[ НГПУ >> ЕГФ >> Кафедра неорганической химии >> Элективные курсы]
Элективный курс «Биогенные элементы»
Пояснительная записка
В последние десятилетия отмечается ухудшение состояния общественного здоровья, связанное с воздействием факторов социально- экономического и экологического характера. Особое место в нарушении физиологических процессов и формировании патологических проявлений у человека принадлежит окружающей среде. Важнейшую роль в жизнедеятельности человека играют химические элементы. Изменения в биосфере приводят к нарушениям баланса химических элементов в организме человека и животных, что влечет за собой тяжелые последствия. Как сохранить свое здоровье и противостоять пагубному воздействию экологического кризиса, как предотвратить заболевания, связанные с дефицитом или избытком макро- и микроэлементов в организме, - на эти и многие другие вопросы вы найдете ответы в данной программе. Этот курс направлен на формирование у школьников бережного отношения к своему организму, пропаганду здорового образа жизни.
Данный элективный курс предназначен для учащихся 11 классов в рамках естественно- математического профиля и рассчитан на 68 часов. Программой предусмотрено изучение теоретических вопросов, выполнение практических работ, решение задач с экологическим и валеологическим содержанием, проведение экскурсий.
Этот курс нацелен на поддержку профильных общеобразовательных предметов, представленных в естественно-математическом профиле, - химии и биологии, он способствует определению общей направленности соответствующего профиля. В нем органично сочетаются исторические факты, связанные с открытием химических элементов, с химизмом превращений атомов и воздействием веществ на организм человека в целом.
Основные задачи курса
· расширить и углубить знания учащихся о формах существования химического элемента
· показать важность химических элементов в жизнедеятельности человека
· раскрыть причины изменений, происходящих в биосфере и нарушений баланса химических элементов в организме человека и животных
· познакомить учащихся с заболеваниями, связанными с дефицитом или избытком макро- и микроэлементов в организме человека
· сформировать понятие о жизненно важных и токсичных химических элементах
· способствовать формированию умений по проведению химического эксперимента
· развивать учебно-коммуникативные умения школьников
· прививать культуру здорового образа жизни
· совершенствовать умения работы с литературой и средствами мультимедиа
Требования к уровню подготовки выпускников
Требования к усвоению теоретического учебного материала.
Учащиеся должны знать:
· классификацию химических элементов
· особенности строения атомов различных химических элементов
· нахождение в природе
· свойства химических элементов и их соединений
· круговороты биогенных химических элементов в биосфере
иметь представление:
· о физиологической роли биогенных элементов
· об использовании соединений различных химических элементов человеком в промышленности, сельском хозяйстве и медицине
Требования к выполнению химического эксперимента.
· уметь грамотно проводить химические эксперименты
· наблюдать, анализировать и обобщать полученные данные
· знать правила техники безопасности при работе в химической лаборатории.
Требования к решению расчетных задач.
· грамотно проанализировав текст задачи, предложить различные варианты её решения
· уметь решать расчётные задачи экологического и валеологического содержания различных типов и уровней сложности.
Основные компоненты содержания курса
Тема 1. Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека. Учение о биосфере. Химические элементы и их классификация. Макро-, микро- и ультрамикроэлементы. Суточная потребность. Биологическая роль химических элементов. Жизненно необходимые химические элементы. Содержание основных химических элементов в теле человека. Взаимодействие химических элементов в организме человека. Синергизм и антагонизм. Роль химических элементов в механизмах адаптации человека к воздействиям неблагоприятных факторов. Поступление и распределение химических элементов в организме человека.
Биосфера как источник химических элементов. Роль природных факторов в поддержании элементного гомеостаза в организме. Неравномерность распределения химических элементов в биосфере. Различия элементного наземных и морских организмов. Концентрирование химических элементов в пищевых цепях. Регуляция баланса химических элементов между внутренней и внешней средой организма человека.
Практические работы.
Практическая работа №1. Качественный анализ органических веществ.
Тема 2. Химические элементы в современной медицине. Учение о биотиках. Биотики и антибитики. Микроэлементозы и атомовитозы человека. Техногенные микроэлементозы. Концепция биоэлементов.
Современные методы определения химических элементов.
Практические работы.
Практическая работа №2. Тонкослойная хроматография.
Практическая работа №3. Разделение катионов меди, кадмия, железа, кобальта методом тонкослойной хроматографии Разделение катионов меди, кадмия, железа, кобальта методом тонкослойной хроматографии.
Экскурсия в биохимическую лабораторию районной больницы.
Тема 3. Химические элементы-органогены. Кислород. История открытия. Особенности строения атома. Нахождение в природе. Аллотропные видоизменения кислорода и их свойства. Окисление и горение. Применение кислорода и его соединений. Озон. Озонный щит. Физиологическая роль кислорода. Круговорот кислорода в биосфере.
Углерод. История открытия. Особенности строения атома. Нахождение в природе. Аллотропия. Применение углерода и его соединений в промышленности и медицине. Углерод – основа жизни на земле. Физиологическая роль углерода. Круговорот углерода в биосфере.
Азот. История открытия. Особенности строения атома. Нахождение в природе. Применение азота и его соединений. Физиологическая роль азота. Круговорот азота в биосфере.
Практические работы.
Практическая работа №4. Обнаружение белка в биологическом материале.
Тема 4. Химические элементы - макроэлементы. Щелочные металлы. Натрий и калий. Особенности строения атомов. Нахождение в природе. Применение этих металлов и их соединений в промышленности и медицине. Физиологическая роль натрия и калия.
Щелочно-земельные металлы. Кальций и магний. Особенности строения атомов. Нахождение в природе. Применение этих металлов и их соединений в промышленности и медицине. Физиологическая роль кальция и магния.
Фосфор. Особенности строения атома. Аллотропные модификации фосфора. Красный и белый фосфор. Нахождение в природе. Применение фосфора и его соединений. Физиологическая роль фосфора. Обмен фосфора в организме человека.
Практические работы.
Практическая работа №5. Обнаружение катионов кальция и магния в костной ткани.
Практическая работа №6. Качественные реакции на катионы – компоненты биологических сред.
Практическая работа №7. Качественные реакции на анионы – компоненты биологических сред.
Тема 5. Химические элементы - жизненно необходимые элементы. Металлы побочных подгрупп, встречающиеся в живых организмах. Железо. Цинк. Медь. Марганец. Молибден. Кобальт. Хром. Особенности строения атомов. Нахождение в природе. Применение в промышленности и медицине. Физиологическая роль.
Неметаллы. Йод. Селен. Особенности строения атомов. Нахождение в природе. Применение в промышленности и медицине. Физиологическая роль.
Тема 6. Химические элементы – условно жизненно необходимые элементы. Металлы. Литий. Ванадий. Никель. Строение атомов. Физиологическая роль в живых организмах.
Неметаллы. Фтор. Бор. Кремний. Их физиологическое значение.
Тема 7. Химические элементы – токсичные микроэлементы. Олово. Серебро. Стронций. Титан. Алюминий. Свинец. Кадмий. Ртуть. Висмут. Физиологическое воздействие на живые организмы. Природные и промышленные источники загрязнений.
Практические работы.
Практическая работа №8. Итоговая практическая работа по определению катионов и анионов.
Учебно-тематический план
Тема 1. Химические элементы в окружающей среде и их роль в жизнедеятельности человека. 8 часов.
1. 1. Учение о биосфере.
2. 2. Химические элементы и их классификация.
3. 3. Биологическая роль химических элементов. (задачи)
4. 4. Содержание основных химических элементов в теле человека. Решение задач с валеологическим содержанием.
5. 5. Взаимодействие химических элементов в организме человека.
6. 6. Биосфера как источник химических элементов.
7. 7. Концентрирование химических элементов в пищевых цепях.
8. 8. Практическая работа №1. Качественный анализ органических веществ.
Тема 2. Химические элементы в современной медицине. 7 часов.
9. 1. Учение о биотиках.
10. 2. Биотики и антибитики.
11. 3. Микроэлементозы и атомовитозы человека.
12. 4. Современные методы определения химических элементов.
13. 5. Практическая работа №2. Тонкослойная хроматография.
14. 6. Практическая работа №3. Разделение катионов меди, кадмия, железа, кобальта методом тонкослойной хроматографии Разделение катионов меди, кадмия, железа, кобальта методом тонкослойной хроматографии.
15. 7. Экскурсия в биохимическую лабораторию районной больницы.
Тема 3. Химические элементы-органогены. 21 час.
16.1. Кислород. Особенности строения атома.
17. 2. Нахождение в природе.
18. 3. Аллотропия. Кислород и озон.
19. 4. Химические свойства кислорода и озона.
20. 5. Применение кислорода и его соединений в промышленности и медицине.
21. 6. Озон. Озонный щит. Решение задач с экологическим содержанием.
22. 7. Физиологическая роль кислорода.
23. 8. Круговорот кислорода в биосфере.
24. 9. Углерод. Особенности строения атома.
25. 10. Нахождение в природе.
26. 11. Аллотропные видоизменения углерода.
27. 12. Химические свойства углерода.
28. 13. Применение углерода и его соединений в промышленности и медицине.
29. 14. Физиологическая роль углерода.
30. 15. Круговорот углерода в биосфере.
31. 16. Азот. Особенности строения атома.
32. 17. Нахождение в природе.
33. 18. Применение азота и его соединений человеком.
34. 19. Физиологическая роль азота.
35. 20. Круговорот азота в биосфере. Решение задач с экологическим содержанием.
36.21. Практическая работа №4. Обнаружение белка в биологическом материале.
Тема 4. Химические элементы - макроэлементы. 19 часов.
37.1. Щелочные металлы.
38.2. Натрий и калий. Особенности строения атома.
39. 3. Нахождение в природе.
40. 4. Применение этих металлов и их соединений в промышленности и медицине.
41. 5. Физиологическая роль натрия и калия.
42. 6. Щелочно-земельные металлы.
43. 7. Кальций и магний. Особенности строения атомов.
44. 8. Нахождение в природе.
45. 9. Применение этих металлов и их соединений в промышленности и медицине.
46.10. Физиологическая роль кальция и магния.
47.11. Практическая работа №5. Обнаружение катионов кальция и магния в костной ткани.
48. 12. Фосфор. Особенности строения атома.
49. 13. Аллотропные модификации фосфора. Красный и белый фосфор.
50. 14. Нахождение в природе.
51. 15. Применение фосфора и его соединений.
52. 16. Физиологическая роль фосфора. Обмен фосфора в организме человека.
53. 17. Практическая работа №6. Качественные реакции на катионы – компоненты биологических сред.
54. 18. Практическая работа №7. Качественные реакции на анионы – компоненты биологических сред.
55. 19. Тестирование.
Тема 5. Химические элементы - жизненно необходимые элементы. 6 часов.
56. 1. Металлы побочных подгрупп, встречающиеся в живых организмах. (Железо. Цинк. Медь. Марганец. Молибден. Кобальт. Хром).
57. 2. Нахождение в природе.
58. 3. Применение в промышленности и медицине.
59.4. Физиологическая роль.
60. 5. Неметаллы. Йод. Селен.
61. 6. Физиологическая роль.
Тема 6. Химические элементы – условно жизненно необходимые элементы. 2 часа.
62.1. Литий. Ванадий. Никель. Физиологическая роль в живых организмах.
63. 2. Фтор. Бор. Кремний. Их физиологическое значение.
Тема 7. Химические элементы – токсичные микроэлементы. 5 часов.
64.1. Физиологическое воздействие тяжелых металлов на живые организмы.
65.2. Природные и промышленные источники загрязнений.
66.3. Решение задач с экологическим и валеологическим содержанием.
67. 4. Практическая работа №8. Итоговая практическая работа по определению катионов и анионов.
68. 5. Итоговое занятие.
Формы контроля уровня достижений учащихся и критерии оценки
В данном курсе промежуточный контроль достижений является инструментом положительной мотивации и своевременной коррекции работы учащихся и учителя.
В качестве форм промежуточного контроля рекомендуется использовать рефераты, тестовые задания, расчетные задачи с экологическим и валеологическим содержанием, творческие и исследовательские работы, экспертные оценки педагогов по другим предметам.
Практические работы
Практическая работа №1. Качественный анализ органических веществ.
1.Определение углерода и водорода в органическом веществе.
Около 0,5 г. испытуемого вещества, например сахара, смешайте с избытком оксида меди (II) и внесите в пробирку, в которую вставьте ватный тампон, положите на него несколько кристалликов обезвоженного медного купороса, закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец трубки погрузите в пробирку с известковой водой. Смесь оксида меди с испытуемым веществом нагрейте, начиная сверху. Что образуется на холодных стенках пробирки и изменяется ли цвет кристаллов сульфатов меди (II), помещённых на тампоне? Изменяется ли раствор с известковой водой в пробирке? Дайте объяснения этим явлениям и напишите уравнения соответствующих реакций, если известно, что свекловичный сахар имеет формулу С12Н22О11.
2.Определение азота в органическом веществе.
Небольшое количество испытуемого азотосодержащего вещества смешивайте с таким же количеством твёрдого гидроксида натрия или с натронной известью. Смесь нагрейте в пробирке. Происходят сложные химические реакции, одним из продуктов которых является аммиак, его обнаруживают по запаху или по изменению окраски влажной лакмусовой бумажки.
Практическая работа №2. Тонкослойная хроматография.
Учитель демонстрирует:
1. Нанесение тонкого слоя оксида алюминия на пластинку и выравнивание его поверхности с помощью валика.
2. Нанесение пробы вещества на сорбент с помощью капилляра.
3. Обработку смеси растворителя (растворами аммиака, сульфида натрия, четырёххлористым углеродом).
4. Выявление окраски на пластинке и фиксация линии фронтов.
После этого учащиеся выполняют самостоятельную работу. В пробирку со спиртовым раствором йода добавляют немного активированного угля, закрывают пробкой и смесь сильно встряхивают. Наблюдается обесцвечивание спиртового раствора йода в результате адсорбции йода активированным углём. Дайте объяснение этому явлению и запишите результаты опыта.
Наполните колонку измельчённым активированным углём и влейте в неё небольшое количество 5% раствора перманганата калия. Смесь отфильтруйте. Раствор обесцвечивается. Дайте объяснение этому явлению, запишите результаты опыта в тетрадь.
Практическая работа №3. Разделение катионов меди, кадмия, железа, кобальта методом тонкослойной хроматографии.
На стеклянную пластинку нанесите тонкий слой сорбента – оксида алюминия. На слой сорбента на одном уровне (линии старта) нанесите растворы солей железа, кобальта и никеля одной концентрации (диаметр пятен должен быть минимальным, а расстояние между ними 10 миллиметров). После этого поместите пластинку под углом 150 в эксикатор с растворителем для хроматографирования. Фронт растворителя должен находиться на расстоянии 1 см. от верхнего края пластинки. Через 30 мин. выньте пластинку, просушите её при комнатной температуре и проявите путём опрыскивания из пульверизатора раствором аммиака и роданидом аммония. На пластинке будет заметна красная зона (Со3+), розовая (Со2+), голубая (Ni2+).
На готовую хроматографическую пластинку нанесите растворы сульфата меди и сульфата кадмия. Повторите с ними предыдущую процедуру. После просушивания пластинки проявите её 1 н раствором сульфида натрия путём опрыскивания. На пластинке на определённом расстоянии от линии старта обнаружится чёрное пятно Си2+ и жёлтое пятно Сd2+.
Практическая работа №4.Обнаружение белка в биологическом материале.
Осаждение казеина в молоке. В стакан налейте 20 мл молока, разбавьте его на 2/3 водой и прибавьте по каплям 0,1% раствор уксусной кислоты до прекращения выделения осадка. Осадок отфильтруйте. Часть осадка (казеин и жир) обработайте 1% раствором гидроксида натрия, казеин растворится, а жир эмульгируется. Полученный раствор отфильтруйте. Проведите цветные реакции на белки.
Практическая работа №5.Обнаружение катионов кальция и магния в костной ткани.
В колбу поместите 5 г костной ткани, прилейте к ней 25 мл 0,5% раствора серной кислоты и оставьте на сутки. Неорганические вещества костной ткани растворяются. Отфильтруйте 5 мл смеси в пробирку и добавьте 3 капли насыщенного раствора оксалата аммония. Выпадет осадок оксалата кальция. Полученный осадок отфильтруйте и к фильтрату добавьте концентрированный раствор аммиака. Выпадет осадок фосфата магния – аммония.
Практическая работа №6. Качественные реакции на катионы – компоненты биологических сред.
1. В пробирку с 2 мл раствора хлорида магния прилейте раствор гидроксида аммония до образования осадка. Затем добавьте раствор хлорида аммония, осадок растворится. Если прилить 5-6 капель гидрофосфата натрия, образуется осадок двойной соли.
2. К 3 мл раствора хлорида бария добавьте 6 капель сульфата натрия. Образуется осадок. Проверьте его отношение к соляной и уксусной кислотам. В какой цвет окрашивается пламя при внесении в него кристаллов хлорида кальция. Напишите уравнение реакции образования осадка сульфата кальция.
3. К 4 мл раствора сульфата меди добавьте 5 капель раствора сульфида натрия. Что образуется в растворе? Напишите уравнение соответствующих реакций.
4. К 4 мл раствора хлорида цинка добавьте по каплям 2 н раствора гидроксида аммония до образования осадка. Поверьте, растворяется ли осадок гидроксида цинка в избытке гидроксида аммония и хлорида аммония.
5. К 5 мл раствора хлорида железа (III) добавьте 5 капель роданида аммония, появляется тёмно-красное окрашивание. Проделайте реакцию на хлорид железа (III) с сульфитом натрия и красной кровяной солью. Напишите уравнение соответствующих реакций.
Практическая работа №7. Качественные реакции на анионы – компоненты биологических сред.
1. Определение сульфат – аниона. К 3 мл раствора сульфата натрия добавить 5 капель хлорида бария до образования белого осадка. Проверьте, растворяется ли данный осадок в соляной и азотной кислотах.
2. Определение фосфат – аниона. К 3 мл раствора хлорида магния прибавить столько же раствора гидроксида аммония, образовавшийся осадок растворить хлоридом аммония. Полученный раствор нагреть и добавить в него раствор гидрофосфата натрия до появления белого кристаллического осадка – магния-аммония фосфата. Подействуйте на анион фосфорной кислоты хлоридом бария.
3. Определение хлорид – аниона. К раствору хлорида натрия добавьте несколько капель нитрата серебра. Разделите осадок на 2 части, к одной из них добавьте азотную кислоту, а к другой - избыток гидроксида аммония. В каком случае осадок растворяется?
Практическая работа №8. Итоговая практическая работа по определению катионов и анионов.
1. Обнаружьте в растворе качественными реакциями следующие катионы: а) бария, меди и натрия; б) кальция, калия и железа(III); в) магния, цинка и бария.
2. Обнаружьте в растворе качественными реакциями анионы: а) в растворах серной и соляной кислот; б) фосфорной и угольной кислот.
3. Используя метод тонкослойной хроматографии, разделите следующие катионы: меди, никеля и кадмия.