Содержание химического образования и, соответственно, школьного учебника химии непосредственно связано с целью образования. Лучшие современные учебно-методические комплексы по химии полностью справляются с задачей развития системного мышления и подготовке к будущей профессии.
Однако на нынешнем уровне развития человечества химические открытия приобрели огромное значение в самых разнообразных сферах человеческой деятельности и химия как наука далеко ушла от тех концепций, которые излагаются в школьном курсе химии. Прежде всего это объясняется вступлением химии в эпоху нанотехнологий [1].
Нанотехнологии настолько стремительно вошли в нашу жизнь, что преподавателям естественнонаучных дисциплин нельзя обходить эту тему стороной. Поэтому использование научной информации, связанной с нанотехнологическими исследованиями и разработками, на уроках химии просто необходимо.
Вводить «современные, нанотехнологические» примеры в школьный курс химии следует взвешенно, осторожно и точечно. Они должны удовлетворять целому ряду требований:
— иметь отношение к повседневной жизни или общественным проблемам;
— быть достаточно простыми и понятными для обучающихся в рамках имеющихся у них знаний по химии;
— иллюстрировать основные законы, принципы и методы химии;
— не вступать в противоречие с другими примерами, содержащимися в курсе;
— привлекать внимание обучающихся к химии;
— способствовать созданию положительного образа химии.
Знакомство с нанотехнологиями нужно начинать с чёткого определения данного понятия. Это необходимо для того, чтобы обучающиеся понимали и чётко представляли, о чём идёт речь.
Нанотехнологии — это методы, с помощью которых люди могут работать с мельчайшими частицами, складывая из них различные вещества и материалы с заданными свойствами, нужные человеку устройства и механизмы.
Наночастицы — это объекты, размеры которых составляют около одной миллиардной части метра (1*10– 9 м).
Примеры использования нанотехнологий и наночастиц можно рассматривать при изучении практически любого раздела школьной химии (табл.1).
Таблица 1
Нанотехнологический компонент в школьном курсе химии
|
№ п/п |
Темы курса химии |
Нанотехнологическое содержание |
|
1 |
Вещества. Атомы и молекулы. Химический элемент как вид атомов |
Структурные уровни материи: микро-, макро-, мега-объекты. Разнообразие микромира. |
|
2 |
Простые вещества — металлы: серебро, золото и алюминий. Общие физические и химические свойства металлов, применение. |
Химические и бактерицидные свойства наночастиц серебра и золота. Новые области применения. Особые свойства алюминия. |
|
3 |
Простые вещества — неметаллы: углерод и кремний |
Особая роль углерода и кремния в наномире. Графен — слой графита. Фуллерены — наношарики из углерода. Углеродные нанотрубки — трубки из графена. Нанокерамика. Стеклокерамика. |
|
4 |
Вода. Очистка воды. |
Наночастицы используемые в фильтрах (диоксид титана) |
|
5 |
Мыла. Синтетические моющие средства. |
Самоочищающиеся покрытия и материалы, «эффект лотоса». |
|
6 |
Синтез полимеров. Реакции полимеризации и поликонденсации. |
Дендримеры. Умные полимеры. |
|
7 |
Волокна. Природные, синтетические, искусственные волокна. |
Виксеры. Применение нанонитей. |
|
8 |
Биологическая роль и значение углеводов, жиров, белков. |
Использование ДНК для синтеза лекарств. Нанотехнологии против вирусов и бактерий. Нанокапсулы. Нанотехнологии в борьбе с раковыми заболеваниями. |
Например, продемонстрировать уникальные химические свойства наночастиц можно при изучении электрохимического ряда напряжений металлов. Как известно, те металлы, которые расположены в этом ряду правее водорода, не вступают в реакцию с обычными кислотами. Соляная кислота с обычным серебром не реагирует. Однако, наночастицы серебра реагируют с соляной кислотой, с выделением водорода. Причина такого поведения наночастиц связана с так называемыми поверхностными эффектами. Дело состоит в том, что в маленькой частице существенно увеличивается доля атомов, находящихся на поверхности. У этих атомов есть оборванные связи, и как следствие, они обладают более высокой энергией и активностью.
Химические свойства наночастиц можно показать и на примере изучения органической химии. Например, всем известно, что алканы — это насыщенные углевороды, которые не содержат кратных связей. Следовательно, алканы не имеют валентных возможностей для присоединения каких-либо молекул. Однако, наночастицы магния настолько активны, что могут присоединиться к метану. Двухвалентный атом магния внедряется между атомами углерода и водорода [2].
Так как наночастицы имеют высокую химическую активность, то многие из них являются активными катализаторами. Таким образом, при изучении общей химии, также можно использовать примеры из нанонауки.
В настоящее время нанотехнологии используются для изготовления:
— высокопрочных материалов;
— тонкоплёночных компонентов микроэлектроники;
— нанопористых материалов для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, фильтры и сепараторы);
— электрических аккумуляторов;
— биосовместимых тканей для трансплантации;
— лекарственных препаратов.
Если обучающиеся будут понимать значение нанотехнологий и наночастиц в современном мире, то их интерес к этой области несомненно возрастёт.
Химия — это наука, на примере которой можно воспитать не одно поколение будущего Нанонауки!
Литература:
- Эрлих Г. В. Нанотехнологии как национальная идея. Химия и жизнь. 2008, 3, 32.
- Ахметов М. А. Введение в нанотехнологии. Химия. СПб.: Образовательный центр «Участие», 2012, 108.
