Обычная картина: цветные разводы на мокром асфальте. Но вот один из прохожих замедлил шаг, полюбовался на радужные разводы: “Все-таки какое это красивое явление-интерференция света на тонких пленках! Значит, там, где другие видели только скучный дождь да грязные лужи, наш прохожий нашёл массу интересного.
Одна из задач учителя как раз состоит в том, чтобы показать, как много вокруг нас интересного - надо только захотеть увидеть. Для этого необходимо иметь не только зоркий глаз, но и определённый минимум знаний. Только тогда можно попытаться дать самостоятельное научное объяснение увиденному, а потом проверить свою гипотезу, обратившись к соответствующей литературе. Главное - расширяются знания, новые факты как бы нанизываются на стержень уже имеющихся, выстраиваются в стройную логическую систему.
Известный американский учёный Лайнус Полинг писал: “Наука играет столь важную роль в современной жизни, что ни один человек без научных знаний не может правильно понять мир, в котором он живёт”. Знания бывают разными. Научные знания отличаются тем, что не только описывают факты, но и дают их толкование. Как отмечал академик Б. М. Кедров, научное познание отвечает на вопросы не только как, но и почему то или иное событие протекает именно так, а не иначе.
Задача учителя показать, какими интересными могут оказаться даже самые элементарные сведения из школьного курса химии, если только приглядеться к ним повнимательнее. Не всегда удаётся быстро найти ответ на тот или иной вопрос, даже если на первый взгляд он довольно простой. Иногда приходится ставить небольшой эксперимент, проводить целое расследование, которое, как и любое расследование, всегда очень увлекательно.
Цель учителя – не только заинтересовать ученика некоторыми интересными фактами, но и показать на ряде примеров возможность научного анализа окружающих нас явлений, причём сделать это по возможности на базе относительно простых представлений, не выходящих далеко за рамки школьной программы.
Приведу пример урока с краткими комментариями.
Как часто мы видим на упаковках пищевых продуктов таблицу “Пищевая ценность”, где указано содержание белков, жиров, углеводов и энергетическая ценность 100 г. продукта. Видим, но задумываемся ли над её содержанием с научной точки зрения? Предлагаю сделать это ученикам 11 класса на уроке по теме:” Расчёты по термохимическим уравнениям”.
В начале урока даю ребятам вопросы для повторения; тепловой эффект реакций, классификация реакций по тепловому эффекту, термохимические уравнения,энтальпия, закон Гесса и следствие из него. Изложить все эти вопросы в правильной последовательности помогает опорная схема “Энтальпия”. Она систематизирует эти законы и понятия.
Рис.1 Энтальпия
Далее подвожу учащихся к самостоятельной формулировке темы урока и обоснованию целесообразности её изучения, акцентируя внимание на большое практическое значение. С помощью термохимических расчётов можно определить энергию химических связей, кристаллической решётки, промежуточных реакций и т. д. Особое значение имеют расчёты тепловых эффектов сгорания, а также теплотворной способности или калорийности пищи.
Значит, в нашем организме тоже протекают экзотермические реакции и важно знать их тепловой эффект, чтобы правильно сбалансировать свой рацион питания. Какие превращения происходят с продуктами питания в нашем организме? Чем отличаются они от химических процессов в промышленности? Как расходуется энергия, поступающая в организм с пищей? Как сбалансировать усвоенную и затраченную энергию?
Вместе с ребятами обсуждаем эти вопросы, обращаясь к рисунку 1 “Химическая энергия и питание”.
Жизнь человека - это непрерывный расход энергии, затраты восполняются единственным способом - питанием. Организм человека можно рассматривать как уникальный химический реактор, в котором происходит огромное количество разнообразных химических превращений. Их главная особенность, в отличие от большинства промышленных химических процессов, в том, что все реакции в организме идут в очень мягких условиях - при невысокой температуре и атмосферном давлении. Кроме того, все эти реакции высокоселективны. Это возможно благодаря работе очень эффективных и специфических катализаторов-ферментов.
Пища в организме расходуется как на построение тканей, так и на выработку энергии. Энергия необходима не только для совершения работы: даже в полном покое человек расходует энергию для поддержания постоянной температуры тела, функционирования внутренних органов. В результате пищеварения углеводы, белки и жиры- главные компоненты пищи- превращаются в более простые соединения, которые разносятся кровью во все клетки организма. Туда же из легких поступает кислород, молекулы которого переносит гемоглобин крови. Окисление органических веществ кислородом до углекислого газа и воды и является основным источником энергии.
Предлагаю решить задачу:
Зная значения теплот образования сахарозы и продуктов реакции её полного окисления, рассчитать тепловой эффект реакции окисления сахарозы:
C12H22O11(т) + 12O2(г) = 12CO2(г) + 11H2O(ж)
H°=12?H°fCO2+11?H°fH2O-?H°fC12H12O11
H°=12*(-393,5)+11(-285,8)-(-2222,36)
H°=-5643,44
Ответ: тепловой эффект реакции окисления сахарозы составляет 5643, 44 кДж.
Этот пример показывает, что химические соединения содержат большой запас энергии; так, энергии, выделяющейся при полном окислении 1 моль (342г) сахарозы, достаточно, чтобы довести до кипения 17л воды комнатной температуры. Очевидно, что даже нескольких кусочков сахара в случае их быстрого и полного окисления было бы достаточно для перегрева организма. Однако процессы окисления в организме очень сильно растянуты во времени. Нормальным считается содержание глюкозы в крови ~ 1г/л.
Избыток глюкозы превращается в другие соединения, которые откладываются в организме. При интенсивной физической работе идёт обратный процесс – недостающая глюкоза вновь поступает в кровь, и её окисление даёт энергию, которая расходуется на сокращение мышц.
Очень важно представлять, хотя бы приблизительно, сколько энергии поступает в организм с пищей и сколько тратится в течение суток. Количество поступающей энергии определяется количеством и качеством пищи. Расход же энергии зависит от возраста и пола человека, интенсивности труда. Например. Молодые мужчины, занятые особо тяжёлым физическим трудом (шахтёры, лесорубы) тратят в сутки примерно 4300 ккал (или 18000 кДж), что вдвое превышает энергетические затраты женщин средних лет, работающих бухгалтерами, секретарями и т.п.
Если энергетический эквивалент потребляемых продуктов питания превышает суммарные затраты энергии, часть веществ откладывается в организме, в основном в виде жира, что приводит к нежелательным последствиям. Таким образом, необходимо либо “отрабатывать” лишние калории, получаемые с пищей, либо ограничивать потребление высококалорийных продуктов. Соотношение между калорийностью некоторых продуктов питания и соответствующими затратами энергии наглядно представлено на рис.2
Рис. 2. Химическая энергия и питание
Дополнительно привожу данные, показывающие энергозатраты человека (в кДж/ч): сон- 290, отдых, сидя – 400, учёба, школьные занятия –460, мытьё посуды –585, стирка, мытьё полов – от 840 до 2900, физзарядка – до 1200. Следует также обратить внимание учащихся на то, что на упаковке некоторых продуктов питания указана их калорийность (1ккал = 4,18 кДж).
Рис.2 Химическая энергия и питание
Далее переходим к решению задач по расчёту калорийности некоторых продуктов питания. Ребята более осмысленно и с большим интересом включаются в работу. В текст задач можно ввести национально – региональный компонент. Например:
АО “Татарстан СЭТЭ” выпускает широкий ассортимент молочных продуктов различной жирности; молоко, кефир, катык, сметану, творог, ацидофилин, биокефир, йогурт и др.
Определите калорийность (кДж, ккал) полстакана:
А) катыка жирностью 3,2 %, содержащего 2,8 г белка;
3.2 г жира; 3,6 г углеводов.
Б) молока жирностью 2.5%, содержащего 2,8 г белка; 2,5г
жира; 4,7 г углеводов.
В) кефира нежирного, содержащего 3,0 г белка; 0,05 г
жира; 3,8 г углеводов.
Формулы углеводов и жиров примите С6Н12О6 и С57Н110О6 соответственно, а калорийность белков 16 кДж/г
С6Н12О6(т) + 6О2(г) = 6СО2(г) +6Н2О (ж); ?Н= -2820 кДж
2С57Н110О6 (т) + 163О2(г)=144СО2(г) + 110Н2О (ж); ?Н= -75520 кДж
Так, в течение урока, ребята провели увлекательное расследование; на базе простых представлений по теме: “Энергетика химических превращений” дали научный анализ едва заметной на упаковке таблицы “Пищевая ценность”.