Взаимосвязь химических, экологических и природоохранных понятий

В школьном курсе химии традиционно выделяют две основные системы понятий: «вещество» и «химическая реакция». Однако для более полного раскрытия экологического содержания необходимо также включить понятия «химический элемент» и «химическое производство». Важно получить представление о химических элементах, составляющих основу живого вещества планеты (водород, углерод, кислород, азот, фосфор, сера). Внимание учащихся обращается на то, что эти элементы отвечают трем критериям, лежащим в основе их «отбора» природой: небольшая относительная атомная масса, малый радиус и способность образовывать кратные связи (исключение составляет водород).

Оба понятия необходимы для понимания причин изменения концентрации химических элементов в окружающей среде, установления зависимости между качественным составом внешней среды и внутренней среды организма (элементный уровень). Они играют существенную роль в обсуждении проблемы химического загрязнения среды как фактора нарушения устойчивости экосистем (и биосферы), ухудшения общего состояния здоровья населения планеты (появление новых видов болезней, мутаций, загрязнение продуктов питания, снижение их питательной ценности для человека).

Учитывая, что в курсе химии рассматривается вопрос о круговороте веществ в природе, а в экологии эта природная закономерность занимает одно из центральных положений, необходимо рассматривать круговорот веществ одновременно и как химическое (превращение веществ и энергии), и как экологическое понятие (биогеохимический круговорот веществ) [23,24].

За основу отбора экологических понятий взята концепция уровней организации жизни. С позиций этой концепции выделены следующие понятия:

• «живой организм» – совокупность признаков, характеризующих живую материю;

• «экологическая система», или «экосистема», – сообщество живых организмов, возникшее в природе на основе взаимодействия организмов между собой и неорганической средой обитания;

• «биосфера» – биологическая система, включающая все живые организмы Земли, глобальная экосистема;

• «биогеохимический круговорот веществ» – повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее циклический характер;

• «экологические факторы» – абиотические, биотические, антропогенные факторы среды, оказывающие влияние на организмы;

• «окружающая среда» – среда обитания и производственной деятельности человека, которую можно рассматривать как целостную систему взаимосвязанных и взаимозависимых природных и антропогенных объектов и явлений (включает природную, техногенную и социальную среды).

Понятие «охрана природы» имеет несколько толкований. Если подходить к природе как универсуму планеты Земля, то оно включает мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения человечества. В более узком смысле это понятие можно рассматривать как систему мер:

• направленных на рациональное использование и воспроизводство природы Земли;

• обеспечивающих сохранение и восстановление (возобновляемых) природных ресурсов;

• предупреждающих прямое и косвенное влияние результатов деятельности общества на природу и здоровье человека;

• поддерживающих в необходимых пределах физические, химические и биологические параметры функционирования природных систем.

К основным природоохранным понятиям следует отнести:

• «рациональное природопользование»;

• «комплексное использование сырья и отходов производства»;

• «кооперирование различных производств»;

• «экологически безопасные технологии»;

• «малоотходные и бессточные технологии»;

• «эффективные методы очистки газообразных, жидких и твердых отходов»;

• «использование вторичного сырья»;

• «производство экологически безопасных продуктов и материалов».

Химические, экологические и природоохранные понятия тесно взаимосвязаны. Например, понятие «химический элемент» позволяет описать качественный и количественный состав живой и неживой (неорганической) природы, ввести понятие «биогенные элементы» (элементы, необходимые для существования живых организмов); сформировать понятие о макро- и микроэлементах и их биологической роли; раскрыть понятие о взаимозаменяемости элементов в природе (в случае их избытка в окружающей среде, например, вследствие чрезмерного загрязнения) и проанализировать негативную сторону этого процесса; сформировать одно из основных понятий экологии – биогеохимический круговорот элементов в природе – и рассмотреть это понятие на атомно-молекулярном, электронном и ионном уровнях, установить причины нарушения биогеохимических циклов [25,26].

