Экологические аспекты преподавания темы "Р-элементы" на уроках химии и экологии

План

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА В СОВРЕМЕННОЙ РОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ
1.1 Элементы III-А группы периодической системы

1.1.1 Положение алюминия в периодической системе и строение его атома
1.1.2 Нахождение алюминия в природе, его получение и свойства

1.1.3 Важнейшие соединения алюминия

1.2 V-A группа. Азот

1.2.1 Некоторые соединения азота и их свойства

1.2.1.1 Оксиды азота

1.2.1.2 Азотная кислота

1.3 VI-А группа периодической системы

1.3.1 Кислород

1.3.2 Опорные конспекты, схемы и таблицы по теме «Халькогены»

ГЛАВА 2. р-ЭЛЕМЕНТЫ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИКА-ЭКОЛОГА

2.1 III-А группа

2.1.1 Бор

2.1.1.1 Распространение в природе

2.1.1.2 Биохимическая роль

2.1.2 Алюминий

2.1.2.1 Распространение в природе

2.1.2.2 Биохимическая роль

2.1.3. Галлий

2.1.3.1 Распространение в природе

2.1.3.2 Токсикологическая характеристика

2.2 V-A группа периодической системы

2.2.1 Круговорот азота

2.2.2 Соединения азота

2.2.2.1 Взаимодействие нитрат-иона с фауной и флорой

2.3 VI-A группа периодической системы

2.3.1 Кислород

2.3.2 Круговорот кислорода в природе

2.3.3 Озоновый защитный слой

2.3.4 Тропосферный озон

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ «р-ЭЛЕМЕНТЫ»

3.1 Урок на тему «III-А группа периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева»

3.2 Уроки по теме «V-A группа ПС»

3.2.1 Экологические аспекты преподавания темы «Азот. Соединения азота»

3.2.2 Урок по теме «Получение азотной кислоты»

3.2.5 Практическая работа на тему «Азотная кислота и ее соли»

3.3 Уроки по теме «VI-A группа ПС»

3.3.1 Урок-лекция по теме «Кислород»

3.3.2 Урок № 2. Лабораторная работа 1. «Изучение способов получения кислорода»

3.3.3 Урок № 3. Лабораторная работа 2. «Изучение способов получения и химических свойств озона»

3.3.4 Урок № 4. «Экскурсия в кислородный цех»

3.3.5 Урок на тему «Сера, строение молекул, физические и химические свойства»

3.3.6 Система уроков по теме «Кислотные дожди» для 10-11 классов с углубленным изучением экологии

ГЛАВА 4. ЗАДАЧИ И ТЕСТЫ

4.1 Задачи и тесты по теме «V-A группа ПС»

4.2 Задачи и тесты по теме «Кислород»

4.3 Банк тестовых заданий по теме «Халькогены»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время все более осознается опасность, которая может привести человечество к гибели - это экологическая катастрофа. Сегодня наша планета находится в состоянии экологического кризиса, который, если не принять срочных и действующих мер неминуемо приведет его катастрофе. Но кризис - это состояние обратимое.

В этих условиях особенно необходима психологическая перестройка людей в отношениях с природой. Воспитание бережного, внимательного отношения к природе людей окружающей среде, расширение знаний и навыков, необходимых для ее охраны, должны стать неотъемлемой частью общей системы просвещения, образования, подготовки кадров.

Большая роль в этом деле принадлежит образовательной школе, которая охватывает подрастающее поколение людей. Современному учителю необходимо проникнуть в сущность актуальных проблем взаимодействия природы и общества, увидеть их социальную основу, конкретно представить, какими средствами и способами решать задачи воспитания ответственного отношения школьников к природной среде.

Объект курсовой работы - р-элементы, охватывают большое количество элементов с богатым спектром свойств.

Актуальность выбранной темы очевидна, так как р-элементы относятся к наиболее часто используемым в различных отраслях науки, техники, промышленности, быту и т.д. Их содержание в литосфере, атмосфере и гидросфере различно, но все они в силу своих химических и физических свойств играют очень большую роль в биохимических процессах, а значит, оказывают большое влияние на состояние биосферы вообще. Поэтому представляет интерес как рассмотрение этой группы элементов с точки зрения химика-эколога, так и с точки зрения формирования экологического мышления и культуры при обучении химии в школе.

Газообразные и пылевые выбросы очень неблагоприятно влияют на экологическую обстановку в местах расположения промышленных предприятий, а также ухудшают санитарно-гигиенические условия труда. К агрессивным массовым выбросам относятся окислы азота, сероводород, сернистый, углекислый и многие другие газы.

