Формирование экологических знаний при изучении темы "Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты"
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Кабардино-Балкарский государственный университет
имени Х.М. Бербекова
Химический факультет
Кафедра педагогики и психологии
Кафедра химической экологии
Маирова Диана Хусеновна
КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА. СОЛИ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ»
Заведующий кафедрой химической экологии
д.х.н., профессор _____________Машуков Н.И.
Заведующий кафедрой педагогики и психологии
д.пед.н., профессор ___________Михайлова Н.Г.
Научный руководитель -
к.т.н., ст. преподаватель__________Шериева М.Л.
Рецензент - к.х.н., доцент _________Ольховая Г.Г.
Нальчик - 2009
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1 Интеграция и формирование экологических знаний в рамках учебной дисциплины - химии
1.1 Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности
1.2 Кремний и его соединения
1.3 Производство силикатов. Керамическое производство
1.4 Цементное производство
1.5 Стекольное производство
1.6 Отходы и выбросы стекольного производства
1.7 Драгоценные камни
1.8 Сколько в нас кремния
Глава 2 Тема: «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» в школьном курсе химии
Глава 3 Разработка урока «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» для 9 класса с внедрением экологических знаний
3.1 Особенности изучения кремниевой кислоты и ее солей, связанные с экологическими проблемами силикатного производства
3.2 Контрольный опрос в виде тестовых заданий для учеников 9-х классов
Выводы
Выводы
Литература
Приложение 1
1. Химический КВН
2. Дополнительные задания для укрепления химических и экологических знаний учащихся средней общеобразовательной школы
Введение
Реализацию целей школьного экологического образования можно осуществлять разными путями: это и экологизация учебных дисциплин, и создание интегрированных курсов, и введение в практику обучения специального предмета, раскрывающего вопросы экологии и защиты окружающей среды от загрязнения.
В процессе обучения химии в VIII-IX классах важно сосредоточить внимание на проблемах защиты окружающей среды; развитии представлений о взаимосвязи состава, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе; биологической взаимозаменяемости химических элементов и последствиях этого процесса для организмов, причинах нарушения биологических циклов.
На завершающемся этапе школьного обучения в X-XI классах создаются предпосылки для понимания таких экологических закономерностей, как цикличность и непрерывность процессов обмена веществ между составляющими компонентами биосферы.
Учитывая соответствующую подготовку учащихся, на любых этапах школьного курса можно разъяснять вопросы, касающиеся состояния окружающей среды: глобальное потепление климата, уменьшение толщины слоя стратосферного озона, кислотные дожди, накопление в почве токсичных металлов и пестицидов, загрязнение больших территорий радионуклидами, истощение природных ресурсов планеты [1].
Экологические проблемы многоаспектны, поэтому для своего решения они требуют комплексного подхода и, как правило, знаний из различных областей науки. Наиболее подходящей формой организации деятельности учащихся, отвечающей этому требованию, являются учебно-исследовательские экологические проекты. В процессе работы над проектом у учащихся формируется комплекс специфических умений, подкрепленный соответствующей теоретической базой. Немаловажную роль в реализации экологического подхода играет включение в учебный процесс задач с экологическим содержанием, а также практических работ.
Итак, Вашему вниманию представляется квалификационная работа на тему: «Формирование экологических знаний при изучении темы «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», которая позволит сформировать конкретные химические и экологические знания у учеников. Работа очень важна и актуальна, так как позволяет не только изучить основной материал, представленный в школьном учебнике, но и дает возможность вникнуть в экологические проблемы, связанные с растущим потреблением изделий и материалов силикатной промышленности и непомерным ростом отходов этих производств, что, несомненно, приводит к негативным последствиям для окружающей природной среды.
В связи с этим, целью настоящей работы является рассмотрение перспектив развития экологических знаний школьников на примере выбранной темы, анализ школьных учебников (тем и заданий, оценка сложности и доступности анализируемого материала). Для достижения поставленной цели, в работе рассматриваются следующие задачи: обзор конкретной темы, а именно «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», подготовка необходимого, по нашему мнению, дополнения к этим темам, внедрение материалов с экологическим уклоном, увеличение числа заданий и тестов, носящих экологический характер, а также проведение различных внеклассных мероприятий с экологическим содержанием.
Работа включает в себя: введение, три главы и заключение. Первая глава излагает основные способы получения кремниевой кислоты в промышленности и производства силикатной промышленности. Во второй главе рассматривается тема «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты» так, как она излагается в школьной программе. Третья глава восполняет недостатки школьного курса через раскрытие экологической проблематики, связанной с выбранной темой.
ГЛАВА I ИНТЕГРАЦИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ В РАМКАХ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ - ХИМИИ
1.1 Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности
В настоящее время особую актуальность приобретает внедрение в практику обучения таких методов, которые способствовали бы духовному и творческому саморазвитию личности школьника. В этом контексте важна и проблема создания реальных условий для творческого саморазвития как отдельной личности, так и всего ученического коллектива в целом [2].
