Урок химии по теме: "Химическая эволюция". 10-й класс

Разделы: Химия

Класс: 10

Тип урока: систематизация и обобщение изученного материала.

Технология: личностно-ориентированная.

Форма проведения: фронтальная.

Время проведения: заключительный урок по курсу органической химии, 45 – 60 минут (в зависимости от темпа урока, уровня подготовки обучающихся).

Оборудование: экран, мультимедиапроектор, таблицы: “Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева”, “Строение белка”, “Нуклеиновые кислоты”, компьютерные презентации учащихся.

Цель урока: сформировать у учащихся представление о единстве и многообразии окружающего мира.

Задачи:

  • выявить источники химической эволюции;
  • определить направление эволюционных процессов;
  • установить случайные и закономерные факторы эволюционных процессов.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент

– Каждый человек талантлив по-своему. Важно лишь открыть в себе эти таланты и дать им возможность проявиться в любых видах деятельности.

II. Подготовка к познавательной деятельности.

Сообщение темы урока. Информация об уроке: цель, задачи.

Вступительное слово учителя. На уроках химии мы, чаще всего, знакомимся со свойствами веществ, их строением и применением. Однако для нас без ответа остаются вопросы: откуда взялись вещества, в чем причина их появления, случайность это или закономерность. Мы постараемся дать ответы на эти вопросы через призму эволюционных процессов (от лат evolutio – развертывание) – непрерывного количественного и качественного изменения и развития веществ. И потому проблему урока сформулируем следующим образом: химическая эволюция – случайность или закономерность? В решении данной проблемы будем опираться на те знания, которые были получены на уроках химии.

III. Познавательная деятельность

Блок 1. Сотворение мира атомов. От атомов к молекулам

Учитель. Представьте, что вы прилетели на неизвестную планету и обнаружили там разумную жизнь, но на ранней стадии ее развития. Какую бы короткую фразу вы сказали братьям по разуму, чтобы ускорить развитие этой цивилизации?

Ответы учащихся.

Учитель. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман считал (и с ним согласны многие ученые), что эта фраза должна быть такой: “Мир состоит из атомов”. По мнению ученого, именно из этой основной посылки можно развить научную методику познания мира и, соответственно, достичь технологического прогресса. Что сегодня нам известно об атомах?

Ответы учащихся.

Учитель. Конечно, понятие “атом” – чисто гипотетическое. Было время, когда ученые отказывались верить в его существование. А немецкий химик Вильгельм Оствальд, лауреат Нобелевской премии, один из основателей физической химии, даже умудрился написать трехтомный учебник химии, в котором слова “атом” не упоминается ни разу. Сейчас вряд ли найдется человек, отрицающий существование атомов. Ведь ученые могут предъявить ему полученные с помощью туннельного микроскопа “фотографии” атомов, составляющих кристаллическую решетку, и даже отдельных атомов, входящих в состав молекул. Еще древние ученые предполагали, что существуют атомы разные размеров и формы. Атомы могут сцепляться друг с другом. Скомбинировав атомы иначе (как детали в конструкторе) можно превратить одно вещество в другое. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, не так уж далеки от современных представлений об атоме. Сегодня установлено, что весь окружающий нас мир построен из довольно ограниченного числа определенного вида атомов - элементов – в этом древние ученые не ошиблись. Откуда же взялись сами элементы. Современная наука делает такое предположение.

Демонстрация 1-ой части видеофрагмента (Приложение 1) “Возникновение жизни на Земле”. Можно предложить одному из учащихся прокомментировать содержание видеофрагмента.

– Вначале материя была сосредоточена в одной точки с невероятно большой плотностью – 1080 г/см3 и высокой температурой – 1027 К. В результате так называемого Большого взрыва эта сверхплотная и сверхгорячая точка начала быстро расширяться. Материя стала стремительно разлетаться и остывать. Чем ниже температура, тем выше возможность образования разнообразных структур (даже при комнатной температуре могут существовать миллионы различных органических соединений, при 500оС – лишь немногие из них, при 1000оС, вероятно, не может существовать ни одно из них). По некоторым оценкам, через 3 минуты после взрыва, когда температура снизилась примерно до 1 млрдо.К, начался процесс соединения протонов и нейтронов в ядра различных элементов. Из-за слишком высокой температуры эти элементы не могли присоединять электроны и образовывать атомы. Первичная Вселенная состояла из водорода (примерно 75%) и гелия с примесью небольшого количества лития. Этот состав не менялся примерно 500 тыс. лет. Вселенная продолжала расширяться, остывать и становилась все более разреженной. Когда температура снизилась до 3000оК, электроны начали соединяться ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Бесконечному расширению Вселенной противодействовали силы всемирного тяготения (гравитации). Гравитационное сжатие материи сопровождалось повторным сильным разогревом, в результате чего начался термоядерный синтез ядер гелия, а долее – слияние ядер гелия с образованием ядер углерода и кислорода. Из углерода и кислорода возможен синтез более тяжелых элементов. Таким образом, соотношение различных элементов на Земле – отголосок бурных процессов, проходящих в космосе миллиарды лет назад.

Учитель. Был ли этот процесс случайным, или он является закономерным следствием изменения и развития материи? Каково ваше мнение по этому поводу?

Ответы учащихся.

Учитель. Итак, установлено, что в результате процессов, начавшихся во Вселенной более 10 млрд. лет назад, межзвездная среда обрела все известные химические элементы.

При благоприятных условиях атомы разных элементов могут соединяться между собой в более сложные образования – молекулы. Это могут быть как простейшие двухатомные частицы, например: молекулярный водород Н2, гидроксил -ОН, цианид -CN, так и очень сложные образования, например: молекулы наследственности ДНК, содержащие миллионы атомов. (Во время рассказа возможно составление следующей схемы на магнитной доске).

Процессы объединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной и идут всегда и везде, где для этого есть подходящие условия. В космосе обнаружены молекулы водорода, воды и многих других веществ, в том числе и довольно сложных органических соединений. За последние 20 лет астрономы нашли в космосе более 200 различных молекул по их радиоизлучению.

Задание 1. Назовите следующие вещества, определите их принадлежность к тому или иному классу органических соединений:

Учитель. Какие условия были необходимы для того, чтобы инициировать реакции химического взаимодействия между веществами?

Ответы учащихся.

Задание 2. Составьте уравнения реакций получения уксусной кислоты из углерода и водорода, укажите условия протекания реакций, назовите продукты.

Запись решения на доске одним из учащихся:

Учитель. Возможно, именно в процессе органического синтеза на протяжении миллиардов лет и создавалось окружающее нас богатейшее разнообразие соединений из имевшихся изначально в Солнечной системе элементов. Как вы считаете, насколько далеко может продвинуться усложнение молекул в межзвездной среде? Не могут ли в результате этого возникнуть какие-либо формы жизни?

Ответы учащихся.

Учитель. К сожалению, наука пока не в состоянии ответить на эти вопросы. Ведь еще точно неизвестно, как возникла жизнь на Земле и действительно ли она возникла на нашей планете, а не была каким-то образом “занесена” из космоса… Подтверждений тому мы сегодня находит достаточное количество.

Блок 2. От простого к сложному

Учитель. В 1995 году группа американских астронавтов обнаружила в плотном облаке межзвездного газа и пыли вблизи центра нашей Галактики важный кирпичик живой материи. Руководитель группы Льюис Снайдер из Иллинойского университета доложил об этом на очередной конференции Американского астрономического общества (“Наука и жизнь”, № 1).

Задание 3. Выведите молекулярную формулу этого соединения, зная, что его относительная молекулярная масса равна 88, а элементный состав: С (40,45%), Н (6,8%), О (36%). Предложите структурную формулу. Назовите. Определите класс.

Оформление решения задачи на доске одним из учащихся:

п (элемента) = [W(элемента) • Mr (вещества)] : Ar (элемента) п (С) = (0,4045 • 88) : 12 = 2,966 ~ 3 п (Н) = (0,068 • 88) : 1 = 5,987 ~ 6 п (О) = (0,36 • 88) : 16 = 1, 98 ~ 2

Молярная масса С3 Н6 О2 = 74 г/моль, тогда как молярная масса исследуемого соединения 88г/моль, следовательно его молекулярная формула должна иметь следующий вид: С3 Н6 О2 Х. Относительная атомная масса Х = 88 – 74 = 14. Это – азот. Таким образом, молекулярная формула исследуемого соединения – С3 Н6 О2 N

Структурная формула (одна из пяти возможных): СН3 – СН2 – СН(NН2) – СООН

Название: -аминопропионовая кислота

Учитель. Английские астрофизики Ф.Хойл и Ч.Викрамасингх, давние сторонники теории, по которой жизнь была занесена на Землю из космоса, считают, что скоро в космическом пространстве будут обнаружены и другие аминокислоты. Что же представляют собой эти соединения, к которым приковано столь пристальное внимание научного сообщества?

Сообщение учащегося об аминокислотах с использованием компьютера (Приложение 2).

