APP3 (Межпредметные связи в курсе школьного предмета химии на предмете углерода и его соединений)

Приложение 3

Межпредметный семинар “Биогенные элементы в

периодической системе Д.И. Менделеева”.

Наиболее эффективным средством обучения является семинар. Межпредметный семинар – одна из эффективных форм организации учебной работы, которая способствует обобщению знаний учащихся из разных предметов. Такой семинар позволит в целом комплексе решать задачи образования, развития и воспитания школьников, то есть ТДЦ.

Межпредметный семинар “Биогенные элементы в ПСХЭ“ – проводится как завершающий и обобщающий тему “ПЗ и ПС Д.И. Менделеева“, “Строение вещества”. Данный семинар проводится с учетом особенностей строения атомов биогенных элементов и их роли в живых организмах и проводится на факультативных занятиях по химии при изучении строения вещества.

Основная цель семинара установить закономерные связи между строением атома, химическими свойствами и биогенными функциями элементов.

За две недели до семинара предлагаем учащимся вопросы для подготовки, называем параграфы из учебников химии и биологии, которые необходимо повторить, рекомендуем дополнительную литературу. Учитель биологии проводит семинары-консультации, на которых рассматриваются более сложные вопросы биологического характера. В процессе совместной работы учителей и коллективной деятельности учащихся, знания по химии и биологии о биогенных элементах приводились в систему.

Учителя-методисты отмечают, что эффективность межпредметных семинаров значительно повышается, если использовать проблемный подход в обучении, коллективную работу в классе и индивидуальный подход к учащимся. Методика семинара в отличии от конференций, в центре которых стоят доклады учащихся, предполагает, прежде всего, совместное обсуждение общей проблемы, темы семинара, а также активность всех учеников в достижении основной учебной цели. Поэтому используются многообразные средства активизации познавательной деятельности учащихся на основе проблемного подхода. Занятия семинара строились таким образом, что учащиеся должны были решить ряд последовательно предложенных проблемных (межпредметных) вопросов: почему именно элемент углерод, а не кремний является основным элементом жизни? Как объяснить, почему с повышением в крови концентрации диоксида углерода повышается и концентрация ионов H⁺? Какова их физиологическая роль? Почему жизнь зародилась в воде и как это произошло? Каковы физико-химические свойства воды и как объяснить ее биологические функции? Почему живые организмы дышат кислородом, хотя в атмосфере значительно больше азота? Содержание данных вопросов предполагает одновременное использование и обобщение знаний из курсов химии и биологии.

В процессе коллективной беседы учащиеся высказывают предположения, ищут их обоснование и приход к решению поставленных проблем.

На межпредметных семинарах нередко заслушиваются доклады учащихся. Тематику докладов целесообразно посвящать вопросам, которые еще не изучались в курсах химии и биологии и требуют самостоятельного освоения учащимися новых разделов учебных программ (например: значение углерода для организма человека); не входят в школьные программы и требуют самостоятельного изучения из дополнительной литературы (например: “Использование элементов-органогенов в медицине”).

Распределение докладов проводилось с учетом познавательных интересов учащихся и их возможностей. В процессе семинара сообщения учащихся прерывались беседой и обобщениями учителя. Доклады служат опорой в постановке и решении проблемных межпредметных вопросов.

Рассмотрим на примере, как происходит на семинаре решение ряда предложенных (межпредметных) проблемных вопросов. Во вводной части семинара в процессе беседы учащиеся повторяют химический состав живых организмов, выводится понятие о биогенных элементах как элементах, из которых строятся органические и неорганические вещества живых организмов, обеспечивающие их основные функции. Рассматриваются и записываются в тетрадь сведения о положении этих элементов в ПС.

Отмечается, что углерод, водород, кислород, азот – это широко распространенные элементы. Они находятся в двух первых периодах таблицы Д.И. Менделеева, имеют небольшой порядковый номер и обладают высокой способностью к образованию устойчивых ковалентных полярных связей в молекулах белков, жиров, углеводов.

Учитель, подчеркивает, что основной скелет органических соединений, входящих в состав живых организмов, образуется из атомов углерода. Перед учащимися ставится проблемный вопрос: почему именно элемент углерод, а не кремний является основным элементом жизни, хотя эти элементы в таблице находятся в одной группе и имеют сходное строение атом?

Учащиеся по заранее подготовленной таблице “Углерод и кремний“ сравнивают строение атомов, химические свойства элементов. Учитель подчеркивает, что углерод имеет строение атома, промежуточное между металлами и неметаллами, поэтому он легко вступает в реакцию со многими элементами, в том числе и с водородом, кислородом, азотом, образуя разнообразные органические вещества. Главной особенностью атомов углерода является их способность к образованию простых элементных связей друг с другом. Это ведет к созданию длинных углеродных цепей (-C-C-C-), прямых, разветвленных, в виде колец, спиралей (демонстрируются таблицы сложных органических веществ), что приводит к огромному многообразию соединений. В большинстве источников – 5-6 млн органических веществ, по сведениям иностранных журналов – 12 млн. Вследствие большой металличности, меньшей электроотрицательности кремния по сравнению с углеродом атомы кремния не образуют длинных цепей.

Сравнение связей -C-C- и -Si-Si- показывает, что расстояние между атомами углерода значительно меньше, чем между атомами кремния. Это обеспечивает устойчивость углеродных связей и наличие в них большего запаса энергии, что важно для биоэнергетического обмена, для жизнедеятельности организма. Запасы энергии в органических соединениях увеличиваются благодаря способности атомов углерода создавать устойчивые при обычных условиях длинные цепи.

Совместно с учащимися делается вывод о необходимости для жизни организмов макромолекул органических веществ с большим числом химических связей, с большим запасом внутренней энергии. Такие макромолекулы образует углерод. Учитель обобщает результаты коллективного обсуждения вопроса: мир углерода – это живая природа, мир кремния – неживая природа.

Рассмотрим это на примере фотосинтеза.

Мы утверждаем, что мир углерода – это живая природа. Наиболее яркое и знакомое из курса биологии 6-7 класса учащимся такое явление как фотосинтез. Изобразив схему фотосинтеза, нетрудными вопросами вспоминаем: 1) Из каких веществ образуется сахар в зеленых листьях растений? 2) Какой опыт показывает, что наземные растения на свету поглощают CO₂ и выделяют кислород? (рис. 1)

Используя знания физики-9 о втором законе термодинамики повторяем, что любые виды энергии в конечном счете превращаются в тепловую форму и рассеиваются. Реакция же фотосинтеза сопровождается накоплением энергии в органическом веществе за счет преобразования энергии фотонов в энергию химических связей.

Энергетический смысл фотосинтеза заключается в расщеплении светом некоторого донора водорода DH₂ и переносе водорода на акцептор A с выделением свободного окислителя D:

DH₂ + A ®^свет AH₂ + D

В качестве акцептора выступает углекислый газ, а роль донора водорода могут играть некоторые органические соединения, сероводород и вода.

Наибольшее распространение получил процесс с участием воды, идущий в зеленых растениях:

6 CO₂ + 6 H₂O + 673 ккал ^{хлорофилл}® (СH₂O)₆ + 6 O ₂­

При этом источником кислорода является вода, а не углекислый газ. В некоторых случаях синтез органического вещества может осуществляться некоторыми бактериями без выделения кислорода. Источником углерода для них служит углекислый газ, а водород берется из сероводорода (или какого-либо органического соединения):

6 CO₂ + 12 H₂S ® (CH₂O)₆ + 12 S + 6 H₂O

Фотосинтез – это сложная многостадийная реакция:

1 стадия – световая – молекулы хлорофилла возбуждаются фотонами света с длиной волны 670-680 нм и ускоряют фотолиз воды, то есть разложение воды на кислород, который поступает в атмосферу, протоны и электроны:

H₂O ® 2 H⁺ + 2 e^- + 1/2 O₂

Энергия, образующихся электронов используется в последующих реакциях с участием пигментных фотосистем растений.

2 стадия – темновая, так как протекает без участия солнечного света, во время которой происходит поглощение CO₂ и синтез на его основе органических веществ – сахаров, глицерина и аминокислот.

Этот процесс, возникнув на Земле, стал мощным геологическим фактором (весь кислород атмосферы имеет фотосинтетическое происхождение).

Ежегодно запасаемое растениями в продуктах фотосинтеза общее количество энергии составляет примерно 10²⁴ ккал. Хотя коэффициент полезного действия фотосинтеза невелик (КПД из курса физики).

