Особенности строения d-элементов и их влияние на окружающую среду и здоровье человека

Цели урока:

  • Обобщить знания учащихся о периодическом
    законе, строении атомов, состоянии электронов в
    атомах.
  • Закрепить умение составлять
    электронно-графические схемы и электронные
    формулы строения атомов, сравнивать химические
    элементы по химической активности.
  • На основании положения элементов-металлов в
    периодической системе ознакомить учащихся с
    некоторыми закономерностями, обусловливающими
    распространенность металлов в природе, их
    токсичность, долю участия в метаболизме живых
    организмов.
  • Раскрыть причины загрязнения окружающей среды
    d-элементами, указать основные источники
    загрязнения.
  • Научить школьников прогнозировать и
    анализировать последствия загрязнения
    природной среды металлами.
  • Ознакомить учащихся с основными направлениями
    по предупреждению загрязнения окружающей среды
    металлами, способствовать формированию
    экологической культуры.
  • Оборудование:

    интерактивная доска, таблицы,
    планшеты с тестовыми заданиями, магнитная доска,
    магниты.

    План семинара

    .

    1). Положение d-элементов в периодической
    системе.

    2). Особенности строения атомов d-элементов, их
    свойства.

    3). d-Элементы и живой организм.

    4). Биологическая роль и токсическое действие
    d-элементов.

    5). Проблемы загрязнения окружающей среды
    металлами и пути ее решения.

    6). Нахождение d- элемента в природе. Полезные
    ископаемые, содержащие d-элементы, в Воронежской
    области.

    I. АКТУАЛИЗАЦИЯ ЗНАНИЙ.

    А) Индивидуальный опрос.

  • Работа по карточкам.
  • Какие элементы называются d- элементами.
  • Дать характеристику положения d- элементов в
    периодической системе.
  • Особенности строения атомов d- элементов:
    заполнение электронами энергетических
    подуровней, явление “провала” электрона.
  • Б) Фронтальный опрос.

  • Дать современную формулировку периодического
    закона.
  • В чем физический смысл порядкового номера
    элемента, номера группы и периода?
  • Какие квантовые числа описывают состояние
    электронов в атоме?
  • Какие правила лежат в основе составления
    графической схемы строения атома?
  • Составить графические схемы и написать
    электронные формулы строения атомов следующих
    химических элементов: скандия, железа, ниобия
    (“провал” электрона)
  • II. КОНТРОЛЬНЫЙ ТЕСТ с применением химического
    эксперимента (на предварительно пропитанной
    фенолфталеином и высушенной фильтровальной
    бумаге нанесена таблица с номерами вопросов
    теста по вертикали и литерами предполагаемых
    ответов по горизонтали; учащиеся с помощью
    пипетки добавляют раствор гидроксида натрия NaOH в
    клеточку выбранного ответа. О правильности
    данного ответа судят по изменению окраски
    фенолфталеина).

    III. ИЗУЧЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РОЛИ И ТОКСИЧЕСКОГО
    ДЕЙСТВИЯ d-ЭЛЕМЕНТОВ.

    Особенность строения атомов d-элементов
    обусловлена наличием в них избытка валентных
    орбиталей и недостатком электронов.
    d-Элементы-металлы, а все металлы имею небольшое
    количество электронов на внешнем энергетическом
    уровне, легко их теряют, проявляя
    восстановительные свойства.

    Металлы способны вступить во взаимодействие с
    белками организма и образовать с ними
    металлоорганические соединения. Ионы металлов -
    непременные участники биологических процессов:
    они стимулируют, нормализуют обмен веществ в
    организме, оказывают положительное действие на
    рост и размножение, на иммунобиологическую
    активность организма и продолжительность жизни;
    участвуют в кроветворении, в окислительно-
    восстановительных процессах, стабилизируют и
    активируют ферменты (образуют их активные
    центры). Ионы металлов создают разность
    потенциалов вблизи поверхности клеточных
    мембран, чем обеспечивают протекание жизненных
    процессов в клетке. Токсичность металлов тесно
    связана с их физико-химическими
    характеристиками (электронной конфигурацией,
    энергией ионизации, электроотрицательностью,
    величиной окислительно-восстановительного
    потенциала, способностью к образованию более или
    менее прочных соединений с рядом функциональных
    групп на поверхности или внутри клеток белков и
    т.д.), а также со строением иона металла, с
    функциональной и структурной организацией
    биологического объекта.

    Электроотрицательность влияет на
    взаимодействие металла с цитоплазмой. Например,
    высокая электороотрицательность ртути дает ей
    возможность в первую очередь взаимодействовать
    с активными центрами ферментов, снижая этим их
    активность, а у растений – подавляя фотосинтез в
    хлоропластах. При установлении вредного
    воздействия загрязняющего вещества на организм
    (природный объект) необходимо учитывать три
    фактора:

    1) токсичность вещества зависит от его
    состояния (нерастворимые в воде соединения
    практически не подвергаются превращениям в
    организме);

    2) в природных условиях относительно безвредное
    вещество может перейти в высокотоксичное
    соединение;

    3) в природной среде токсичное вещество может
    постепенно накапливаться в цепи питания, его
    концентрация в высших звеньях этой цепи может в
    тысячи раз превышать концентрацию данного
    вещества в окружающей среде в целом (фактор
    биологического накопления).