Не менее важной задачей является очистка газов от двуокиси серы. Общее количество серы, которое выбрасывается в нашей стране в атмосферу только в виде сернистого газа, составляет около 16 млн. т. в год. Из этого количества серы можно выработать до 40 млн. т. серной кислоты.

Значительное количество серы, главным образом, в виде сероводорода содержится в коксовом газе. С дымовыми газами из заводских труб и энергетических установок ежегодно выбрасываются в атмосферу несколько миллиардов кубометров углекислого газа. Этот газ может быть использован для получения эффективных углеродсодержащих удобрений.

Серьезный ущерб пылевые и газообразные выбросы приносят тем, что они отравляют воздушный бассейн в городах и на предприятиях: ядовитые газы губят растительность, крайне вредно действуют на здоровье людей и животных, разрушают металлические сооружения и коррозируют оборудование. Учитывая общую экологическую обстановку на планете, необходимо принять самые срочные и самые радикальные меры по очистке выбросных газов от вредных примесей [1].

В связи с вышеизложенным в настоящей курсовой работе целью исследования послужило рассмотрение р-элементов и методических особенностей изучения экологических аспектов преподавания темы «р-элементы» на уроках химии и экологии.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА В СОВРЕМЕННОЙ РОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ

1.1 Элементы III-А группы периодической системы

Алюминий Al (лат. Aluminium, от лат. alumen -- квасцы). Аl-- элемент III группы 3-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, п. н. 13, атомная масса 26,9815, имеет один стабильный изотоп 27Al (100 %). Металлический Аl был получен в 1827г. Вёлером. По содержанию в земной коре (8,8 %) Аl занимает 3-е место после О и Si, с которыми Аl (в виде различных алюмосиликатов) составляет более 82% массы земной коры. В свободном виде не встречается. Основное сырье для производства Аl - бокситы. Аl - серебристо-белый металл, легкий, прочный, пластичный, ковкий, обладает высокой электро- и теплопроводимостью, высокой химической активностью. В соединениях А. проявляет степень окисления +3. А. легко соединяется о кислородом воздуха, покрываясь плотной пленкой оксида Al2O3, это обусловливает высокую коррозионную стойкость; концентрированная HNO3 на Аl не действует. Аl легко растворяется в щелочах, разбавленных НС1 и H2SO4. Гидроксид Аl (и Аl2О3) амфотерен: с кислотами водных растворах он дает соли, содержащие гидратированный ион [Al(H2O)6]з+, со щелочами -- алюминаты. Аl получают электролизом Аl2О3 (из боксита), растворенного в расплавленном криолите Na3AlF6, Аl применяют для производства легких сплавов (дуралюмин, силумин) в самолетостроении, автомобилестроении, при строительстве зданий, для изготовления химической аппаратуры, электрических проводов, конденсаторов, как материал для ядерных реакторов и др. Аl служит восстановителем при получении ряда металлов. Применяются различные соединения Al -- алюминия оксид, хлорид алюминия АlС13 или водный А1С13 . 6Н2О как катализатор в органическом синтезе, сульфат алюминия А12(SО4)3 18H2O и алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2 12Н2О -- для очистки воды, при крашении тканей, для дубления кож и в производстве бумаги. В строительстве и архитектуре для защиты от коррозии и в декоративных целях применяют серебряную краску -- смесь алюминиевого порошка с минеральным маслом. Алюминийорганические соединения используют при синтезе других металлоорганических соединений; соединения Аl с алкилами применяют как катализаторы при полимеризации олефинов.

Бор В - элемент III группы 2-го периода п.с. В природе встречается в виде борной кислоты и различных минералов. Бор является сильным восстановителем. Гидриды бора применяют в топливе для ракет, как катализаторы при получении полимеров, для покрытия металлов бором, в металлургии, в ядерной промышленности.

Галлий Ga - элемент III группы п.с. Химически активен, применяется в качестве модифицирующих присадок в сплавах, в полупроводниковой промышленности.

Иттрий Y - элемент III группы 5-го периода п.с., в природе встречается вместе с лантаноидами. Иттрий используется в атомной технике и авиации.

Скандий Sс - элемент III группы 4-го периода п.с. Скандий содержится в виде примесей во многих минералах, химически активен. Применяют скандий в основном в виде сплавов с различными металлами, в ядерной технике, металлургии, медицине и пр.

Лантан La - элемент III группы 6-го периода п.с. В природе La встречается в виде сложного по составу минерала монацита.