Учитель. Как вы считаете, какие свойства аминокислот определили направление молекулярной эволюции?

Ответы учащихся.

Задание 4. Составьте уравнение реакции взаимодействия глицина и аланина (возможно по аналогии с уравнением, представленным на предпоследнем слайде презентации). Сколько дипептидов в этом случае может быть получено? Изменятся ли свойства соединения при нарушении последовательности аминокислотных звеньев в линейной полимерной цепи?

Запись решения в тетради (уравнения реакций получения 4-х дипептидов Г-А, А-Г, Г-Г, А-А находятся на заключительном слайде презентации “Аминокислоты”). Ответ на вопрос задания учащиеся могут сформулировать самостоятельно: свойства соединения при нарушении последовательности аминокислотных остатков изменяются, так как, имея общий план строения, аминокислоты отличаются по строению радикала. Так, у аминокислоты аланина радикал простой – СН3, радикал цистеина содержит серу – СН2SH, другие аминокислоты имеют более сложные радикалы.

Учитель. Известно свыше 150 природных аминокислот, но только 20 из них служат мономерными звеньями, из которых построены природные полимеры – белки (порядок включения аминокислот в них определяется генетическим кодом). Если взять 12 (из 20) аминокислот, то, образуя при различной их последовательности, например 228 пептидных связей в молекуле, они могут дать 10300 различных сложных соединений. Если бы наша планета состояла только из этих веществ, и каждое из них было бы представлено только одной молекулой, то масса Земли составила бы около 10228 граммов. В действительности она равна лишь 1027 грамма. Подскажите дальнейшее направление химической эволюции? Какие вещества могли в этом случае образоваться?

Ответы учащихся.

Сообщение учащегося о белках с использованием компьютера (Приложение 3)

Учитель. Наиболее характерным свойством белков, обеспечивающих их биологическую роль, является гидролиз – расщепление под действием ферментов с образованием аминокислот.

Задание 5. При гидролизе белка был получен аланин массой 222, 5 грамма. Вычислите массу взятого белка, считая, что он представляет собой полимер глицил-аланин.

Запись решения в тетради с последующей проверкой по заключительному слайду презентации “Белки”:

т (глицил-аланина) = 2,5 моль . 146 г/моль = 365 г

Учитель. Мы отмечали, что в белках наблюдается строгое закономерное чередование аминокислот. Иногда замена только одной аминокислоты на другую делает белок малопригодным для функционирования или вообще нефункционирующим. В этом отношении особенно хорошо изучены белки гемоглобина. Изменения, которые происходят в чередовании аминокислот, в этом случае приводят к анемии. Следовательно, сохранение правильности чередования аминокислот является жизненно необходимым для любого организма. Какие органические соединения являются переносчиками информации из поколения в поколение?

Ответы учащихся.

Сообщение учащегося о нуклеиновых кислотах с использованием компьютера (Приложение 4)

Задание 6. Используя таблицу (предпоследний слайд презентации), составьте различные фрагменты молекул РНК, включающих азотистые основания.

Запись решения в тетрадь с последующей проверкой по заключительному слайду презентации “Нуклеиновые кислоты.x Далее возможна демонстрация 2-ой части видеофрагмента (Приложение 1) “Образование сложных органических соединений”.

Учитель. В процессе химической эволюции образовались сложные органические соединения, которые составили основу эволюции биологической. Имея представление о направлении химической эволюции, о развитии мира атомов и молекул, скажите химическая эволюция – это закономерность или случайность?

Ответы учащихся.

Блок 3. Закономерность или случайность

Учитель. Действительно, рассмотренный нами механизм образования атомов, молекул, новых веществ является закономерным следствием тех процессов, которые миллиарды лет тому назад начались во Вселенной в результате Большого взрыва. Развитие шло от простого к сложному. Из атомов и простейших молекул в процессе различных химических реакций образовались сложные органические соединения, способные не только накапливать информацию, но и передавать ее из поколения в поколение, сохраняя полезные признаки. Однако в том, что в ходе этого процесса немаловажную роль играл элемент случайности не вызывает сомнения. Данный вывод согласуется с основным законом статистики: чем больше повторений (химических взаимодействий), тем отношения (соотношения веществ) будут ближе к 1:1. Вычисления показали, что если взять два изомера, количественные отношения которых 5:1, то через некоторое время в растворе практически в чистом виде останется то вещество, которое было в избытке. Таким образом, рассматривая химическую эволюцию, можно говорить как о ее закономерности, так и случайности. Некоторые теории (“Синтетическая теория эволюции”) доказывают ее случайность (прежде всего случайные мутации). История же человечества, как и эволюционный процесс, представляет собой тесное переплетение случайности и предопределенности. Гипотеза “адаптивного компромисса” (А.П.Расницин) говорит о том, что жизнь сложная штука. Каждый организм должен удовлетворять огромному числу требований, предъявляемых, с одной стороны, внешней средой, с другой – необходимостью согласования всех бесчисленных функций организма между собой (чтобы они друг другу не мешали, не противоречили). Поэтому каждый организм результат компромисса между множеством условий и требований, а значит, случайность и закономерность не могут противоречить друг другу. По всей видимости, эволюция – процесс в целом (и в самом главном) детерминированный (закономерный), но в деталях и в частностях – случайный. Возможно, к числу важнейших закономерностей эволюции следует отнести:

  • ее общую направленность от простого к сложному;
  • рост устойчивости (приспособляемости);
  • рост эффективности и “безотходности” биогеохимического круговорота.

Все три закономерности прослеживаются и в развитии человеческого общества, что позволяет говорить о преемственности. Молекулярная генетика, возникшая в конце 40-х – начале 50-х годов, к началу 70-х годов вышла за пределы “менделеевского мира”, показав, что почти все фундаментальные закономерности имеют исключения, где-то нарушаются. Конкретная жизнь оказалась гораздо богаче, чем это предполагала классическая наука, в которой преобладают теории о внешнем взаимодействии, но “выпадают” внутрисистемные явления. А между тем, именно внутренние дефекты, порой несовместимые с жизнедеятельностью, оказываются селективно более выгодными в новых условиях существования.

Сообщение учащегося о мутациях с использованием компьютера (Приложение 5)

Учитель. В подтверждение сказанного приведу лишь такой факт: шведские ученые установили, что возникновение мутаций процесс неслучайный, а направленный. Общеизвестно, что клетка не может рассчитывать то, какое изменение ей выгодно в данный момент, и не может перекроить свои гены по заранее намеченному плану. Однако она может увеличить частоту возникновения случайных мутаций (делать это клетки умеют). В некоторых смертельно опасных ситуациях это может стать спасительным для популяции: вдруг какой-то из мутантов окажется жизнеспособным в данных условиях. Важность данного открытия в том, что это дает возможность организмам без чрезмерного ущерба для себя использовать мутации в процессе естественного отбора. Ведь любая мутация, вредная сегодня, может оказаться полезной завтра.

IV. Заключительный этап

Учитель. В заключение отмечу: мы всегда вынуждены находиться в мире предположений и догадок. Возможно, быстрое развитие науки и техники откроет нам новые горизонты исследований. И появятся новые проблемы, решение которых приведет нас к разгадке тайн природы. Ведь имеются сегодня теории, в которых доказывается, что развитие интеллектуальных и творческих способностей человека следствие не социальных, а сугубо биологических процессов, т.е. это суть генетическая мутация, следствие таковой. Это, впрочем, пока лишь теория. Но у нее есть весьма веские доказательства. Одним из них стало открытие гена, целиком и полностью отвечающего за язык (в смысле коммуникации). Профессор Клайн предполагает, что набор языковых и, предположительно, “творческих” генов стали следствием различных мутаций, которым человечество обязано существованием цивилизации, насколько бы хороша или плоха она не была.

Литература

  1. Бояринцева Н.Н. Обзорный урок. Характеристика белков // Химия в школе. – № 5. – 1997. – С. 19.
  2. Дубинин Н., Губарев В. Нить жизни. М.: Атомиздат. – 1966. – 167 с.
  3. Журин А.А. Сборник задач и упражнений по химии. Решения и анализ / – М.: Аквариум, 1997. – С.217.
  4. Журин А.А. Сборник задач и упражнений по химии. Решения и анализ / – М.: Аквариум, 1997. – С.217.
  5. Комаров О.С., Терентьев А.А. Химия белка: Кн. для внеклас. чтения учащихся 10 кл. – М.: Просвещение. – 1984. – 144 с.
  6. Николаев Л.А. Химия жизни. Пособие для учителей. Изд. 2-е., перераб. М.: Просвещение. – 1977. – 236 с.
  7. Павлов Б.А., Терентьев А.П. Курс органической химии. М.: Химия. – 1972. – 648 с.
  8. Рыжков В.Л. Структура жизни. М.: Знание. 1972. – 61 с.
  9. Химия. 10 класс: Учеб. для общеобразоват.учреждений/ О.С.Габриелян, Ф.Н.Маскаев, С.Ю.Пономарев, В.И.Теренин /Под ред. В.И.Теренина. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа. – 2003. – 304 с.