Экологизация химического образования

Экологизация химического образования

Проблема взаимоотношений

«человек-общество-природа» одна из тех, которая всё более волнует современное

общество. Глобальный характер экологических проблем свидетельствует о

необходимости формирования экологической культуры населения как основы нового

образа жизни.

В современной экологической ситуации в образовании важно связать процесс

обучения с экологическим просвещением, формировать осознанное, ответственное

личное поведение в соответствии с жизненными ситуациями. Развитие экологической

культуры учащихся невозможно без воспитания доброты, ответственного отношения к

природе и к людям, которые живут рядом, к потомкам, которым нужно оставить

Землю пригодной для полноценной жизни и к себе. Экологизация школьного курса химии обусловлена

необходимостью готовить школьников к активному участию в решении насущных

проблем защиты окружающей среды от загрязнения. В настоящее время вопросы

экологии находят свое отражение в новых учебных программах и содержании курса

химии. Одним из эффективных методов формирования экологических знаний и умений

школьников становится решение задач по экологической проблематике. Их

оптимальное использование в учебном процессе позволяет сделать теоретический

материал аргументированным, жизненным и менее академичным. В поисках ответа на

вопрос задачи ученик невольно становится сопричастным к проблемам защиты

природы, получает реальные возможности использовать приобретенные знания в

жизни. Только такой подход позволит сформировать экологически грамотное мышление,

вырабатывает у школьников некий "рефлекс экологической чистоты"

любого их действия. Составленные задачи не обязательно должны иметь

единственное решение, они рассчитаны на проблемное обсуждение, дискуссию, на

поиск рационального пути решения поставленной реальной учебно-познавательной

проблемы. Экологическое образование обладает такими особенностями, как

актуализация идеи о неразрывной связи физической и духовной жизни человека с

природой; рассмотрение экологических проблем в системе глобальных проблем

современности; направленность на цели охраны природы; сбережение генофонда

биосферы; сохранение гигиенических и эстетических достоинств окружающей среды;

рациональное использование природных ресурсов. Содержание экологического

образования имеет, таким образом, сложный состав, усвоение которого школьниками

требует тесной взаимосвязи, классной и внеклассной работы.

  Задача 1.

      В стратосфере на высоте 20 -30 км находится слой озона

O3, защищающий Землю от мощного ультрафиолетового

излучения Солнца. Если бы не "озоновый экран" атмосферы, то фотоны

большой энергии достигли бы поверхности Земли и уничтожили на ней все живое.

Подсчитано, что в среднем на каждого жителя Алматы в воздушном пространстве над

городом приходится по 150 моль озона. Сколько молекул озона и какая его масса

приходится в среднем на одного алмаатинца? 

Дано:                                                               

Решение:

n(O3)=150 моль                             1) Вычислим число

молекул озона:

                                                        n(O3)

= N/Na , отсюда N(O3) = n(O3)·Na       

       Найти:                                              N(O3) = 150 моль · 6,02·1023молекул/моль

= 9,03·1025 молекул

N(O3) = ?                                       2)

Вычислим массу озона:

m(O3)

= ?                                        

n(O3) = m/M , отсюда m(O3) =

n(O3)·M       

m(O3) = 150 моль·48 г/моль = 7200 г = 7,2 кг

 Ответ: N(O3) = 9,03·1025 молекул,

m(O3) = 7,2 кг.

Задача 2.

    В природе постоянно происходит круговорот

биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, фосфора, азота и др.

Человек в процессе своей деятельности вмешивается в круговорот веществ,

использую минеральное сырье для своих нужд. Какая масса углерода должна превратиться

в CO2, чтобы получить 1 л минеральной газированной воды с

концентрацией углекислоты 2%, ρ=1г/см3.

Дано:                                                               

Решение:

V(H2CO3) = 1л                                   C + O2

→ CO2

 ρ(H2CO3)

= 1г/см3                             CO2 + H2O

D H2CO3

(условно)

 ⱳ (H2CO3) = 2%                                1) Вычислим

массу раствора углекислоты:                                    

       Найти:

                                             mр-ра(H2CO3) = V·ρ =

1000 см3·1г/см3 = 1000г                                                                                                                                          

m(C) =

?                                             

2) Исходя из формулы для расчета массовой доли, вычислим: 

ⱳ · mр-ра           2% · 1000г

mр.в. =                 

=                        = 20 г

                                                                        100%                 100%       

3) Вычислим количество вещества углекислоты:

                      m          20 г

n (H2CO3) =        =                   = 0,323 моль      

M      62 г/моль  

4) По уравнению реакций  n (H2CO3) = n (CO2)

n (CO2) = n (C),

таким образом

                                                                                                    n (C) =

0,323 моль

5) Вычислим массу углерода:

m (C) = n·M = 0,323

моль·12 г/моль=3,87 г

 Ответ: m(С)

= 3,87 г.

Задача 3.

    При сгорании в карбюраторе автомобиля 1кг

горючего в воздух выбрасывается до 800 г оксида углерода (II). Вычислите  массу 

и  объем (н. у.) оксида углерода (II),

образующегося при сгорании 100

кг горючего.

Решение:

     Задачу можно решить устно. Путем простых

математических вычислений можно прийти к выводу, что  при сгорании 100 кг горючего может

образоваться оксид углерода (II) массой 80 кг.

    Вычислим, какой объем займет этот газ при

н.у.:

                   m(CO)         V(CO)                                        m(CO)·Vm         80·103г ·22,4л/моль

     n(CO) =                =                    , отсюда    V(CO) =                     =                                    = 64 м3

                   M (CO)          Vm                                                                    M(CO)                 28г/моль

Ответ: m(CO) = 80 кг,

V(CO) = 64 м3

    При решении подобных задач  учащиеся узнают о веществах, загрязняющих

атмосферу: выхлопных газах автотранспорта, продуктах сгорания органического

топлива, выбросах промышленных предприятий.

Задача 4.

      Установлено, что за вегетационный период

дерево, имеющее 10 кг

листьев, может обезвредить без ущерба 

для  него свыше 500 г сернистого газа  и  250 г хлора. Рассчитайте,

какое количество указанных  газов

может  обезвредить  одно 

такое  дерево.

Дано:                                                               

Решение:

m(SO2) = 500 г                             1) Определим молярные массы указанных газов:  

m(Cl2) = 250 г                                    

2) Вычислим количество вещества каждого газа, которое может Найти:                                           обезвредить одно дерево:       

n(SO2) =

?                                                    

       m(SO2)            500 г

n(Cl2)= ?                                            

n(SO2) =               

=                       = 7,8 моль

                                                                                 M(SO2)         64 г/моль

                                                                           m(Cl2)         250 г

     n(Cl2) =                =                     = 3,5 моль

                           M(Cl2)         71 г/моль

Ответ: n(SO2) = 7,8 моль, n(Cl2) = 3,5 моль.

Задача 5. При рентгеноскопическом

исследовании организма человека применяют так называемые рентгеноконтрастные

вещества. Так, перед просвечиванием желудка пациенту дают выпить суспензию

труднорастворимого сульфата бария, не пропускающего рентгеновское излучение.

Какие количества оксида бария и серной кислоты потребуются для получения 100

сульфата бария?

Решение. Запишем уравнение

реакции и условие задачи в формульном виде:

BaO + H2SO4 =

BaSO4 + H2O

m(BaSO4) = 100 г; M(BaSO4) = 233 г/моль

n(BaO) = ?

n(H2SO4)

= ?

В соответствии с

коэффициентами уравнения реакции, которые в нашем случае все равны 1, для

получения заданного количества BaSO4 требуются:

n(BaO) = n(BaSO4)

= m(BaSO4) /

M(BaSO4) = 100 : 233

[г : (г/моль)] = 0,43 моль

n(H2SO4) = n(BaSO4) = m(BaSO4) / M(BaSO4) = 100 : 233

[г : (г/моль)] = 0,43 моль

Ответ. Для получения 100 г сульфата бария

требуются 0,43 моль оксида бария и 0,43 моль серной кислоты.

Задача 6. Прежде чем вылить в

канализацию жидкие отходы лабораторных работ, содержащие соляную кислоту,

полагается их нейтрализовать щелочью (например, гидроксидом натрия) или содой

(карбонатом натрия). Определите массы NaOH и Na2CO3,

необходимые для нейтрализации отходов, содержащих 0,45 моль HCl. Какой объем

газа (при н.у.) выделится при нейтрализации указанного количества отходов

содой?

Решение. Запишем уравнения

реакций и условия задачи в формульном виде:

(1) HCl + NaOH = NaCl + H2O

(2) 2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2

n(HCl) = 0,45 моль;

M(NaOH) = 40 г/моль;

M(Na2CO3)

= 106 г/моль; VM = 22,4 л/моль (н.у.)

n(NaOH) = ? m(NaOH)

= ?

n(Na2CO3) = ? m(Na2CO3)

= ?

V(CO2) = ?

(н.у.)

Для нейтрализации

заданного количества HCl в соответствии с уравнениями реакций (1) и (2)

требуется:

n(NaOH) = n(HCl) = 0,45 моль;

m(NaOH) = n(NaOH) . M(NaOH) = 0,45 . 40

[моль . г/моль] = 18 г

n(Na2CO3)

= n(HCl) / 2 = 0,45 : 2 [моль]

= 0,225 моль;

m(Na2CO3) = n(Na2CO3)

/ M(Na2CO3)

= 0,225 . 106

[моль . г/моль] = 23,85 г

Для расчета объема

углекислого газа, выделившегося при нейтрализации по реакции (2), дополнительно

используется уравнение, связывающие между собой количество газообразного

вещества, его объем и молярный объем:

n(CO2) = n(HCl)

/ 2 = 0,45 : 2 [моль] = 0,225 моль;

V(CO2) = n(CO2) . VM = 0,225 . 22,4 [моль . л/моль] = 5,04 л

Ответ. 18 г NaOH; 23,85 г Na2CO3;

5,04 л

CO2

Задача 7. Антуан-Лоран Лавуазье

открыл природу горения различных веществ в кислороде после своего знаменитого

двенадцатидневного опыта. В этом опыте он сначала длительное время нагревал в

запаянной реторте навеску ртути, а позже (и при более высокой температуре) -

образовавшийся на первом этапе опыта оксид ртути(II). При этом выделялся

кислород, и Лавуазье стал вместе с Джозефом Пристли и Карлом Шееле

первооткрывателем этого важнейшего химического элемента. Рассчитайте количество

и объем кислорода (при н.у.), собранный при разложении 108,5 г HgO.

Решение. Запишем уравнение

реакции и условие задачи в формульном виде:

2HgO = 2Hg + O2

m(HgO) = 108,5 г; M(HgO) =

217 г/моль

VM = 22,4 л/моль (н.у.)

V(O2) = ?

(н.у.)

Количество кислорода n(O2),

который выделяется при разложении оксида ртути(II), составляет:

n(O2) = 1/2 n(HgO) = 1/2 m(HgO) / M(HgO) = 108,5 / (217 . 2}

[г : (г/моль)] = 0,25

моль,

а его объем при н.у. - V(O2) = n(O2) . VM = 0,25 . 22,4

[моль . л/моль] = 5,6 л

Ответ. 0,25 моль, или 5,6 л (при н.у.) кислорода.

Задача 8. Важнейшая проблема в

промышленном производстве удобрений - получение так называемого

"связанного азота". В настоящее время ее решают путем синтеза аммиака

из азота и водорода. Какой объем аммиака (при н.у.) можно получить в этом

процессе, если объем исходного водорода равен 300 л, а практический выход

(z) - 43 %?

Решение. Запишем уравнение

реакции и условие задачи в формульном виде:

N2 + 3H2 = 2NH3

V(H2) = 300 л;

z(NH3) = 43% = 0,43

V(NH3) = ?

(н.у.)

Объем аммиака V(NH3), который

можно получить в соответствии с условием задачи, составляет:

V(NH3)практ = V(NH3)теор . z(NH3) = 2/3 . V(H2) . z(NH3) =

= 2/3 . 300 . 0,45 [л] = 86 л

Ответ. 86 л (при н.у.) аммиака.

Задача 9. Самый дешевый щелочной реагент для нейтрализации

кислотных промышленных стоков – гашеная известь (гидроксид кальция). Используют

как суспензию гидроксида кальция («известковое молоко»), так и прозрачный

раствор («известковую воду»). Рассчитайте рН 0,02М раствора Ca(OH)2.

Решение. Запишем уравнение реакции и условие задачи в

формульном виде:

Ca(OH)2 = Ca2+

+ 2 OH-;

рН > 7

c {Ca(OH)2} = 0,02 моль/л; pH =?

В соответствии с уравнением реакции равновесная

молярная концентрация анионов OH – вдвое больше концентрации

гидроксида кальция c {Ca(OH)2}:

[OH-] = 2c {Ca(OH)2}

рН = 14 – pOH = 14 + lg[OH--] = 14 + lg 2c

{Ca(OH)2} = 12,6

Ответ. Водородный показатель известковой воды равен 12,6.

Задача 10. Одно из самых дешевых азотных удобрений – аммиачная

вода, раствор аммиака. Определите степень диссоциации гидрата аммиака NH3.

H2O в 0,002М растворе, если его рН равен 10,3 при 25 oС.

Решение. Запишем уравнение реакции и условие задачи в

формульном виде:

NH3. H2O

<<здесь знак обратимости>> NH4+ + OH-;

рН > 7

c(NH3. H2O) = 0,002

моль/л; pH = 10,3

a =?

В соответствии с уравнением реакции равновесная

молярная концентрация анионов OH – связана с концентрацией гидрата

аммиака и степенью диссоциации:

[OH-] = a. c(NH3. H2O)

рН = 14 – pOH = 14

+ lg[OH--] = 14 + lg {a. c(NH3. H2O)}

a = (10 pH - 14): с = 10 10,3 - – 14

/ 0,002 = 0,093 = 9,3%

Ответ. Степень диссоциации гидрата аммиака равна 9,3.