Очевидно, что с учетом этих тенденций необходимо пересмотреть содержание и методическое обеспечение химического образования, т.е. преподавание химии должно быть переориентировано с изучения предмета «химия» как самоцели на развитие представлений о мире и месте человека в нем через интеграцию химических знаний и умений со знаниями смежных наук, например, экологии, биологии, географии.
Способность учащихся к интеграции, структурированию и систематизации имеющихся знаний и умений для реальных жизненных задач - это один из критериев в достижении высокого уровня творческого саморазвития и формирования экологических знаний личности. Процесс взаимосвязи и взаимопроникновения (интеграции) знаний и умений при обучении химии в контексте приобретения школьниками опыта творческой деятельности посредством рассмотрения экологических проблем можно представить в виде следующей логической последовательности:
1. Интеграция знаний в рамках одной учебной дисциплины, т.е. установление взаимосвязей между темами и разделами курса химии. Такая форма интеграции лежит в основе, например, решения комбинированных задач, проведения полноценного химического эксперимента, т.е. видов деятельности, переходных от репродуктивной к творческой.
2. Взаимосвязи химических знаний с реальными проблемами окружающего мира. Эти проблемы могут иметь социальную, прикладную направленность, характер ситуативной задачи. В любом случае перед учителем химии встает довольно сложный вопрос выявления «мостиков» между содержанием школьного курса химии и актуальными проблемами из различных областей окружающей действительности. Например, для решения социально значимых экологических задач учащихся необходимо не только оперировать достаточно обширными знаниями из нескольких тем курса химии, но и уметь применять их в конкретной ситуации. Это в полной мере можно отнести и к задачам прикладного характера, касающимся сущности химических процессов приготовления пищи, хранения и использования веществ в быту и т.д.
3. Взаимопроникновение и взаимосвязь знаний из разных школьных дисциплин. В данном случае имеются в виду связи комплекса межпредметных знаний, которые переносятся отдельными системами или в совокупности на сложные задачи. Такая форма интеграции знаний предполагает их реализацию в процессе творческой деятельности школьников по решению конкретных задач (например, объяснение влияние алкоголя, никотина, наркотиков на организм человека, особенностей применения бытовых препаратов-аллергенов, особенностей производства различных товаров народного потребления и т.д.).
4. Структурирование и систематизация интегрированных знаний, т.е. мыслительная деятельность школьников по установлению удаленных связей между отдельными понятиями, объектами, их объединением в определенную систему. На этом этапе учащиеся осуществляют перенос (проекцию) имеющихся знаний об основных закономерностях, фактах и явлениях в область творческой исследовательской деятельности для решения новых, ранее неизвестных для них задач. Практически это наивысший уровень развития творческого саморазвития личности, поскольку в процессе решения возникшей задачи школьник сам генерирует новые знания и умения.
На наш взгляд, экологическая тематика наиболее приемлема для интеграции знаний и развития экологических навыков школьника. Экологические проблемы многоаспектны, и для их решения требуется привлечение знаний не только химии, но и смежных наук.
Очевидно, что разработка уроков с экологическим содержанием, проведение каких-либо внеклассных мероприятий, научно-исследовательских работ невозможна без привлечения дополнительных знаний экологического характера. В качестве примера, Вашему вниманию, предоставляется информация о кремниевой кислоте, силикатной промышленности, отходах и выбросах силикатного производства, роли кремния в организме человека и животных, чтобы в дальнейшем сформировать экологические знания школьников и суметь правильно разъяснить им роль силикатной промышленности в жизни современного общества.
1.2 Кремний и его соединения
Кремний - ведущий современный полупроводниковый материал, который широко применяется в электронике, в электротехнике для изготовления интегральных схем, диодов, транзисторов, тиристоров, фотоэлементов и т. д. Технический кремний - легирующий компонент в производстве стали (например, трансформаторная сталь), а также в цветной металлургии (кремневые бронзы) [3].
Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых поликремневых кислот. Состав этих кислот в общем виде mSiO2. nH2O, где n и m целые числа. K природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест и др. Состав этих минералов сложен. Для удобства их часто условно выражают как соединения оксидов, например:
Ортоклаз (минерал из группы
полевых шпатов)…………………… K2 Al2 Si6 O16 = K2 O • Al2 O3 • 6SiO2
Слюда (мусковит)…………KH2 Al3 (SiO4 )3 или K2 O • 3Al2 O3 • 6SiO2 •2H2 O
Каолин (белая глина)……………………H4 Al2 Si2 O9 = Al2 O3 • 2SiO3 • 2H2 O
Асбест …………………………………H4 Mg3 Si2 O9 = 3MgO • 2SiO2 • 2H2 O
Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые алюмосиликатами. Как показывают формулы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др. [3,4]
Моноксид кремния - вещество темно-коричневого цвета. При высокой температуре в результате самоокисления-самовосстановления распадается на Si и SiO2 (реакция диспропорционирования). Вообще же SiO легко окисляется до SiO2. Используя эту реакцию, искусственно получают тончайшие кварцевые прозрачные покрытия - при обработке препаратов для электронной микроскопии, для поверхностных покрытий алюминиевых зеркал.
Если студень кремневой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием силикагеля имеет разнообразное применение в промышленности: для улавливания газов, водяных паров, для отчистки нефти, керосина. Наконец, крупнопористый силикагель - незаменимый носитель для многих катализаторов. При полном высушивании и прокаливании кремневой кислоты образуется кремневый ангидрид SiO2 [4,5].
Кремневые кислоты с большой степенью конденсации сравнительно устойчивы. Но и выделять их в индивидуальном состоянии химики еще не научились. В быту и промышленности используется смесь этих кислот в виде силикатного клея. Если говорить точнее, силикатный клей - это калиевые или натриевые соли поликремневых кислот. Но так как эти кислоты слабые, а соли слабых кислот сильно гидролизуются, то фактически в растворе силикатного клея имеется смесь конденсированных кремниевых кислот.
Нитрид кремния используется в качестве компонента жаростойких и химически устойчивых композиционных материалов. Оп нашел также применение в микроэлектронике в качестве диэлектрика и высокотемпературного полупроводника. Карбид кремния - абразивный материал для шлифованных кругов, матрица для порошковой металлургии, компонент для огнеупоров. К тому же, карбид кремния является основой полупроводниковых диодов и фотодиодов.
Природные силикаты и алюмосиликаты являются сырьем для силикатной промышленности, которая в основном объединяет производства керамическое, цементное и стекольное [4,6].
1.3 Производство силикатов. Керамическое производство
Сырьём для керамического производства служат различного рода глины.
Глина - тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь кластического аллотигенного материала зерен кварца, полевых шпатов и других материалов, и аутигенного материала - карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др. П.А. Земятчинский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, после обжига приобретающее твердость камня. Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гидроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью и гидрофильностью. С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы: 1) каолины, 2) огнеупорные и тугоплавкие глины, 3) высокосорбирующие глины (отбеливающие), 4) легкоплавкие глины.
Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолинов проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами. Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина - кварц и полевые шпаты. Главные потребители обогащенного каолина - бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Al 87%, Si 13%) и др. Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Каолин также идет на изготовление фарфоровых изделий.
Диоксид кремния - основа для получения кремния, производства обыкновенного и кварцевого стекла, а также необходимый компонент керамики и абразивных материалов.
Фарфоровые изделия широко применяют в химической, электротехнической промышленности, в химических лабораториях (фарфоровые тигли, чашки, ступки, стаканы и т. д.). В химической промышленности фарфоровые изделия имеют большое значение вследствие их устойчивости против кислот, щелочей, и других химических реактивов, большой механической прочности, термической устойчивости и огнеупорности. В электротехнической промышленности фарфор применяют в качестве надежного изоляционного материала (фарфоровые изоляторы, «свечи» для автомобильных и авиационных моторов и т. д.).
Наиболее распространена глина, окрашенная соединениями железа в желтый цвет. Из нее готовят строительные кирпичи, кислото- и огнеупорные изделия, дренажные трубы, кровельную черепицу, гончарные изделия и т.д.
1.4 Цементное производство
В виде песка SiO2 - давно известный строительный материал. Сырьем в цементном производстве служит смесь глины с известняком. Применяют и природный мергель (глинистый известняк), если он по составу удовлетворяет требованиям цементного производства. Такие мергели имеются у нас, например, в районе Новороссийска.
При 1400-1500°С масса спекается с образованием сложных силикатов. Выходящий из печи спекшийся материал называют клинкером. Разломный клинкер упаковывают в бочки или мешки. Готовый продукт представляет собой тонкий серо-зеленый порошок.
Основная масс цемента состоит из сложных химических соединений кальция, магния, кремния, алюминия и железа. Состав этих веществ, представленных в виде соединений оксидов, следующий: 3CaO • SiO2 , 2CaO •SiO2 , 3CaO • Al2 O3 , 2CaO • Fe2 O3. Кроме того, в цементе всегда в переменных количествах содержатся различные примеси.
Основной химический процесс при производстве цемента - спекание при 1200 - 1300 °С смеси глины с известняком, приводящий к образованию силикатов и алюминатов кальция:
Al2 O • 2SiO2 • 2H2 O = Al2 O3 • 2SiO2 + 2H2 O
CaCO3 = CaO + CO2
CaO + SiO2 = CaSiO3
3CaO + Al2 O3 = 3CaO •Al2 O3
При смешивании с водой происходит постепенная гидратация:
3CaO • Al2 O3 • 6 H2O = 3CaO • Al2O3 + 6 H2O
Если при замешивании цементной массы ввести в нее щебень, гравий и тому подобные материалы, то получится бетон. Если же бетоном прикрывают какую-либо основу (каркас) из железных прутьев, проволоки, стержней и т.д., то подобные конструкции называют железобетоном.