Лантаноиды - 4f-семейство из 14 элементов VI периода п.с. В природе лантаноиды сопутствуют друг другу. Все лантаноиды - металлы серебристо-белого цвета, пластичны и легко поддаются ковке, литью. Лантаноиды химически активны, разлагают воду, реагируют с кислотами. Лантаноиды находят очень широкое применение - в изготовлении лаков и красок, в производстве кожи, в текстильной промышленности, в радиоэлектронике и пр.

Таллий Tl - элемент III группы 6-гопериода п.с., относится к рассеянным элементам, легко разлагает кислоты. Производство таллия связано с комплексной переработкой сульфидных руд цветных металлов. Токсичен.

Актиний Ас - радиоактивный элемент III группы п. с. Период полураспада Ас составляет 22 года, испускает -частицы (98 %) и -частицы. Получают облучением радия нейтронами. Ас - металл серебристо-белого цвета, в соединениях проявляет с.ок. +3, по химическим свойствам близок к лантану. Ас - опасный радиоактивный яд.

Актиноиды - 5f-семейство элементов 7 периода п. с., все радиоактивны [2].

К III группе периодической системы относятся следующие элементы: бор В, алюминий Al, скандий Sc, галлий Ga, иттрий Y, лантан La (лантаноиды), таллий Tl, актиний Ac (актиноиды).

Данная тема изучается в школьной программе в 9 классе по учебнику Ф. Г. Фельдмана и Г. Е. Рудзитиса [3]. На изучение элементов III группы отводится лишь 2 часа.

В школьном учебнике Ф. Г. Фельдмана и Г. Е. Рудзитиса этой теме посвящен лишь один параграф, к тому же тема освещена не лучшим образом. Авторы учебника подробно рассматривают лишь один из элементов III группы - алюминий. В этом параграфе рассматриваются следующие подпункты.

1.1.1 Положение алюминия в периодической системе и строение его атома

Алюминий находится в главной подгруппе III группы. Схема расположения по энергетическим уровням следующая:

+3Al 2e-, 8e-, 3e-

Так как у атомов алюминия на внешнем уровне 3 электрона, то алюминий в соединениях проявляет степень окисления 4-3.

К такому же выводу приходим, руководствуясь представлениями о характере движения электронов в атомах и расположении их не только по энергетическим уровням, но и по подуровням. В атоме алюминия легко происходит распаривание 3s2-электронов и один электрон переходит 3p-орбиталь:

В результате получаются три неспаренных электрона. Ответьте на вопрос 1 (с. 138 [3]).

1.1.2 Нахождение алюминия в природе, его получение и свойства

Алюминий -- третий по распространенности элемент в земной коре. Он встречается только в соединениях. Важнейшие из них указаны на схеме 19.

Схема 19

Окрашенные кристаллы Al2O3 красного цвета -- рубины, синего цвета - сапфиры.

Получение

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 г. получил алюминий при нагревании хлорида-алюминия со щелочными металлами калием или натрием без доступа воздуха.

AlCl3 +3K 3KCl + Al

Для промышленного получения алюминия эти методы экономически невыгодны, поэтому был разработан электрохимический метод получения алюминия из бокситов.

Физические свойства

Алюминий -- серебристо-белый металл, легкий ( = 2,7 г/cм3), плавится при 660 °С. Он очень пластичен, легко вытягивается в проволоку и прокаливается в листы и фольгу. По электрической проводимости алюминий уступает лишь серебру и меди (она составляет 2/3 от электрической проводимости меди).

Химические свойства

В электрохимическом ряду напряжения алюминий помещается за самыми активными металлами. Однако из повседневного опыта известно, что на алюминиевые изделия (посуду и т. д.) не действует ни кислород, ни вода даже при температуре ее кипения. На алюминий не действует также концентрированная холодная азотная кислота. Это объясняется наличием на поверхности алюминия тонкой оксидной пленки, которая предохраняет его от дальнейшего окисления. Если поверхность алюминия потереть солью ртути, то происходит реакция:

2А1 + 3HgCl2 2А1С13 + 3Hg

Выделившаяся ртуть растворяет алюминий, и образуется его сплав с ртутью -- амальгама алюминия. На амальгамированной поверхности пленка не удерживается, поэтому алюминий реагирует с водой при обычных условиях (рис. 46):

2А1 + 6НОН 2А1(ОН)3 + 3Н2

При повышенной температуре алюминий реагирует со многими неметаллами и сложными веществами без амальгамирования:

Применение

Алюминий применяют для производства различных сплавов. Наибольшее распространение имеют дюралюмины, содержащие медь и магний, и силумины -- сплавы алюминия с кремнием. Основные преимущества этих сплавов--легкость и высокая прочность. Упомянутые сплавы широко используют в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в ракетной технике и в строительстве. В виде чистого металла алюминий идет на изготовление электрических проводов и различной химической аппаратуры.