    Изменение концентрации Ме в окружающей среде
    может происходить как естественным путем
    (перераспределение между поверхностью суши,
    водой, атмосферой), так и искусственно
    (аккумуляция в почве, возникновение
    геохимических аномалий с последующим
    распределением и усвоением металлов растениями,
    животными и микроорганизмами).

    В процессе эволюции организмы выработали
    систему защиты от повреждающего действия
    металлов, как на уровне генома, так и на уровне
    тканевых регуляторных механизмов. Система
    защиты представлена специфическими белками,
    вырабатываемыми организмом, которые действуют
    на регуляторные участки ДНК и РНК; синтез таких
    белков приводит к появлению устойчивых
    (толерантных) к токсичному действию металлов
    популяций. Белки обладают несколькими центрами
    связывания, что дает возможность нейтрализовать
    одновременно большое количество поступающих в
    организм металлов.

    Организм и среда взаимосвязаны. Отмечена
    определенная зависимость между биологической
    ролью элементов и их местом в периодической
    системе Д.И.Менделеева. Органический мир
    построен главным образом из легких элементов.
    Поэтому только 4 металла: натрий, калий, кальций,
    магний содержатся в организмах в сравнительно
    больших количествах. Большинство же
    биологически активных металлов расположены в
    средней части первого большого периода и
    относится к переходным элементам, которые
    содержатся в организмах в очень малых
    количествах.

    В подавляющем большинстве случаев при переходе
    от легких элементов к тяжелым в пределах одной
    группы их токсичность возрастает и параллельно
    этому убывает их содержание в биомассе (Zn, Cd, Hg).

    d-Элементы обладают двойной биологической
    ролью: важным биологическим значением и
    токсическим действием на живой организм.

    Целесообразно выделить 3 направления:

    а) антропогенные источники поступления Ме в
    окружающую среду;

    б) биологическая роль металлов;

    в) токсическое действие металлов.

    IV. СООБЩЕНИЯ УЧАЩИХСЯ О ВОЗДЕЙСТВИИ НЕКОТОРЫХ
    МЕТАЛЛОВ НА ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ.

    V. ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
    МЕТАЛЛАМИ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

    Загрязнение окружающей среды металлами
    наиболее опасно для биологических объектов.
    Завышенное или заниженное содержание Ме в
    организмах вызывает различные болезни.

    Особенно опасно загрязнение среды тяжелыми
    металлами, поскольку они включаются в природный
    круговорот веществ. В последнее время все чаще
    выявляют очаги аномально высоких концентраций
    тяжелых металлов. Например, в некоторых
    промышленных районах содержание в почве свинца
    превышает его фоновое значение в 22 раза, кобальта
    – в 10, цинка — в 28, меди — в 100 раз. Из почвы металлы
    попадают в растения.

    Так, в помидорах, выращенных на расстоянии 500-5000
    м от предприятий цветной металлургии, свинца
    содержится в 5-10 раз больше, а в клубнях картофеля
    – в 10-170 раз больше, чем на более удаленных
    участках. Накапливать металлы способны также
    грибы, мхи, водоросли, моллюски, рыбы. В карпах,
    выращенных в прудах возле автомагистралей,
    концентрация свинца превышает ПДК в 3 раза.

    Недостаток тяжелых металлов в природной среде
    также небезопасен для живых организмов.
    Полагают, что нехватка в организме цинка, меди,
    кобальта или никеля вызывают потерю аппетита,
    развитие близорукости.

    Какие отрасли промышленности вызывают
    наибольшее загрязнение d- элементами окружающей
    среды? В наибольшей степени подвергаются
    загрязнению металлами районы, в которых добывают
    руду, обогащают ее и производят металл. 70-75% всех
    производственных отходов приходится на
    горнодобывающую промышленность. Существует
    четкая закономерность: чем меньше объем
    производства металлов и его концентрация в
    рудах, тем больше отходов образуется при
    получении его из руды. На 1т готового металла
    количество отходов составляет: для Pb -30т, Ni -100т,
    Cu-200-300т, Sn-500-1000т, W и Mo- 2000 т пустой породы.

    В отвалах теряется более 15% меди, 50% Zn, 13-14%
    благородных металлов. Все эти данные
    свидетельствуют об огромной техногенной
    нагрузке на природную среду. К путям снижения или
    предотвращения этой нагрузки следует отнести:

    1) комплексное использование руд;

    2) улавливание и использование газообразных
    выбросов;

    3) переработка твердых отходов (снижение их
    токсичности и появление нового источника сырья);

    4) повторное вовлечение в технологический
    процесс очищенных стоков;

    5) разработка и внедрение малоотходных
    технологий.