При формировании понятия «вещество» (после изучения состава, строения и свойств каждого конкретного вещества) появляется возможность обратить внимание учащихся на некоторые важные биологические функции в организме, на двойственную роль веществ в природе в зависимости от их концентрации (избыток или недостаток одного и того же вещества оказывает на организм различное воздействие). При обсуждении проблемы загрязнения окружающей природной среды целесообразно ввести новые понятия: «предельно допустимая концентрация» (ПДК) для опасных соединений и «лимитирующий экологический фактор», позволяющий учесть процесс биологического накопления вещества при его продвижении по пищевым цепям даже в том случае, если ПДК не превышена. В качестве примера можно рассмотреть случаи образования новых веществ с сильным токсическим действием из веществ, менее токсичных или даже безвредных (превращение нитратов в нитриты и нитрозамины, образование пероксиацилнитратов и озона из углеводородов и оксидов азота при фотохимическом смоге и др.). Следует обсудить также природоохранные мероприятия, направленные на сохранение природной среды и стабильности природных циклических процессов, на предупреждение загрязнения среды обитания живых организмов, на обезвреживание и утилизацию опасных химических соединений.

Понятие «химическая реакция» позволяет раскрыть сущность химических и некоторых биохимических процессов, протекающих в биосфере без учета антропогенного фактора. К ним можно отнести горение, дыхание, гниение, фотосинтез, обменные процессы в почве и водоемах. Химические реакции, обусловленные антропогенным воздействием на окружающую среду, многочисленны. В качестве примеров можно привести образование кислотных осадков, разрушение озонового слоя, фотохимические реакции в атмосфере, коррозию металлов, переход нерастворимых форм соединений в растворимые (соли тяжелых металлов).

Большой интерес представляют химические реакции, лежащие в основе защиты окружающей природной среды. Это процессы нейтрализации, обезвреживания (перевод в нетоксичные соединения), сжигания, получения труднодоступных для организма форм соединений [27].

Если ввести понятие о биокаталитических процессах, то тем самым можно значительно расширить понятие «каталитическая реакция». Важный момент здесь – формирование представлений об изменениях в основных циклах биогеохимических круговоротов веществ, связанных с процессами загрязнения биосферы и приводящих к ацикличности (размыканию природных циклов). Суть таких изменений сводится к нарушению хода биокаталитических процессов (их ускорению или замедлению) из-за изменения концентрации реагирующих веществ или появления других, неспецифичных для природы, биокатализаторов. Здесь можно рассмотреть природоохранные мероприятия, направленные на поддержание равновесных условий биохимических и химических процессов в биосфере.

Формирование знаний об основах химического производства сопровождается развитием представлений о загрязняющих веществах, источниках загрязнения, позволяет анализировать последствия включения в природный круговорот веществ продуктов и отходов химического производства, причины нарушения природного баланса в экосистемах и биосфере в целом [28,29].

Понятие «химическое производство» тесно связано с такими важнейшими природоохранными понятиями, как «малоотходные, экологически безопасные технологии», «водооборотная система», «рациональное природопользование» и др. Здесь необходимо рассмотреть меры по предотвращению загрязнения окружающей среды, ввести понятие о мониторинге (системе наблюдений, оценки и прогноза состояния природной среды), одна из целей которого – выявление антропогенных загрязнений.

Химическое загрязнение природной среды отрицательно сказывается на жизнедеятельности биологических систем, поэтому важно знать ряд закономерностей, позволяющих предположить реакцию организмов на изменение качественного состава внешней среды, возможные негативные процессы, влекущие за собой болезни или даже гибель особи. Эти закономерности касаются распространения элементов в природе, концентрации их в живых организмах, доли участия в обмене веществ (метаболизме), проявления токсичности и конкурентных отношений.

Вот некоторые из них.

1. Количественное содержание элементов в живом веществе находится в обратной пропорциональной зависимости от величины их относительных атомных масс.

2. С возрастанием атомного номера (или относительной атомной массы) снижается содержание элементов в природе, а следовательно, и живом организме, и уменьшается доля их участия в обмене веществ (в метаболизме).

3. С увеличением атомного номера, относительной атомной массы и радиуса атома (в группах периодической системы) возрастает токсичность элементов (в соединениях, а для некоторых элементов и в виде простых веществ, например для ртути: ее пары ядовиты).

4. Элементы-аналоги в природной среде вступают в конкурентные отношения и могут взаимозаменяться в живых организмах, оказывая тем самым влияние на структуру биомолекул, их биохимическую активность, на биохимические процессы. Примерами конкурентных пар, возникающих при загрязнении природной среды, могут служить: Ca – Ba, Zn – Hg, Fe – Ni (Co),

S – Se, Ni – Cd, Zn – Cd, Al – Ca, Al – Fe, Mg – Mn, K – Li, K – Tl, Ca – Sr, Ni – Cu, все галогены между собой.

Сведения о биологической взаимозаменяемости химических элементов иллюстрируют зависимость химических свойств элементов и их биологической функции от строения атомов. Взаимозаменяемость наблюдается всегда при недостатке в почве одних элементов и повышенном содержании других (например, при загрязнении среды). Этот процесс объясняется прежде всего аналогичным строением атомов элементов, сходными химическими свойствами и близкими величинами радиусов ионов. Например, замена натрия или калия в организмах животных и человека на литий вызывает расстройства нервной системы, т.к. в этом случае изменяется разность потенциалов на клеточных мембранах нервных клеток и клетки не проводят нервный импульс. Подобные нарушения приводят к шизофрении.

Кальций при его недостатке в почве заменяется в организме человека на стронций. Ионы стронция настолько близки по характеристикам к ионам кальция, что включаются в обмен веществ вместе с ними, но, обладая большей скоростью обмена и значительно отличаясь по размеру, они постепенно нарушают нормальную кальцификацию скелета. Особенно опасна замена кальция на стронций-90, в огромных количествах накапливающегося в местах ядерных взрывов (при испытании ядерного оружия) или при авариях на АЭС. Этот радионуклид разрушает костный мозг.

Галогены как элементы-аналоги могут очень легко взаимозаменяться в организме. Избыток фтора в организме человека (фторированная вода, загрязнение почвы соединениями фтора вокруг предприятий по производству алюминия и другие причины) препятствует поступлению в него йода. В связи с этим возникают заболевания щитовидной железы и эндокринной системы в целом.

Подобную информацию учащиеся могут получить при изучении темы «Периодическая система», когда будут знакомиться с закономерностями, проявляющимися в главных и побочных подгруппах.

Курс органической химии достаточно сложен для восприятия и усвоения. Учащиеся часто утрачивают к нему интерес уже после первой темы. Однако трудно переоценить мировоззренческое значение изучения органических веществ, из которых состоит весь природный мир Земли и каждый из нас. Введение экологической компоненты поможет ученику взглянуть на этот мир «изнутри», не только раскрыть особенности строения и свойства биомолекул, но и понять причины проблем, которые возникают в природной среде (на уровне отдельных организмов, экосистем и биосферы в целом).

Изучение курса органической химии следует начинать с выявления особенностей атома углерода. Как истинный биофил, углерод обладает небольшой относительной атомной массой, малым радиусом и способностью к образованию кратных связей. Это единственный элемент, который может сохранять в цепях одновременно одинарные, двойные и тройные связи. Ковалентные связи между атомами углерода обеспечивают устойчивость и самосохранение разнообразных сложных структурных образований с большим запасом энергии, что очень важно для жизнедеятельности организмов.

Молекулы на основе атомов углерода, помимо того что прочны, еще и подвижны, гибки и могут геометрически приспосабливаться друг к другу. Повороты отдельных групп в молекулах без разрыва связей C—C (конформационная подвижность) определяют свойства биополимеров. По цепям сопряженных связей в биомолекулах осуществляется передача энергии. Кроме того, если в углеродной цепи содержится более пяти сопряженных связей, то такие молекулы поглощают свет видимой части спектра и приобретают окраску.

Большой интерес у учащихся может вызвать информация о закономерностях, отражающих взаимосвязи в системе «строение — свойства», на примере проявления веществом токсичности [30].

