Предлагаемая программа предназначена для учащихся, получающих полное среднее образование в Иркутском лицее № 1, имеющем техническую и физико-математическую направленность.
Программа расчитана на 36 часов, которые распределяются следующим образом: 10-й класс – 2 полугодие, 17 часов; 11-й класс – 1 полугодие. Курс начинается со второго полугодия 10-го класса, т.к. ему должно предшествовать изучение темы “Молекулярно-кинетическая теория газов. Термодинамика” в курсе физики 10-го класса.
Название элективного курса “Химическая кибернетика” появилось не случайно. Известно, что слово “кибернетика” было взято Н.Винером (основоположником этой науки) из греческого языка (кибернетика-искусство управления). Из словосочетания “Химическая кибернетика” можно прогнозировать, что речь пойдет о катализаторах – этих “могущественных химиках”, позволяющих управлять химическими процессами, направлять их в нужное для человека русло.
Катализ играет ведущую роль не только в промышленности, но и в живой природе. Вся сложная система управления жизненными процессами в организмах основана на катализе. Сложные комплексы химических превращений, обусловливающие брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков и других соединений, преобразование химической энергии в механическую и т.п., осуществляется с помощью ферментов-катализаторов белковой природы, образующихся в живых организмах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. В настоящее время широко ведутся исследования синтетических органических катализаторов-органических полупроводников, комплексных соединений, хелатных полимеров и др., характеризующихся более простым составом и строением по сравнению с ферментами, но моделирующих в известной степени их действия.
ЦЕЛЬ КУРСА – сформировать межпредметные связи между химией, с одной стороны, и физикой и биологией – с другой.
Выяснив более подробно механизм действия катализаторов, познакомившись с существующими теориями, у учащихся есть возможность самим (с помощью дополнительной литературы и знаний, полученных на занятиях по биологии) предположить механизм действия ферментов. Практически все реакции в живых организмах ферментативные. И идут они при невысоких температурах и атмосферном давлении, поэтому химикам есть чему поучиться у природы. Более того, ведь весь процесс самоорганизации осуществляется вопреки термодинамическим запретам. Чтобы это понять, необходимо более подробно познакомиться с термодинамикой, чему посвящена 1 часть курса.
Изучение основ химической термодинамики основано на знаниях о термодинамике из курса физики. Установление МПС помогает устранить изолированность учебных предметов.
Программой курса предусмотрен выбор темы слушателями для курсовой работы с последующей публичной защитой, желательно в электронном варианте.
Установление творческих связей с биохимической лабораторией масложиркомбината дает возможность проведения исследовательской работы, которую лицеисты могут выполнять индивидуально или в группе.
Предлагаемый элективный курс “Химическая кибернетика” предназначен для любознательных учащихся, интересующихся наукой химией. Углубленное изучение основ химической термодинамики с подробным разбором задач и с последующим самостоятельным решением задач на закон Гесса выходит за рамки стандартной программы для общеобразовательных школ. В то же время энтропийный и энтальпийный факторы имеют огромное значение в природе, ознакомление с ними придает мышлению большую широту и углубляет представления об окружающем нас мире. Интеллектуально развитые, думающие учащиеся хотят знать, почему идут химические реакции и можно ли ими управлять.
Учитывая, что большинство выпускников нашего лицея поступает в ИрГТУ, где почти на всех технических специальностях преподается химия, изучение курса “Химическая кибернетика” поможет им быстрее и качественнее адаптироваться в ВУЗе.
Преподавание химии в лицее №1 ведется по программе для 8-11 классов общеобразовательных школ (авторы: Л.С.Гузей, Р.П.Суровцева).В учебнике “Химия 10” есть понятие о термохимических расчетах, но эта тема относится к углубленному изучению и при прохождении программного материала нет возможности серьезно в этом разобраться.
ЦЕЛИ курса “Химическая кибернетика”:
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
В результате прослушивания курса “Химическая кибернетика” учащиеся должны научиться:
Предлагаемые темы для рефератов:
Тема 1. Энергетические соотношения в химических системах (8 час.).
Химические реакции как источники или потребители энергии. Тепловой эффект хим. реакции. Внутренняя энергия и энтропия. I закон термодинамики. Термохимия. Закон Гесса и его следствия. Энтальпия образования химических соединений. Энергетические эффекты при фазовых переходах. Энтальпийные диаграммы.
Экспериментальное определение и расчет теплот образования. Энергия и питание.
Теплотворная способность топлива и пищи. Энергия и питание.
Термохимические расчеты.
Практическая работа: проведение экзо- и эндотермических реакций.
Тема II. Причины эндотермических реакций (9 час.).
Самопроизвольные процессы, энтальпия и энтропия. Энтропия – мера беспорядка. Энтропия и ее изменения при химических процессах и фазовых переходах. Второй закон термодинамики. Энергия Гиббса и ее изменение при химических процессах. Стандартная энергия Гиббса. Энтальпийный и энтропийный факторы.
Направление реакции и химическое равновесие. Термодинамические расчеты.
Зачет по темам I и II.
Тема III. Могущественный химик – катализатор (8 час.).
Скорость химических реакций (химическая кинетика). Энергия активации химической реакции.
Уравнение Аррениуса и его практическое использование.
Графическое изображение хода химической реакции.
Гомогенные и гетерогенные системы. Классификация каталитических процессов. Теории катализа. Гомогенный и гетерогенный катализ. Избирательность действия катализаторов. Важнейшие каталитические процессы в промышленности.
Катализатор на службе охраны окружающей среды.
Тема IV. Ключи жизни – ферменты (9 час.).
Катализ и “возбудители жизни” (установление межпредметных связей с биологией).
Учение о ферментах. Белковая природа ферментов. Ферменты – биологические катализаторы. Строение ферментов. Специфичность действия ферментов. Модель “ключа и замка”. Факторы, влияющие на активность ферментов. Согласованность действия ферментов. Роль ферментов в медицине и в питании человека.
Роль катализаторов в эволюционном процессе происхождения жизни.
Получение катализаторов, подобных ферментам – мечта химиков.
Практическое занятие: Разложение перекиси водорода ферментами и неорганическими катализаторами.
Экскурсия в биохимическую лабораторию.
Календарно-тематический план элективного курса “Химическая кибернетика.
Часть I. (10-й класс). Основы химической термодинамики.
№ недели | Вид занятия | Тема | Кол-во часов |
1 | вводное | Виды энергии. Внутренняя энергия тела. Примеры экзо- и эндотермических реакций. (МЖ с физикой). | 1 |
2, 3 | лекция-беседа | Понятие о химической термодинамике: внутренняя энергия, энтальпия. Тепловой эффект хим. реакции. Термохимическое уравнение. Закон Гесса и его следствия. | 2 |
4 | лаб. занятие | Проведение эндо- и экзотермических реакций. | 1 |
5 | практ. занятие | Обучение работы со справочной литературой. | 1 |
6,7 | практ. занятие | Расчеты тепловых эффектов хим. реакций, практическое проведение которых невозможно. | 2 |
8 | лекция | Энтропия – мера неупорядоченности системы, мера беспорядка. | 1 |
9 | лекция | Энергия Гиббса. Энтальпийный и энтропийный факторы. | 1 |
10,11 | практ. занятие | Термодинамические расчеты. | 2 |
12,13 | семинар | Можно ли невозможную реакцию сделать возможной? (Обсуждение лекционного материала. Решение задач по хим. термодинамике). | 2 |
14 | Контрольная работа. | 1 | |
15 | практ. занятие | Энергия и питание. (Выступления учащихся). | 1 |
16 | лекция-диспут | Почему идут термодинамически запрещенные биохим. реакции? | 1 |
17 | Зачет | 1 |
Лекции – 6 час.
Практические занятия – 8 час.
Лабораторные занятия – 1 час.
Контрольная работа – 1 час.
Зачет – 1 час.
_________________________
Итого – 17 час.
Часть II. (11-й класс). Химическая кибернетика.
№ недели | Вид занятия | Тема | Кол-во часов |
1 | семинар | Могущественный химик – катализатор (обзор известных органических и неорганических реакций). | 1 |
2 | лекция | Можно ли изменить направление реакции? | 1 |
3,4,5 | групповая работа | Работа с литературой: учебниками для вузов, научно-популярной литературой, химической энциклопедией. Темы для выступлений:
| 3 |
6 | лекция | Катализатор на службе охраны окружающей среды. Выбор темы для курсовой роботы. | 1 |
7,8 | лекция | Катализ в живой природе – химическая кибернетика. Почему все биохимические реакции, происходящие в живых органах, являются каталитическими? | 2 |
9 | лаб. занятие | Разложение перекиси водорода ферментами и неорганическими катализаторами. | 1 |
10,11 | экскурсия | Экскурсия в биохимическую лабораторию масложиркомбината. Выбор темы исследовательского проекта. | 2 |
12 | контр. занятие | Тестовая контрольная работа по теме “Катализ”. | 1 |
13,14 | лекция | Катализ и “возбудители жизни” (МПС с биологией). | 2 |
15 | дискуссия | Роль катализаторов в эволюционном процессе происхождения жизни. Получение катализаторов, подобных ферментам – мечта химиков. | 1 |
16,17 | Защита курсовых работ по теме “Жизнь и регулирование” | 2 |
Лекции – 6 час.
Практические занятия – 7 час.
Лабораторные занятия – 1 час.
Контрольная работа – 1 час.
Защита курсовых – 2 час.
_________________________
Итого – 17 час.
Литература для учителя.
Литература для учащихся.