Практическая химия и биология

Телегина Марина Валерьевна, учитель МАОУ СШ № 2 г. Михайловск 

Данная образовательная продукция имеет организационно-методическое значение, предназначена для преподавателей химии и биологии, для организации внеурочной деятельности предметов естественнонаучного цикла.
Цель: популяризация эффективных и рациональных действий и алгоритмов подготовки и проведения практической деятельности, обучающихся по химии и биологии, с использованием цифрового оборудования образовательного центра «Точка роста».
Педагогические методики.
Баскакова О.Ю. Реализация программ учебных предметов «Химия», «Биология» с использованием оборудования Центра «Точка роста».
Мингазова Г.Г. Опыт работы с учащимися с использованием проектной деятельности в образовательном процессе с применением цифровой лаборатории и оборудования Центра «Точка роста» естественно-научной и технологической направленности
Педагогические технологии.
• Информационно – коммуникационная технология
• Технология развития критического мышления
• Проектная технология
• Технология развивающего обучения
• Здоровьесберегающие технологии
• Технология проблемного обучения
Актуальность педагогической идеи. В обучении химии и биологии большое значение имеет эксперимент. Анализируя результаты проведённых опытов, обучающиеся убеждаются в том, что те или иные теоретические представления соответствуют или противоречат реальности. Только осуществляя химический и биологический эксперимент можно проверить достоверность прогнозов, сделанных на основании теории. В процессе экспериментальной работы обучающиеся приобретают опыт познания реальности, являющийся важным этапом формирования у них убеждений, которые, в свою очередь, составляют основу научного мировоззрения.
Способ достижения планируемых результатов. Внедрение оборудования цифровой лаборатории центра «Точка роста» позволит качественно изменить процесс обучения химии и биологии. Учебный эксперимент по химии и биологии, проводимый на традиционном оборудовании, без применения цифровых лабораторий, не может позволить в полной мере решить все задачи в современной школе. Современные экспериментальные исследования по химии и биологии уже трудно представить без использования не только аналоговых, но и цифровых измерительных приборов. В Федеральном Государственном Образовательном Стандарте (ФГОС) прописано, что одним из универсальных учебных действий, приобретаемых обучающимися, должно стать умение «проведения опытов, простых экспериментальных исследований, прямых и косвенных измерений с использованием аналоговых и цифровых измерительных приборов».
Научная и практическая значимость представляемой разработки. Количественные и качественные эксперименты позволяют получить достоверную информацию о протекании тех или иных процессах, о свойствах веществ, использовать приобретенные знания в повседневной жизни человека. На основе полученных экспериментальных данных обучающиеся смогут самостоятельно делать выводы, обобщать результаты, выявлять закономерности, что однозначно будет способствовать повышению мотивации обучения школьников.

Прогнозирование дальнейшей инновационной работы. Использовать приобретённые ключевые компетенции при выполнении проектов и решении учебно-исследовательских задач.

Раздел. Использовании цифровой лаборатории «Точка роста» во внеурочной и урочной деятельности по химии и биологии.
Практическая работа №1.
Тема: «Сравнительный анализ воды открытых водоемов города Михайловска».

Оборудование: датчик рН, датчик электропроводности, ноутбук, 10 стаканов.

Расходный материал: дистиллированная вода, образцы проб из разных источников поверхностных вод: река Серга, река Уфа, Михайловское водохранилище, Пильнинское водохранилище, Родник «Войнаков лог».

Задача. Определить качество воды из разных источников поверхностных вод города Михайловска, используя показания цифровых датчиков электропроводности и водородного показателя рН.

Ход работы.

Опыт №1. Определение водородного показателя рН в образцах из различных источников поверхностных вод города Михайловска.
Методика эксперимента.
1. В химический стакан поместить образец исследуемой воды.
2. Опустить датчик pH в образец исследуемой воды на 5-7 минут.
3. Повторить измерения с другими образцами.
4. Проанализировать полученные результаты с классификатором, используя таблицу №1.

Таблица №1. Классификатор. Природные воды в зависимости от рН.

5. Результаты измерений занести в таблицу №2.
Таблица №2. Показания водородного показателя (рН) исследуемых образцов из различных источников поверхностных вод города Михайловска.

Вывод исследования.
Водородный показатель (pH) определяет концентрацию в воде ионов водорода и показывает ее кислотность или щелочность [6].
Все поверхностные водные объекты города Михайловска относятся к водоемам водопользования. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения величина рН не должна выходить за пределы интервала значений 6,5-8,5. Нормальный уровень pH для питьевой воды — от 5,5 до 8,5.
Во всех образцах воды поверхностных водоемов рН соответствует норме: от 6.6 (Родник) до 7.4 (Михайловское водохранилище). Нейтральные воды. Слабощелочная и слабокислые среды. Наличие в водах гидрокарбоната кальция и магния. Малое содержание угольной кислоты и углекислого газа.
Опыт №2. Определение электропроводности в образцах из различных источников поверхностных вод города Михайловска.
Методика эксперимента.
1. В химический стакан поместить образец исследуемой воды.
2. Опустить датчик электропроводности в образец исследуемой воды на 5-7 минут.
3. Повторить измерения с другими образцами.
4. Проанализировать полученные результаты с классификатором, используя таблицу №3.
Таблица №3. Классификатор. Показатели степени жесткости воды по электропроводности.

5. Результаты измерений занести в таблицу №4.
Таблица №4. Показания электропроводности исследуемых образцов из различных источников поверхностных вод города Михайловска.

Вывод исследования.
Электропроводность – это численное выражение способности водного раствора проводить электрический ток. Электрическая проводимость природной воды зависит от концентрации растворенных минеральных веществ. Чем выше значение электропроводности, тем выше степень минерализации водоемов. Воды водоемов города Михайловска имеет средние значения жесткости воды по показателям электропроводности воды: 0.117 (река Серга) — 0.446 (Родник). Вода пригодна для использования в хозяйственной деятельности человека.

Практическая работа №2.

Тема: «Анализ характера химической среды почвы города Михайловска».
Оборудование: датчик рН, ноутбук, 6 воронок, 6 колб, фильтровальная бумага, ложечка.
Расходный материал: дистиллированная вода, образцы почв: улица 8 Марта, улица Орджоникидзе, станция Михайловский завод, улица Кирова.
Задача. Определить характер среды различных образцов почв и сделать вывод об их пригодности для выращивания различных сельскохозяйственных растений.
Ход работы.
Методика эксперимента.
1. В химический стакан поместить почву. Прилить дистиллированную воду, объём которой должен быть в 3 раза больше объёма почвы.
2. Воронку с бумажным фильтром поместить в химическую колбу для фильтрования.
3. При фильтровании почвенную жидкость налить на фильтр.
4. Почва осталась на фильтре, а собранный в колбе фильтрат представляет собой почвенную вытяжку (почвенный раствор).
5. В почвенную вытяжку поместили датчик рН и начать регистрацию данных.
6. Результаты измерений занести в таблицу №1.
7. Результаты исследования проанализировать с классификатором.
Классификатор. По реакции среды (рН) почвы делятся на:
 очень сильнокислые — <4,0,
 сильнокислые — 4,1-4,5,
 среднекислые — 4,6-5,0,
 слабокислые — 5,1-6,0,
 нейтральные — 6,1-7,4,
 слабощелочные— 7,5-8,5,
 сильнощелочные — 8,6-10,0,
 резкощелочные — >10,0.
Таблица №1. Степень кислотности почв исследуемых образцов.

Вывод исследования.
Во всех исследуемых образцах почвы слабощелочная химическая среда. Это значит, что в грунте содержатся щелочные соли (известь), чем выше уровень pH, тем засоленность почвыбольше. Плодородность такого грунта низкая, так как гумуса мало, пропускная способность воды плохая. Еще одним свойством этого типа почв является образование плотной корки после дождя. Это связано с тем, что влага задерживается в верхнем слое, как бы склеивая его, не поступая при этом внутрь. Растения, которые не переносят насыщенные солями почвы: груша, яблоня, слива, клубника, земляника. Среднеустойчивые к засолению почвы растения: томаты, огурцы и перцы, морковь, картофель, репчатый лук, капуста и кочанная, и цветная, горох, бобы, тыква, подсолнечник, кукуруза, можжевельник, туя. Устойчивые к засоленным почвам: спаржа, шпинат, свекла столовая, капуста листовая. Снизить pH щелочного грунта можно, прибегнув к мелиорационным мероприятиям: внесение азотных удобрений (мочевины, нитрата аммония), древесных опилок, компоста, верхового торфа и навоза, хвои Голосеменных растений, посадка клевера, гороха, фасоли, редьки овса (растения обогащают почву азотом).

Практическая работа №3.
Тема: «Исследование водородного показателя рН минеральной воды торговых марок магазинов города Михайловска.
Оборудование: датчик рН, ноутбук, 6 химических стаканов, цилиндр.
Расходный материал: образцы минеральной воды: Пилигрим, Яган-тау, Обуховская – 1, Ессентуки – 4, Нижне – Сергинская, Обуховская – 11.
Задача. Исследовать водородный показатель рН разных проб минеральной воды, его значение для здоровья человека.
Ход работы.
Методика эксперимента.
1.В пронумерованные стаканы налить по 30 мл соответствующей пробы минеральной воды.

2.Измерить рН проб минеральной воды с помощью датчика рН.
3.Результаты записать в отчетную таблицу №1, используя классификатор зависимости между значением рН пробы минеральной воды и реакцией среды.
Классификатор. По величине pН минеральные воды делятся:
кислые (pН – 3,5-6,5);
нейтральные (6,7-7,2);
щелочные (pН – 7,3-8,5).
• pH менее 3 – сильнокислые воды;
• pH от 3 до 5 – кислые воды;
• pH от 5 до 6,5 – слабокислые воды;
• pH от 6,5 до 7,5 – нейтральные воды;
• pH от 7,5 до 8,5 – слабощелочные воды;
• pH от 8,5 до 9,5 – щелочные воды;
• pH более 9,5 – сильнощелочные воды.
Таблица №1. Показатели рН и химическая среда различных проб минеральной воды.

Таблица №2. Характеристика исследуемой минеральной воды.

Вывод исследования.
Минимально допустимый pH для минеральной воды составляет 3.5, что меньше нейтральной среды (значение pH 7,0). Это означает, что такой раствор является кислым, но он не оказывает негативного воздействия на организм человека при умеренном потреблении. В результате проведенных исследований образцов минеральной воды я определил, что рН всех растворов воды слабо — кислый и нейтральный (Ессентуки).

Практическая работа №4.

Тема: «Исследование водородного показателя рН различных напитков на примере продукции магазинов города Михайловска».

Оборудование: датчик рН, ноутбук, 16 химических стаканов, цилиндр.
Расходный материал (пробы): водопроводная вода, газированная и негазированная минеральные воды, зеленый и черный чай с сахаром и без сахара, кофе с сахаром и без сахара, кола, лимонад, квас пастеризованный, фруктовые соки, нектары и напитки, дистиллированная вода.
Задача. Исследовать водородный показатель рН напитков, его значение для здоровья человека.
Ход работы.
Методика эксперимента.
1.В пронумерованные стаканы налить по 30 мл соответствующей пробы напитка. 2.Измерить рН проб напитка с помощью датчика рН.
3.Результаты записали в отчетную таблицу №1, используя зависимость между значением рН напитка и реакцией среды (классификатор).
Классификатор. Зависимость между значением рН и реакцией среды.

Таблица №1. Показатели рН и химическая среда различных напитков.

Вывод исследования.
Кислотность жидкостей внутри человеческого организма в норме совпадает с кислотностью крови и находится в пределах от 7,35 до 7,45 pH.
Исследуемые образцы напитков: пастеризованный квас, нектар, сок, сокосодержащий напиток, пастеризованный чай, сильногазированный напиток «Кола» имеют сильнокислую среду.
Повышенное содержание кислот в напитках закисляют организм (то есть снижают показатель рН организма).
Кислоты разъедают эмаль зубов и способствуют появлению кариеса.
Чтобы понизить уровень кислых веществ, организм будет постепенно разрушать сам себя, принося в жертву скелет, из костей будут вымываться важные соединения кальция и магния, нейтрализующие кислоты.
Это приводит к остеопорозу (размягчению костей).
Чрезмерное употребление «агрессивных» продуктов с низкими (рН менее 4) значениями может привести к развитию заболеваний ЖКТ, в том числе гастриту и язве желудка. Так как повышается уровень кислотности в желудке (в желудке кислая среда).

Практическая работа №5.
Тема: «Экспериментальное исследование переходов между агрегатными состояниями воды».
Оборудование: датчик температуры исследуемого раствора, датчик температуры окружающей среды, ноутбук, штатив, 2 круглодонные колбы, пробирка, газоотводная трубка, спиртовка, бюкс, цилиндр, стакан. Расходные материалы: снег, жидкая вода. Задача. Измерить температуру кипения воды, плавления льда и конденсирующей воды. Ход работы.

Опыт №1. Плавление снега. Бюкс со снегом оставить в теплом помещение. Элементы наблюдения. Снег (твердая вода) в этом опыте превращается в жидкую воду, которая капает. Определить объем полученной жидкой воды и время плавления снега.
Вывод исследования. Лед плавится. Переход вещества из твердого состояния в жидкое состояние называется плавлением.