Алюминий используют также для алитирования, т. е. насыщения поверхностей стальных и чугунных изделий алюминием с целью защиты их от коррозии.

На практике часто используют термит (смесь оксида Fе3O4 с порошком алюминия). Если эту смесь поджечь (с помощью магниевой ленты), то происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты:

8Al + 3Fe3O4 4Al2O3 + 9Fe

Этот процесс используют при так называемой термитной сварке, а также для получения некоторых металлов в свободном виде.

Ответьте на вопросы 2--6 (с. 138). Решите задачи 1 - 2 (с. 138). [3]

1.1.3 Важнейшие соединения алюминия

Оксид алюминия

Аl2О3 можно получить следующими способами:

1. Непосредственным сжиганием порошка металлического алюминия (вдуванием порошка алюминия в пламя горелки):

4Al + 3O2 2А12O3

2. Путем превращения по приведенной ниже схеме:

Оксид алюминия -- твердое, тугоплавкое (темп. пл. 2050 °С) вещество белого цвета.

По химическим свойствам это амфотерный оксид (I, § 37). Реагирует с кислотами, проявляет свойства основных оксидов:

А12O3 + 6НС1 2А1С13 + 3Н2O

Al2O3 + 6H+ +6С1- 2Al3+ + 6С1- + 3Н2O

А12O3 + 6Н+ 2A13+ + 3Н2O

Оксид алюминия реагирует со щелочами и проявляет свойства кислотных оксидов. Причем при сплавлении образуются соли метаалюминиевой кислоты НА1O2, т. е. мета-алюминаты:

Al2O3 + 2NaOH 2NaA102 + H20

В присутствии воды реакция протекает иначе:

А12О3 + 2NаОН + Н2O 2[NaA1O2 . H2O]

Это объясняется тем, что в водном растворе алюминат натрия NaA1O2 присоединяет одну или две молекулы воды, что можно изобразить так:

а) NaA1O2-Н2О, или NaH2A1O3; б) NaA1O2-2H2O, или NaAl(OH)4.

Гидроксид алюминия

Гидроксид алюминия А1(ОН)3 получают при взаимодействии раствора щелочи с растворами солей алюминия (раствор щелочи нельзя брать в избытке):

АlCl3 + NaOН Al(OH)3 + 3NaCl

A13+ + 3Cl- + 3Na+ + 3OH- Al(OH)3 + 3Na+ + 3С1-

Аl3+ + 3ОН- А1(ОН)3

Если белую желеобразную массу гидроксида алюминия выделить из раствора и высушить, то получается белое кристаллическое вещество, практически не растворяющееся в воде.

Гидроксид алюминия (как и его оксид) обладает амфотерными свойствами. Подобно всем основаниям гидроксид алюминия реагирует с кислотами. При сплавлении гидроксида алюминия со щелочами образуются метаалюминаты, а в водных растворах -- гидраты метаалюминатов:

А1(OH)3 + NaOH NaА1O2 + 2Н2O

А1(OH)3 + NaOH NaH2А1O3 + Н2O

Соли алюминия получают в основном при взаимодействии металлического алюминия с кислотами. По физическим свойствам это твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Химические свойства солей алюминия аналогичны свойствам других солей ([3], с. 98--99). Так как соли алюминия образованы слабым основанием и сильной кислотой, то они в водных растворах подвергаются гидролизу (с. 18).

Ответьте на вопросы 7--10 (с. 138). Решите задачу 3 (с. 138 [3]).

Генетическая связь между алюминием и его важнейшими соединениями (схема 20).

Схема 20

Выполните упражнение 11.

Далее в учебнике по этой теме приводятся задачи на закрепление материала. Также в учебнике приводится лабораторный эксперимент (с. 139) [3].

Таким образом, из вышеизложенного материала можно сделать вывод, что в школьной программе на изучение данной темы отводится очень мало часов, и, кроме этого, практически нет сведений об экологических аспектах этой темы.

1.2 V-A группа. Азот
Азот образует ряд оксидов, формально отвечающих всем возможным степеням окисления от +1 до +5: N2O, NО, N2O3, NO2, N2O5, однако всего два из них - оксид азота(II) и оксид азота(IV) - не только устойчивы при обычных условиях, но и активно задействованы в природном и промышленном круговоротах азота.

1.2.1 Некоторые соединения азота и их свойства
1.2.1.1 Оксиды азота

N2+1O - оксид азота(I), закись азота, «веселящий» газ, несолеобразующий оксид. Получают N2O разложением аммиачной селитры:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

В соцсетях