Зависимость токсичности веществ от их строения

1. В гомологическом ряду сила наркотического действия и токсичность веществ возрастают с увеличением числа атомов углерода в молекуле.

2. Разветвление углеродных цепей ослабляет наркотическое и токсическое действие; напротив, при замыкании цепи токсичность веществ возрастает.

3. Наличие кратных связей увеличивает химическую активность органических соединений. Это может вызвать усиление наркотического и токсического эффектов, а порой даже изменить характер воздействия вещества. Например, такие соединения могут обладать раздражающим действием.

4. Воздействие токсического вещества зависит от его концентрации, что зачастую обусловлено такими показателями, как летучесть (зависит от температуры кипения) и растворимость. (Вещество попадает в организм либо в растворенном состоянии, либо непосредственно растворяется в жидкостях организма.)

Знание перечисленных закономерностей поможет учащимся более осмысленно и целенаправленно подойти к анализу структур органических соединений и по возможности прогнозировать их свойства с позиций воздействия на живые объекты природы.

На протяжении всей истории общества отношение человека к природе менялось в зависимости от характера, направленности и масштабов человеческой деятельности. Отношения прямого потребления природных веществ заменялись отношениями «покорения» природы, интенсивной эксплуатацией ее ресурсов.

В современную эпоху происходит переход от идеи абсолютного господства над природой к идее отношений общества и природы как отношений «партнеров». Предотвратить экологический кризис можно только при условии, если человек научится сознательно применять в широких масштабах принципы экологической саморегуляции и предвидеть не только непосредственные, но и отдаленные последствия своего вмешательства в природу.

В основе оценки воздействия многих антропогенных факторов на самого человека и окружающую его среду лежит понимание химических процессов. Именно поэтому в школьном образовании важное место должен занимать химический аспект экологических знаний. Его изучение в традиционном курсе химии позволит понять причины деградации биологических систем вследствие изменения качества окружающей среды. На основании изучения истории атомов на нашей планете можно сопоставить два различных процесса – биогеохимической миграции элементов и техногенной, что в свою очередь позволит оценить уровень антропогенной нагрузки на биосферу. Выявление путей круговоротов веществ в природе способствует решению задачи наиболее естественного и «безболезненного» вхождения промышленного производства в природные циклы. Химия может объяснить, как ведет себя то или иное вещество в атмосфере, водоеме, почве, в организме человека, какое воздействие оказывает оно само и продукты его превращений на природные системы. Химические знания являются неотъемлемой частью знаний об основах охраны природы, рационального природопользования и гуманного преобразования окружающей среды.

Важна и мировоззренческая роль химии. Прежде всего химия выступает как связующее звено неживого с живым. А.П. Виноградов (1935) выявил, что химический состав организмов есть отражение химического состава внешней среды. Он установил, что количественное содержание тех или иных химических элементов находится в обратной пропорциональной зависимости от их относительных атомных масс.

Велика роль химии в формировании фундаментальных знаний о природе, развитии методов исследования. Химия указывает пути получения новых экологически безопасных веществ и материалов. Знакомство с биологическими функциями белков и нуклеиновых кислот дает представление о материальной сущности процессов, совершающихся в клетках на молекулярном уровне. Цель познания природы состоит в удовлетворении запросов общественной практики, материальных и духовных потребностей человека.

В последнее время в обществе появилось искаженное представление о химии (науке и промышленности) как первопричине кризисной экологической ситуации. Полагают, что все беды на Земле происходят из-за чрезмерного увлечения химизацией и что единственной мерой оздоровления природной среды станет отказ от развития химической индустрии. Такой однобокий, неконструктивный подход вызывает устойчиво негативное отношение к химии как к науке в целом, снижает интерес к ее познанию. Кроме того, ученик приучается находить причины всех несчастий в чем-то или ком-то другом, не принимая во внимание свои собственные поступки, не анализируя сущность возникшего конфликта, а ведь ответственность человека базируется прежде всего на критической оценке своей деятельности.

7. 
   
   
   
   жүктеу 420 Kb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: