Na2CO3 – кальцинированная сода, K2CO3 – поташ, NaHCO3 – питьевая сода), фосген СCl2O, карбамид СО(NH2)2, циан С2N2.
Физиологическая роль углерода определяется тем, что этот элемент входит с состав всех органических соединений и принимает участие практически во всех биохимических процессах в организме. Окисление соединений углерода под действием кислорода приводит к образованию воды и углекислого газа; этот процесс служит для организма источником энергии. Двуокись углерода СО2 (углекислый газ) образуется в процессе обмена веществ и является стимулятором дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения.
В свободном виде углерод не токсичен, но многие его соединения обладают значительной токсичностью: окись углерода СО (угарный газ), четыреххлористый углерод СCl4, сероуглерод СS2, соли цианистой кислоты HCN, бензол С6Н6 и другие. Углекислый газ в концентрации свыше 10% вызывает ацидоз (снижение рН крови), одышку и паралич дыхательного центра.
Длительное вдыхание каменноугольной пыли может привести к антракозу – заболеванию, которое сопровождается отложением угольной пыли в ткани легких и лимфатических узлах, склеротическими изменениями легочной ткани. Токсичное действие углеводородов и других соединений нефти у рабочих, занятых в нефтедобывающей промышленности может проявиться в огрубении кожи, появлении трещин и язв, развитии хронических дерматитов.
Страница третья. Азот – рождающий жизнь.
Азот – элемент V группы периодической системы, атомный номер 7, атомная масса 14. Название происходит от греч. nitron genes (образующий селитру); а – отрицательная частица, zoe – жизнь («не поддерживающий дыхание и горение).
В 1772 г. английский химик Даниэль Резерфорд открыл новый газ, а в 1773 г. французский химик Антуан Лавуазье обнаружил, что мыши погибают в атмосфере этого газа и дал ему название «азот», что значит - «негодный для жизни». На самом деле азот вполне заслужил бы имя «биогениум», что значит «рождающий жизнь». Основой любого живого организма является белок. Белок – высокомолекулярное соединение, состоящие из сотен и даже тысяч звеньев, каждое из которых представляет собой остаток аминокислоты. Молекула аминокислоты состоит из углеводородного радикала, связанного с карбоксильной группой и с аминогруппой. В каждую аминогруппу обязательно входит азот. Установлено, что азот – это составная часть каждой клетки живого организма не зависимо от того, будет ли это невесомая бактерия или 150-тонная туша кита. Для животных и человека источником азота является пища.
Азот – газ без цвета и запаха. N2 в молекулярной форме занимает 78% объема земной атмосферы.
Азот – главная составная часть воздуха, очень много азота в виде различных органических и минеральных соединений в почве.
Содержание азота в организме взрослого человека составляет около 3% от массы тела (2,1 кг на 70 кг массы тела).
Азот поступает в организм с пищевыми продуктами, в состав которых входят белки и другие азотсодержащие вещества.
Азот в газообразном состоянии используется для создания условий, для хранения и перевозки огнеопасных продуктов при формировании полиамидных волокон. Жидкий азот широко применяется в медицине: в косметологии при удалении гемацитом, миндалин, невусов, других доброкачественных образований; для хранения спермы, тканей и органов.
Широкое применение имеют и соединения азота: в медицине соединения азота применяют в качестве наркотических (закись азота), мочегонных (хлорид аммония), антиангинальных (нитроглицерин), противоопухолевых (эмбихин), радиозащитных (меркамин) средств. Огромное значение в функционировании ЦНС имеют физиологически активные вещества, относящиеся к биогенным моноаминам – адреналин, норадреналин, дофамин. Адреналин, эфедрин, фенамин используют при падении кровяного давления, шоке, остановке сердца – в качестве средств, возбуждающих нервную систему. Водный раствор аммиака – нашатырный спирт широко используется как средство для возбуждения дыхательного центра, для оказания первой помощи при угаре, мытье рук перед операцией и т.д.
Страница четвертая. Фосфор – элемент жизни и мысли.
Фосфор – элемент V группы периодической системы; атомный номер 15, атомная масса 31. Название фосфора происходит от греч. phosphorus (несущий свет). Открыт алхимиком Х. Брандом (Германия) в 1669 году. Позднее Либих установил, что фосфор и фосфорная кислота имеют огромное значение для жизнедеятельности растений.
Фосфор – аналог азота. Хотя физические и химические свойства этих элементов сильно различаются, есть у них и общее, в частности то, что оба эти элемента совершенно необходимы животных и растениям. Академик А.Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли», и это не литературное преувеличение. Фосфор обнаружен во всех органах зеленых растений: в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных.
В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Содержание фосфора в теле взрослого человека около 1% (примерно 700 г на 70 кг массы тела), суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. В организме основное количество фосфора содержится в костях (85%), много фосфора в мышцах и нервной ткани. Вместе с кальцием, фтором и хлором фосфор формирует зубную эмаль. Из организма фосфор выводится с мочой и калом.
Почти все физиологические процессы, происходящие в нашем организме, связаны с превращениями фосфорорганических веществ. В состав костей фосфор входит главным образом в виде фосфата кальция. Зубная эмаль – это тоже соединение фосфора, которое по составу и кристаллическому строению соответствует минералу апатиту, содержащему фосфат кальция и фторид кальция или хлорид кальция.
Значение фосфора для организма человека огромно. Он присутствует во всех тканях, входит в состав белков, НК, нуклеотидов, фосфолипидов. Соединения фосфора АДФ и АТФ являются универсальным источником энергии для всех живых клеток. Значительная часть энергии, образующейся при распаде углеводов и других соединений, аккумулируется в богатых энергией органических соединениях фосфорной кислоты.
В растениях фосфор содержится в виде минеральных и органических соединений. Минеральные соединения представлены главным образом кальциевыми, магниевыми и калиевыми солями ортофосфорной кислоты. Главную роль в жизни растений играет фосфор, входящий в органические соединения и в первую очередь в нуклеиновые кислоты, обеспечивающие передачу наследственных свойств организмов и принимающие непосредственное участие в синтезе белков в клетках. Кроме нуклеиновых кислот, к соединениям фосфора в растениях относятся фосфопротеиды. Это соединения белковых веществ с фосфорной кислотой. Необходимой частью клетки являются фосфатиды – сложные эфиры глицерина, высокомолекулярных жирных кислот и фосфорной кислоты, связанной с другими соединениями. Фосфатиды имеют большое значение при регулировании проницаемости клеточных оболочек различных растений. Фосфор входит в состав фитина – эфира многоатомного циклического спирта и фосфорной кислоты, но больше всего его в семенах. Здесь он является как бы хранителем запасов фосфора, необходимого при прорастании семян. Фосфор влияет на азотный обмен в растениях.
Страница пятая. Железо внутри нас.
Железо – элемент VIII группы периодической системы; атомный номер 26, атомная масса 56; d-элемент. Название этого элемента произошло от лат. ferrum (твердый). Железо известно человеку со времен древних цивилизаций.
Железо – блестящий, серебристо-белый, мягкий металл. Входит в состав сотен минералов, встречается и в виде самородного железа.
В организме взрослого человека содержится 3-5 г железа; почти 2/3 этого количества входит в состав гемоглобина. Это очень немного по сравнению, например, с кальцием, которого в организме больше 1 кг. Но если мы сравним не общее содержание этих элементов, а их концентрацию только в крови, то здесь железа раз в пять больше, чем кальция. В эритроцитах крови сконцентрирована основная масса железа, входящего в состав организма. Эритроциты содержат гемоглобин, который переносит кислород из легких во все органы и ткани тела. А железо – непременная составная часть гемоглобина.
Гемоглобин – сложный белок, молекула которого состоит из двух частей: белковой – глобина и железосодержащей – гемма. Эритроцит очень мал – его диаметр всего 7 мк. Но в каждом эритроците 280 миллионов молекул гемоглобина. А в организме человека циркулирует около двадцати пяти триллионов эритроцитов, и в них находится большая часть всего железа массой около 2,45 г.
Гемоглобин в организме человека - главное, но не единственное соединение, в состав которого входит железо. Оно содержится в мышечном белке – миоглобине и во многих ферментах. Какая-то часть железа (около 1%) постоянно циркулирует в плазме – жидкой части крови. Это железо носит название транспортного, потому что здесь оно находится лишь временно – на пути к тому или иному месту своего использования. Кроме того, в мышцах и различных органах тела всегда есть какой-то запас железа, составляющий долю в 18-37% от его общей массы в организме.
Главное «депо» железа – печень: здесь у взрослого мужчины может быть запасено до 1 г железа. Между всеми тканями и органами, содержащими железо, происходит постоянный обмен. Около 10% железа кровь приносит в костный мозг.
Небольшая доля железа расходуется на рост покровных тканей организма – кожи, ногтей. Оно входит в состав пигмента, окрашивающего волосы.
Страница шестая. Кальций – «скелет» организма.
Кальций – элемент II группы периодической системы; атомный номер 20, атомная масса 40. Название элемента происходит от лат. calx (известь). Кальций впервые выделен в 1808 г. Дэви (Англия).
Кальций в больших количествах содержится во многих пищевых продуктах и ежедневно поступает в организм с пищей (сливки, молоко, творог, петрушка, бобы, фасоль, орехи, рыба). Суточная потребность организма в кальции (800-1500 мг) обычно покрывается за счет пищи.
Содержание кальция в организме взрослого человека составляет около 1,4% (1000 г на 70 кг от массы тела). В организме кальций распределен неравномерно: около 99% его количества приходится на костную ткань и лишь 1% содержится в других тканях (1 г в плазме крови, 6-8 г в мягких тканях). Кальций обеспечивает опорную функцию костей. В то же время костная ткань выполняет функцию «депо» кальция в организме. Выводится кальций из организма через кишечник и почки.
Кальция обладает высокой биологической активностью, выполняет в организме многообразные функции, среди которых:
- формирование костной ткани, минерализация зубов;
- регуляция внутриклеточных процессов;
- регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений;
- участие в процессах свертывания крови;
- регуляция проницаемости клеточных мембран;
- поддерживание стабильной сердечной деятельности.
Страница седьмая. Микроэлементы (марганец, медь).
Элемент марганец входит в состав растений и животных и составляет в среднем на 100 г массы около 0,1 мг. Марганец концентрируется в теле некоторых видов муравьев, а также – хрущей. В теле млекопитающих его относительно меньше (на 100 г массы приходится не более 0,05 мг). Среди различных органов млекопитающих марганец распределяется неравномерно: больше – в печени, меньше – в почках и трубчатых костях и меньше всего – в легких. Биологическая роль марганца значительна. Он усиливает рост молодых организмов, влияет на кроветворение. Считается, что в организме человека и животных марганец влияет на обмен углеводов и усиливает эффективность действия витаминов С и В, а также активизирует ферменты. Марганец стимулирует дыхание растений, окислительно-восстановительные процессы, фотосинтез, образование и передвижение сахаров. Он содержится во многих ферментах, ускоряющих разложение органических кислот, усиливает действие гормонов (в том числе и инсулина).
Медь была обнаружена в организмах беспозвоночных и позвоночных животных. Устрицы и осьминоги активно поглощают соединения меди. На 1 кг массы растений приходится 1 мг меди. Из пищевых продуктов особенно богаты соединениями меди картофель, томаты, свекла. Медные удобрения на торфяных почвах в два и три раза повышают урожай зерновых культур. Многие беспозвоночные содержат медь в виде сложного соединения – гемоцианина. Это вещество выполняет ту же роль, что и гемоглобин у высших животных, т.е. роль переносчика кислорода. Высшим животных медь необходима для нормального течения процесса кроветворения. Образование гемоглобина протекает при обязательном участии меди. Потребность взрослого человека в меди составляет около 2 мг в день, потребность сельскохозяйственных животных больше – от 6 до 12 мг на 1 кг массы. Недостаток меди в пище животных вызывает у них анемию – малокровие. Так, удаление меди из соединительной ткани приводит к заболеванию, которое называется «красная волчанка». Накопление меди в печени и мозге приводит к ревматоидному артриту – болезни Вильсона. Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, участвует в процессах обмена веществ. Этот биоэлемент присутствует в системе антиоксидантной защиты организма, повышает устойчивость к некоторым инфекциям.