Опыт 2. Температура плавления снега. 1. В стакан поместить снег на 7 см. 2. Залить снег небольшим количеством холодной воды. 3. Запустить процесс измерения температуры: датчик температуры.
Элемент наблюдения. Температура стабилизировалась (значение) на экране ноутбука. Вывод исследования. Пока весь снег не расплавится, температура его смеси с водой остается постоянной. Все тепло, которое поглощает снег, уходит на разрыв связей между молекулами воды. Разрыв связей и вызывает переход из твердого состояния в жидкое состояние. Значение, когда температура стабилизировалась – это температура плавления льда (0 градусов).

Опыт 3. Температура кипения.
1. Пробирку закрепить вертикально в лапке штатива. Налить в нее воды чуть меньше, чем до середины. 2. Погрузить в нее щуп датчика температуры исследуемого раствора. Включить запись температуры. 3. Нагреть пробирку с водой до кипения, продолжить греть пока температура не перестала изменяться. Элемент наблюдения. Температура стабилизировалась (значение) на экране ноутбука.
Вывод исследования. Кипение – переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Пока вся вода не выкипит, ее температура будет оставаться постоянной. Все тепло, которое поглощает вода, уходит на разрыв связей между ее молекулами, которые удерживают воду в жидком состоянии. Температура кипения воды +100 градусов.

Опыт №4. Температура конденсирующейся воды.
1. Пробирку с газоотводной трубкой закрепить вертикально в лапке штатива. Налить в нее воды чуть меньше, чем до середины.
2. Газоотводную трубку опустить в пробирку. Погрузить в нее щуп датчика температуры. Включить запись температуры.
3. Нагреть воду в пробирке так, чтобы она бурлила.
Элементы наблюдения. На стенках пробирки собирается конденсат. Показатель температуры конденсирующей воды.
Вывод исследования. Конденсация – переход воды из газообразного состояния в жидкое состояние. При конденсации пара температура остается постоянной. Между молекулами воды образуются связи, которые и вызывают переход воды из газообразного состояния в жидкое состояние. Тепло при этом выделяется и рассеивается в окружающей среде
Практическая работа №6.
Тема: «Тепловой эффект при растворении».
Оборудование: датчик температуры, ноутбук, 2 химических стакана, цилиндр, ложечка.
Реактивы: вода, твердый гидроксид натрия, твердая аммиачная селитра.
Задача. Проследить за изменением температуры при растворении твердого гидроксида натрия и аммиачной селитры.
Ход работы.
Опыт №1: Тепловой эффект при растворении твердого вещества в воде: эндотермический процесс – поглощение энергии.
Растворение гидроксида натрия в воде.
1. Налить в химический стакан 25 мл воды комнатной температуры и опустить в него датчик температуры.
2. Добавить в воду 10 г твердого гидроксида натрия, перемешать.
3. Проследить за изменением температуры раствора в течение нескольких минут, данные занести в таблицу.
Таблица. Изменение температуры раствора при растворении твердого гидроксида натрия в воде.

Вывод исследования. Гидроксид натрия хорошо растворим в воде, растворение идёт с выделением теплоты. Температура поднялась –
Процесс растворения сопровождается тепловым эффектом, следовательно, при растворении происходит физико – химический процесс.

Опыт №2. Тепловой эффект при растворении твердого вещества в воде: экзотермический процесс – выделение энергии (тепла).
Растворение аммиачной селитры в воде.
1. Налить в химический стакан 25 мл воды комнатной температуры и опустить в него датчик температуры.
2. Добавить в воду 10 г твердой аммиачной селитры, перемешать.
3. Проследить за изменением температуры раствора в течение нескольких минут, данные занести в таблицу.
Таблица. Изменение температуры раствора при растворении твердого нитрата аммония в воде.

Вывод исследования. Аммиачная селитра хорошо растворима в воде. Растворение аммиачной селитры в воде протекает с поглощением большого количества тепла. Температура снизилась. Процесс растворения сопровождается тепловым эффектом, следовательно, при растворении происходит физико – химический процесс.

Практическая работа №7.
Тема: «Определение кислотности разных сортов хлеба».
Оборудование: датчик рН, 4 банки, 4 конические колбы, 4 стакана, пипетка, ложечка, пестик, весы, сито, марля, 4 цилиндра.
Расходный материал: дистиллированная вода, гидроксид натрия, хлеб ржаной, хлеб пшеничный, хлеб ржано-пшеничный, хлеб пшенично-ржаной, фенолфталеин.
Задача. Определить кислотность разных видов хлебобулочной продукции, проследив за изменением рН при титровании.
Подготовительный этап.
Приготовление 1% раствора индикатора фенолфталеина.
1 г индикатора растворите в 100 мл раствора этанола с массовой долей спирта равной 50-60%. Или 0.5 г индикатора растворить в 50 мл раствора этанола 50 – 60%
Приготовление 0,1 М (0.1 н) раствора гидроксида натрия.
Раствор 0,1 н гидроксида натрия NaOH готовят путём растворения 5 г твердого гидроксида натрия в 1 лире прокипячённой дистиллированной воды.
Ход работы:
1. Для изделий массой менее 200 г берут целые булки, с которых срезать корки слоем приблизительно 1 см. Затем их измельчить и перемешать.
2. Отвесить 25 г измельченного мякиша.
3. Навеску хлеба поместить в банку вместимостью 500 мл, с хорошо пригнанной крышкой.
4. Мерную колбу вместимостью 250 мл наполнить до метки дистиллированной водой, подогретой до температуры 60 °С.
5. Около 1/4 взятой дистиллированной воды перелить в банку с хлебом, который после этого растереть деревянной лопаточкой до получения однородной массы, без заметных комочков не растёртого хлеба.
6. К полученной смеси прибавить из мерной колбы всю оставшуюся дистиллированную воду.
7. Банку закрыть пробкой и энергично встряхнуть в течение 3 мин.
8. После встряхивания дать смеси отстояться в течение 1 мин и отстоявшийся жидкий слой слить в стакан через сито и марлю.
9. Из стакана отобрать по 50 мл раствора в конические колбы вместимостью по 100-150 мл. Добавить 2 – 3 капли фенолфталеина (1% спиртовой раствор).
10. Титрование. Затем опустить датчик рН и начать по каплям пипеткой из мерного цилиндра прибавлять 0,1 М (0.1 н) раствора гидроксида натрия до рН 8,2 (по показаниям прибора), фиксируя при этом цвет индикатора (появление устойчивого светло – розового окрашивания, не исчезающего при стоянии в течение 1 минуты).
Химизм процесса титрирования. Взаимодействие гидроксида натрия с молочной и уксусной кислотами:
СН3СН(ОН)СООН + NaOH = CH3CH(OH)COONa + Н2О
СН3СООН + NaOH = CH3CООNa + Н2О
11. Полученные данные занести в таблицу. Таблица. Показатели кислотности и рН исследуемых образцов хлеба.

Определение кислотности хлеба по формуле.
Кислотность хлеба в градусах = 25·50·4·V/(250·10), где
V — объем раствора гидроксида натрия, использованного на титрование, мл;
4 – коэффициент, приводящий к 100 г навески, так как взято 25 грамм навески;
1/10 — приведение 0,1 н раствора щелочи к 1н;
25 – масса навески испытуемого продукта, г;
250 – объем воды, взятый для извлечения кислот, мл;
50 – объем испытуемого раствора, взятый для титрования, мл.
Кислотность ржаного хлеба = 25·50·4·V/(250·10) =
Кислотность ржано – пшеничного хлеба = 25·50·4·V/(250·10) =
Кислотность пшенично – ржаного хлеба = 25·50·4·V/(250·10) =
Кислотность пшеничного хлеба = 25·50·4·V/(250·10) =
Вывод исследования.
Кислотность хлеба обусловливается наличием в нем молочной и уксусной кислот, которые образуются при брожении теста. Умеренная кислотность способствует лучшему усвоению хлеба и придает ему приятный вкус. Большая кислотность хлеба вредна, так как может повысить процессы брожения в органах пищеварения. По кислотности хлеба можно судить о правильности ведения технологического процесса, а также его вкусовых качествах. Ржаной хлеб имеет более кислый вкус, так как он готовится на заквасках, которые содержат значительное количество молочнокислых бактерий. При нарушении режима брожения ржаной и пшеничный хлеб может получиться резко кислым и неприятным на вкус. Поэтому на хлеб даны предельные нормы кислотности, которая выражается в градусах кислотности. Под градусом кислотности понимают количество миллилитров раствора гидроксида натрия или гидроксида калия c концентрацией 1 моль/л, необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в 100 г хлебного мякиша. Кислотность ржаных и пшеничных сортов хлеба сильно отличается друг от друга.
В соответствии с государственным стандартом максимальная кислотность для сортов хлеба из ржаной муки колеблется в пределах 9-12º, а из пшеничной муки – 2-6 º.Чем больше градус кислотности хлеба, тем выше кислотность хлеба.
Водородный показатель рН показывает кислотность хлеба: если pH меньше 7 — реакция среды кислая. Чем меньше рН, тем больше кислотность хлеба.
Кислотность хлеба – это объективный показатель качества хлеба, как высокоуглеводного продукта человека, так как состав и количество кислот оказывает влияние на течение важнейших процессов, происходящих в сырье или хлебной массе, а также воздействует на вкус готовых изделий.