Известно, что хлорофилл поглощает энергию, находящуюся в голубой (400-500 нм) и красной (610-690 нм) областях спектра.

Поэтому в реальных условиях лишь 10% энергии из видимой области спектра, получаемой растениями, действительно обращается в биомассу. Если сопоставить количество энергии, преобразованной в органические вещества растениями, с большим количеством солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, то коэффициент полезного действия фотосинтеза оказывается крайне низким (менее 1%). Только в редких случаях, касающихся культурных растений с высокой продуктивностью, можно повысить КПД до 3% .

Роль образующей глюкозы велика, так как в дальнейшем процессе фотосинтеза образуется крахмал – является запасным питательным материалом для растений и содержится в них в виде крахмальных зерен.

Существенное отличие химии кремния от химии углерода обусловлено прежде всего относительно малой прочностью связей Si-Si. Поэтому цепочки из атомов кремния разрываются гораздо легче , чем углеродные, особенно если имеется возможность образования наиболее характерной для кремния связи с кислородом. Прямым следствием является резкое уменьшение числа устойчивых кремниевых соединений по сравнению с углеродными. Так, различных минералов известно около 3 тыс., а отдельных видов живых организмов описано более миллиона.

Сравнение диоксида углерода и диоксида кремния показывает активное участие соединений углерода в круговороте веществ в природе, в реакциях обмена веществ в организме (например, газообмен в легких и тканях).

Обмен газов в легких

Содержание газов во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе неодинаково. Во вдыхаемом воздухе содержится почти 21% кислорода, около 79% азота, примерно 0,035% , небольшое количество водяных паров и инертных газов.

Процентный состав выдыхаемого воздуха иной. Кислорода в ней остается около 16%, количество углекислого газа возрастает до 4%. Увеличивается и содержание водяных паров. Азот и инертные газы в выдыхаемом воздухе остаются в том же количестве, что и во вдыхаемом. Разное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе объясняется обменом газов в легочных пузырьках. Концентрация углекислого газа в венозных капиллярах легочных пузырьков гораздо выше, чем в воздухе, заполняющем легочные пузырьки. (рис. 2)

Углекислый газ из венозной крови поступает в легочные пузырьки и во время выдоха выводится из организма. кислород из легочных пузырьков проникает в кровь и вступает в химическое соединение с гемоглобином. Кровь из венозной превращается в артериальную.

По легочным венам артериальная кровь поступает в левое предсердие, затем в левый желудочек и в большой круг кровообращения.

Обмен газов в тканях

Из капилляров большого круга кровообращения кислород поступает в ткани. (рис.3). В артериальной крови кислорода больше, чем в клетках, поэтому он легко диффундирует в них и используется в окислительных процессах. Углекислый газ из клеток поступает в кровь. Таким образом, в тканях органов происходит превращение артериальной крови в венозную.

Венозная кровь по венам большого круга кровообращения поступает в правое предсердие, затем в правый желудочек сердца, а оттуда в легкие.

Учитель знакомит учащихся с тем фактором, что при повышении в крови концентрации диоксида углерода повышается и концентрация ионов водорода. Ставиться новый проблемный вопрос: почему с повышением в крови концентрации диоксида углерода повышается и концентрация ионов водорода? Как это объяснить?

Учащиеся записывают уравнение реакции:

CO₂ + H₂O ® H₂CO₃ ® H⁺ + HCO₃^-

Далее повторяется строение атома водорода, особенности его положения в ПС, образование ионов водорода:

H - 1 e^- ® H⁺; H + 1 e^- ® H^-

Отмечается, что при отдаче электрона от атома водорода остается один “голый протон”, радиус которого почти в 2000 раз меньше радиуса атома водорода. Физиологическое значение положительного иона водорода, рассказывается в докладе ученика, который готовил его, консультируясь с учителем биологии.

Аналогично, путем бесед, докладов и самостоятельной работы учащихся с обобщающими таблицами и периодической системой элементов, проходит обсуждение всех других вопросов семинара.

В заключение учащиеся подводят к мировоззренческому выводу о наличии в природе связей “строение – свойства – функции”: биологические (физиологические) функции всех биогенных элементов определяются их физико-химическими свойствами, которые, в свою очередь, зависят от особенностей строения их атомов, их места в ПСХЭ Д.И. Менделеева. В этом проявляется материальное единство живой и неживой природы.