    VI. НАХОЖДЕНИЕ d- ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДЕ ВОРОНЕЖСКОЙ
    ОБЛАСТИ.

    В земное недро ты, Химия,
    Проникни взора остротой,
    И что содержит в нем Россия,
    Драги сокровища открой.

    М.В.Ломоносов.

    После распада СССР Россия оказалась лишенной
    многих ценных металлов: хрома, урана, марганца и
    др. Остались лишь два крупных региона по добыче и
    переработке цветных металлов: Карело-Кольский и
    Норильский. Однако, экологическая обстановка в
    этих регионах неблагоприятная. Попав в Норильске
    под дождь, можно остаться без плаща. Ежесуточно в
    атмосферу выбрасывается 54 т газов. Возникла
    необходимость поиска альтернативных регионов,
    богатых металлами, но более экологически чистых.

    По запасам металлов III место после
    Карело-Кольского и Норильского районов занимает
    Воронежская область. Кристаллический фундамент,
    на котором стоит Воронеж, содержит железо,
    никель, замечены проявления хрома, титана.
    Среднегодовая прибыль от разработки воронежских
    месторождений составила бы 3 млн. рублей.

    В Лисках есть следы урана, радоновой воды, в 2
    раза более богатой радоном, чем воды Цхалтубо.

    В области 32 металлоносных места и 5
    месторождений. Наиболее ценными являются Верхне-
    Мамонское и Елань – Коленовское. Запасы по
    металлам в Елань – Колено составляют 1 млн. тонн,
    в то время как месторождения международного
    значения в ЮАР и Канаде имеют запасы всего 25
    тысяч тонн металлов.

    Теперь стоит задача рационального
    использования природных богатств. В Елань-Колено
    огромные запасы меди и никеля, есть платина и
    золото, а Россия 10% титана завозит из Швеции, руда
    на Кольский полуостров поступает из ЮАР.

    Германия работает на минералах, содержащих 24%
    железа, а мы отправляем в отвал все, что содержит
    менее 40% железа. В Павловском гранитном карьере в
    отвал ушло металлов на сумму 28 млн.$. Нетрудно
    подсчитать прибыль, которую может дать этот
    карьер, если цена 1 т – 70$, а добывается 450 тысяч
    тонн с извлечением 80%. Осмия берут 8%, а 92% идет в
    отвал, платины извлекают 24 %, остальное – в отвал.

    Стрелецкий песчаный карьер может давать 15 кг
    золота ежегодно, прибыль от этого составит 28
    млн.$. А, ведь, золото и платина – валютные
    металлы. Некоторые соединения имеют огромное
    значение для развития медицины и экологии. Так,
    Pt(NH3)2Сl2 – прекрасный
    антираковый препарат.

    Платина и палладий являются катализаторами,
    направляющими процесс очистки выхлопных газов
    на фильтрах автомобиля на образование
    экологически чистых продуктов.

    Платиниды используются для изготовления
    костюмов космонавтов. В настоящее время
    разработана безотходная экологически чистая
    технология извлечения, транспортировки и
    переработки металлов, но она еще не внедрена.
    Задача молодого поколения осуществить внедрение
    этой и ей подобных технологий и рационально
    использовать природные богатства.

    VII. ВЫВОДЫ.

  • Строение d-элементов, их нахождение в ПС
    обусловливают их свойства.
  • D-Элементы играют двойную роль: имеют важное
    биологическое значение и оказывают токсическое
    воздействие на организм.
  • Необходимо вести разработку и внедрение
    экологически чистых технологий получения и
    использования d-элементов.
  • Россия богата ископаемыми, содержащими
    d-элементы. Дело молодых – уметь выгодно,
    рационально ими воспользоваться, не нарушив
    экологию окружающей среды.
  • VIII. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ (проверка через интерактивную
    доску).

    Один из предсказанных Д.И.Менделеевым
    элементов IV периода образует оксид, содержащий
    34,8% кислорода. Назвать этот элемент.

    R2O3, RO2

    48 г О составляет 34,8%

    Х г ________________ 100%

    138 г – 48 г = 90 г

    Ar(R) = 90:2 = 45 —> искомый металл Sc

    Х = 138 г

    2. При взаимодействии 0,10 г некоторого металла с
    водой образуется 0,005 г водорода. Назвать этот
    элемент, если он обладает постоянной степенью
    окисления.

    Х = 40 г —> искомый металл Са

    IX. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ

    X. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ.

    Моя педагогическая концепция по экологизации
    химии близка экологизированному курсу химии: от
    темы к теме В.М.Назаренко. В работе использованы
    некоторые данные из доклада профессора Н.М.
    Чернова “Металлоносные районы Воронежской
    области” на секции учителей предметов
    естественного цикла.

    Презентация


    Следующий: