Роль химии в решении продовольственной проблемы

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 1»

ГОРОДА КРАСНОПЕРЕКОПСКА РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

Роль химии в решении

продовольственной проблемы

10 класс

(Интерактивные технологии. Технология «Дебаты»)

Учитель химии

Красноперекопск – 2015

Цели: рассмотреть одну из проблем современности – продовольственную; выяснить положительную и отрицательную роль химии в решении этой проблемы.

Задачи:

Образовательные: сформировать у учащихся элементы экологического мышления, раскрыть роль химии в решении продовольственной, экологической проблем.

Развивающие: сформировать умение обобщать, выделять главное из информационного материала, развивать логическое мышление, умение излагать свои мысли, сравнивать, делать выводы.

Воспитательные: воспитывать бережное отношение к окружающей среде, уверенность в своих силах, ответственное отношение к учебе, умение работать в коллективе и самостоятельно.

Тип урока: усвоение новых знаний

Форма проведения: деловая игра

Методы и методические приемы: репродуктивный, поисково-исследовательский, творческий.

Оборудование: слайды.

Структура урока

I. Организационный этап 4 мин

II. Мотивация диспута 6 мин

III. Проведение диспута 25 мин

IV. Выводы 6 мин

V. Домашнее задание 2 мин

VI. Подведение итогов 2 мин

Ход урока

I.  Организационный этап.

Класс – студия, учащиеся – люди, интересующиеся данной проблемой. Участники диспута – представители различных профессий в исполнении учащихся класса, подготовленные к диспуту.

Проблема: Какова роль химии (положительная или отрицательная) в решении продовольственной проблемы?

II.  Мотивация диспута

(Слайд 1) Что такое продовольственная проблема? Существует ли она?

«Взаимоотношения живого организма с окружающей средой – есть взаимоотношения, опосредованные вопросами питания» ().

Статистик: (Слайд 2) Население нашей планеты растёт. В начале нашей эры на Земле было уже 175 млн., к концу 1-го тыс. н. э. – 275 млн., в 1800 – 900 млн., в 1900 – 1,6  млрд., 12 октября 1999 года население Земли составило 6 млрд. человек, в 2003 – 6,3 млрд., в 2006 – 6,5 млрд., в 2010 – 6,82 млрд. человек. По прогнозам ООН к 2050 году  составит 9,2 миллиардов человек. Это значит, что уже сейчас необходимо задуматься над тем, как обеспечить население Земли питанием в предвидимом будущем.

Грядёт глобальная нехватка продовольствия. Нет никакой возможности того, что при текущей системе мир сможет производить достаточно продовольствия для такого количества людей.
(Слайд 3)Уже около одного миллиарда людей в мире ложится в постель голодными каждый вечер.
Уже сейчас где-то в мире кто-то умирает от голода каждые 3,6 секунд, и три четверти из них – дети в возрасте до пяти лет.
Уже сейчас приблизительно треть всех детей мира страдает от серьёзного недоедания.

Слово учителя: мы сегодня собрались в студии, чтобы обсудить данную проблему. Здесь люди разных профессий, которые будут высказывать свое мнение по этому вопросу. Остальные участники после каждого выступления будут голосовать за или против положительной роли химии в решении данной проблемы. Итоги голосования будут фиксироваться на доске.

III.  Проведение диспута

Химик: (Слайд 4, заголовок) Расчёты учёных приводят к выводу, что Продовольственная проблема будет решена, если за ближайшие 40 - 50 лет мировое производство продуктов питания возрастёт в 3 - 4 раза. Подобный прирост может быть осуществлён только в том случае, если произойдёт «зелёная революция» – резкий подъём сельского хозяйства, прежде всего в развивающихся странах, на базе внедрения всех достижений современной науки, в том числе химии. Есть ли основания верить в возможность такой «зелёной революции»? Учёные отвечают на этот вопрос определённо: да, можно. Модернизированное сельское хозяйство с помощью своих могучих союзниц - химии и биологии - без труда может прокормить более 10 млрд. человек.

В решении продовольственной проблемы в глобальном масштабе основной акцент делается на (Слайд 4) увеличение производства растительной и животной пищи естественного происхождения. Этого можно достичь за счёт создания благоприятных условий для размножения и роста растений и животных. Сюда относится в первую очередь применение удобрений, а затем стимуляторов роста, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, средств защиты растений и животных, введение в практику питания новых продуктов, добытых в океане, и т. д.

Начнём с удобрений. (Слайд 5) Без них немыслимо современное сельское хозяйство. Один из главных элементов, вводимых в почву в составе минеральных удобрений, азот (Нитроген). Если водород (Гидроген), кислород (Оксиген), углерод (Карбон) доставляются растениям с водой и углекислым газам, то азот, без которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую систему в виде нитратов и иона аммония, которых обычно в почве не хватает. Поэтому производство азотных удобрений – это одна из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня.
Азот в виде селитры стали вносить в почву, когда сам азот еще даже не был открыт. К концу XIX в. стало ясно, что вносить в землю нужно и азот, и фосфор, и калий. Удобрениями были просто природные соединения, не­очищенные и подвергшиеся единственной обработке – размолу, например: чилийская селитра NaNO3, фосфоритная мука Са3(РO4)2, или сильвинит (КС1 • NaCl). Практически в любой руде, пусть и размолотой, кроме соеди­нений, полезных для растений, неизбежно содержались вредные вещества, фтор – в фосфоритной муке, хлор – в сильвините. Основную массу такого удобрения составляли элементы ненужные, засоряющие поля.

С начала XX в. производство удобрений в мире начало быстро расти. Одновременно менялось и их содержание. Первоначально увеличилась мас­совая доля действующего вещества: если в кальциевой селитре только 14 - 15,6 % азота, то в аммиачной уже 35 %, а в мочевине – 45 - 46 %, в простом суперфосфате – 14 - 21 % Р2O5, в двойном – 44 - 48 %, в калий хлориде – 60 - 62 %, в пересчете на К2O.

Затем стали получать комплексные удобрения – сначала просто механические смеси, а потом и химические соединения, содержащие сразу несколько основных элементов. Например: калиевая селитра, аммофос, нитрофоска.

Кроме азота, фосфора и калия, растениям нужны и другие элементы. Те же минеральные удобрения гораздо лучше усваиваются, если в почве в до­статочном количестве находятся бор и медь, цинк и магний, кобальт, мо­либден, марганец и многие другие элементы. Эти вещества вносят в почву в небольших количествах (2 - 20 кг/га), и потому их называют микроэле­ментами. Если их не хватает, растения начинают болеть: у них нарушается фотосинтез, дыхание, образование белков, витаминов и углеводов.

Сельскому хозяйству требуются огромные количества азотных удобрений: аммиака и производимых из него сульфата, карбоната и нитрата аммония, а также мочевины. Аммиак – это самое концентрированное азотное удобрение (содержит более 80% азота). В настоящие время он является одним из главных продуктов большой химии. Минеральные удобрения справедливо называют «солями плодородия» (Слайд 6). Располагая удобрениями в достатке, можно управлять урожайностью, добиться её повышения в несколько раз: каждый килограмм действующего вещества при правильном применении даёт 6 – 8 кг прибыли урожая пшеницы; 8 – 10 кг кукурузы; 30 – 40 кг сахарной свеклы, 28 – 30 кг.

В ближайшие десятилетия должен произойти не только резкий количественный рост, но и качественные изменения в характере производимых удобрений.

Сегодня нередко говорят о последствиях нерационального использования минеральных удобрений, особенно нитратов. Однако это вовсе не означает, что от них следует совсем отказаться. Еще два столетия назад была доказана необходимость внесения в почву минеральных удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Хочу сказать и о средствах защиты растений – пестицидах. Так, сейчас во многих лабораториях мира получают системные фунгициды, т. е. средства борьбы с грибковыми заболеваниями растений. Отказаться от пестицидов сейчас невозможно. Кроме насекомых, значительную часть урожая уничтожают или портят бактерии, вирусы, грибы. Здесь предоставляют прекрасные возможности для творческой деятельности химиков. Я считаю, что без химии Продовольственная проблема неразрешима.

Учитель: Какова роль химии положительная или отрицательная в решении продовольственной проблемы? (Голосование и подсчет голосов).

Эколог: (Слайд 7, заголовок) Уже сейчас продовольственная проблема на нашей планете сильно беспокоит не только ученых, но и всех нас. Некоторые народы уже почувствовали эту проблему в полную силу. И, если в таком же высоком темпе, как сейчас, будет расти численность населения, а с ней и потребности в продовольствии, то наступит не только продовольственный, но и экологический кризис на планете. Ученые посчитали, что на Земле могут жить, не испытывая голода и не принося вреда природе, только 5 миллиардов человек. Тогда как нас уже сейчас более шести. Трудно представить себе, что будет дальше, и если человечество не найдет конструктивного решения проблемы.

Да, нитраты – прекрасные азотные удобрения. Они необходимы для нормального питания растений. Но из всех минеральных удобрений нитраты особенно сильно загрязняет окружающую среду и способствует ее деградации больше, чем любая иная деятельность человека.

А химические средства защиты растений? Их применение постоянно растёт. Но использовать пестициды, как и другие токсичные вещества, да ещё столь распространённые, следует очень осторожно. Их рассеивание в природе может оказывать отрицательное действие на природные экосистемы (Слайд 8). И экологи требуют выполнения химиками следующих задач. Первая из них - разработка методов контроля содержания пестицидов в пище, воде. Вторая задача – усовершенствование пестицидов. Практика требует от химиков создания таких пестицидов, которые не вымывались бы с полей в реки и другие природные экосистемы, вообще не оказывали бы вредного воздействия на окружающую среду.

Учитель: Какова роль химии положительная или отрицательная в решении продовольственной проблемы? (Голосование и подсчет голосов).

Фермер: Три элемента жиз­ни – азот (нитроген), фосфор и калий - нужны больше всего растениям, и как раз их меньше всего остается в почве после уборки урожая. Ежегодно с урожа­ем с каждого гектара поля выносится в среднем около 22,2 кг азота, 8,7 кг фосфор (V) оксида и 25,8 кг калий оксида. Необходимо постоянно заботиться об обеспечении растений питательными веществами, о создании наилучших условий для физических, химических и биологических процессов, способствующих обогащению почвы усвояемыми веществами: вносить местные удобрения – навоз, печную золу, торф и минеральные удобрения.

(Слайд 8, 2 картинки) Большие потери урожая связанны с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Гибнет примерно одна треть урожая. Если отказаться от применения химических средств защиты растений, то эта доля удвоится. Для 3 тыс. видов культурных растений известно около 30 тыс. возбудителей болезней! Из них более 25 тыс. – грибы, около 600 – нематоды (черви), более 200 – бактерии, около 300 – вирусы.
В результате заболеваний растений люди теряют 10 - 15% урожая ещё до того, как он собран. Совместное же воздействие болезней, вредителей и сорняков отнимают от урожая от 25 до 40%. Цифра не малая, но и это ещё не всё. От 5 до 25% продукции сельского хозяйства теряется при перевозке и хранении. В результате суммарные потери урожая, до того как он попадёт к потребителю, составляют в разных странах около 40 до 50%.Есть над чем призадуматься специалистам по борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур.
Нам нужны современные химические средства защиты.

В животноводстве нам необходимы искусственные, производимые на специальных заводах корма. Для увеличения массы домашний скот должен в достаточном количестве снабжаться сырьём. Это может быть растительный белок, рыбная мука и т. д. Однако при расширении масштабов животноводства и увеличении спроса на его продукцию этих источников белка может не хватать, поэтому химики совместно с биологами давно уже начали искать пути замены таких кормов. Одним из хороших заменителей оказалась мочевина (NH2)2CO.
Другой путь обеспечения сельскохозяйственных животных полноценными белками основан на его микробиологическом синтезе с использованием дрожжей и бактерий.

Мы предлагаем интенсивный путь решения проблемы (Слайд 8):

·  повышение биологической продуктивности угодий;

·  использование новых, высокоурожайных сортов;

·  новых методов обработки почвы;

·  производство искусственных кормов для животных.

Развитию сельского хозяйства необходима помощь химиков.

Учитель: Какова роль химии положительная или отрицательная в решении продовольственной проблемы? (Голосование и подсчет голосов).

Врач: Общеизвестно, что самое дорогое у человека – это его здоровье, которое невозможно купить и которое во многом зависит от правильного питания его. Недаром существует пословица: «Скажи мне, что ты ешь, и я скажу тебе, чем ты болеешь». Для большинства уже не секрет, что для укрепления здоровья лучше есть больше фруктов, овощей и меньше животной пищи. Но они должны быть здоровыми и чистыми от таких веществ, как нитраты и нитриты. Общеизвестно, что нитраты обладают высокой токсичностью для человека и сельскохозяйственных животных (Слайд 9, заголовок, картинки):

1) Нитраты под воздействием фермента нитратредуктазы восстанавливаются до нитритов, которые взаимодействуют с гемоглобином крови и окисляют в нём 2-х валентное железо в 3-х валентное. В результате образуется вещество метгемоглобин, который уже не способен переносить кислород. Поэтому нарушается нормальное дыхание клеток и тканей организма (тканевая гипоксия), в результате чего накапливается молочная кислота, холестерин, и резко падает количество белка.

2) Особенно опасны нитраты для грудных детей, т. к. их ферментная основа несовершенна и восстановление метгемоглобина в гемоглобин идёт медленно.

3) Нитраты способствуют развитию патогенной (вредной) кишечной микрофлоры, которая выделяет в организм человека ядовитые вещества токсины, в результате чего идёт токсикация, т. е. отравление организма.

(Слайд 9) Основными признаками нитратных отравлений у человека являются:

·  синюшность ногтей, лица, губ и видимых слизистых оболочек;

·  тошнота, рвота, боли в животе;

·  понос, часто с кровью, увеличение печени, желтизна белков глаз;

·  головные боли, повышенная усталость, сонливость, снижение работоспособности;

·  одышка, усиленное сердцебиение, вплоть до потери сознания;

·  при выраженном отравлении - смерть.

4) Нитраты снижают содержание витаминов в пище, которые входят в состав многих ферментов, стимулируют действие гормонов, а через них влияют на все виды обмена веществ.

5) При длительном поступлении нитратов в организм человека (пусть даже в незначительных дозах) уменьшается количество йода, что приводит к увеличению щитовидной железы.

6) Установлено, что нитраты сильно влияют на возникновение раковых опухолей в желудочно-кишечном тракте у человека.

7) Нитраты способны вызывать резкое расширение сосудов, в результате чего понижается кровяное давление.

При всём вышеизложенном следует помнить, вред наносят организму человека не сами нитраты, а нитриты, в которые они превращаются при определённых условиях.

Чтобы уменьшить содержание нитритов в организме человека надо в достаточном количестве использовать в пищу витамин С (аскорбиновую кислоту) и витамин Е, т. к. они снижают вредное воздействие нитратов и нитритов.

Учитель: Какова роль химии положительная или отрицательная в решении продовольственной проблемы? (Голосование и подсчет голосов).

Повар:

(Слайд 10) По способности накапливать нитраты растения можно разделить на пять групп – по содержанию в 1 кг продукции:

·  больше 5 г (все виды салатов, петрушка, редис);

·  до 5 г (шпинат, редька, кольраби, свекла, зелёный лук);

·  до 4 г (белокочанная капуста, морковь, репчатый лук);

·  до 3 г (лук – порей, ревень, укроп, тыква);

·  менее 1 г (огурцы, арбузы, дыни, помидоры, баклажаны, картофель).

Нитраты в овощах распределяются Следующим образом:

·  У свеклы – сконцентрированы верхней части корнеплода – до 65 %;

·  У моркови – в сердцевине – 90 % и в наружной части – 10 %;

·  У капусты – в кочерыжках и в толстых черешках листьев;

·  У картофеля – в мелких клубнях нитратов больше, чем в крупных, сосредоточены они под кожурой (поэтому необходимо чистить не экономя);

·  Маленькие огурцы содержат нитратов меньше, чем большие; в огурце, сорванном утром нитратов меньше.

Что же делать, если в продуктах действительно присутствует избыток нитратов?

Практические советы (Слайд 11):

1.  Нитраты хорошо растворимы в воде, особенно тёплой, и вымываются из овощей. Тщательное промывание овощей и фруктов уменьшает содержание нитратов на 10 %, а механическая очистка – на 15 – 20 %.

2.  Зелень (петрушку, укроп, салат и др.) необходимо поставить как букет, в воду на прямой солнечный свет. В таких условиях нитраты в листьях в течение 2 – 3 часов полностью перерабатываются и потом практически не обнаруживаются. После этого зелень можно без опасения употреблять в пищу.

3.  Свеклу, кабачки, капусту, тыкву и другие овощи перед приготовлением необходимо нарезать мелкими кубиками и 2 – 3 раза залить водой, выдерживая по 5 – 10 мин. (Нитраты хорошо растворимы в воде (особенно тёплой) и вымываются из овощей).

4.  Варка овощей снижает содержание нитратов на 50 – 80 %.

5.  Квашение, соление, консервирование и маринование способствуют снижению нитратов на 60 – 70 %.

6.  Хранить овощи и плоды надо в холодильнике, т. к. при температуре +2°С невозможно превращение нитратов в более ядовитые вещества - нитриты.

7.  Нейтрализовать поступившие в организм нитраты могут ягоды чёрной и красной смородины, зелёный чай, а также аскорбиновая кислота (по 0,4 – 0,4 г в сутки).

Учитель: Какова роль химии положительная или отрицательная в решении продовольственной проблемы? (Голосование и подсчет голосов).

IV.  Выводы:

В решении продовольственной проблемы химия играет значительную роль.

·  Выпуск минеральных удобрений; средств защиты растений; производство кормов.

·  Роль химии в решении продовольственной проблемы значительна:

·  Модернизированное сельское хозяйство;

·  Создание благоприятных условий для размножения и роста растений и животных;

·  Разработка методов контроля содержания нитратов и пестицидов в пище и воде;

·  Создание пестицидов, не оказывающих вредного воздействия на окружающую среду.

V.  Домашнее задание: изучить § 11стр. 90-92; Написать эссе «Мое мнение о роли химии в решении продовольственной проблемы».

VI.  Подведение итогов урока. Хотелось бы услышать мнение учащихся о роли химии в решении продовольственной проблемы.