Методическая разработка урока "Фосфор и его соединения глазами химика и биолога"
план-конспект урока по биологии (9 класс) на тему

                                                                                                                                                                 Фосфор и его соединений глазами химика и биолога.

9 медицинский класс.  

                                                                                                Учитель биологии Петрова Л. Н.

                                                                                               Учитель химии Нестеркина Н. Р.

Цель: доказать роль фосфора в здоровье человека.

Задачи урока:

• Актуализировать знания  о строении атома, классах неорганических соединений,
• показать роль фосфора в рационе  сбалансированного питания
• показать возможность использования фосфора в нанотехнологиях

Тип урока: бинарный, интеграция содержания биологии, химии, нанотехнологий в основе которых лежат соединения фосфора.

Технология урока:

исследовательская с элементами здоровьесберегающей, использование ИКТ

Содержательные линии:

1. Повторение определений и понятий, связанных с изучаемой темой (оксиды, гидроксиды и их классификация, обмен веществ, энергообмен, ферменты и т.д.).
2. Работа с таблицами и схемами (обмен веществ, содержание элемента фосфора в пищевых продуктах).
3. Практическое применение знаний при изучении нового материала, прогнозирование и написание химических свойств средних и кислых солей на примере солей фосфорной кислоты)
4. Взаимопомощь, взаимопроверка и самопроверка.
5. Решение расчетных задач интегрированного содержания.
6. Нанотехнологии – наука будущего, молекулярная хирургия с помощью наноботов, комплексная медицинская диагностика, создание лекарств нового поколения, адресность доставки лекарства, биосовместимость наноматериалов.

Планируемые результаты:

Универсальные учебные действия

Личностные

Способность к самореализации, формирование мотивации к обучению посредством значимых для человека знаний, умение применять ранее изученный материал для познавательной деятельности.

Предметные

Расширенпие представлений о взаимосвязи

строение →   свойства  → применение

изучение свойств соединений фосфора (оксидов и фосфорной кислоты, фосфатов), осознание необходимости здорового образа жизни, питания, двигательной активности

Метапредметные

Умение слушать, анализировать, полученную информацию, умение делать выводы, пользоваться формулами, интегрировать знания различных образовательных областей, умение обобщать материал.

Ход урока:

Эпиграф урока: «Фосфор – элемент жизни и мысли» Ферсман А.Е. (слайд 1) 

В конце урока мы попытаемся ответить на вопрос: «Почему А.Е. Ферсман так охарактеризовал этот элемент?»                                                                                                                                                 Учитель химии: Дадим характеристику элементу фосфору по его положению в перидической системе Д.И.Менделеева по плану:                                                                                                                                           -адрес (координаты)                                                                                                                                                         -строение                                                                                                                                                                     -сравнение                                                                                                                                                                    -возможные валентности и степени окисления                                                                                              -формулы оксидов и гидроксидов и их характер

Учитель биологии: Вы знаете характеристику фосфора с точки зрения  химии. А что говорят биологи?                                                                                                                                                                       К фосфору применимы слова: относительно редкий и рассеянный в земной коре, но исключительно важный для растений и животных. (Кадр презентации) Он содержится во всех группах живых организмов. Для сравнения посмотрим его количество в 100 граммах сухого вещества. Можем отметить, что у наземных животных больше, чем у морских. Много у бактерий (3000мг), но самое большое количество – у человека, особенно в костях (5000мг).          Учитель химии: У фосфора, как  простого вещества, есть еще интересное свойство –аллотропия.                                                                                                                                                      Что такое аллотропия и какие примеры аллотропов вы знаете?(слайд2)    Сообщение

У фосфора есть несколько аллотропных модификаций.

Наиболее устойчивы четыре из них: белый, желтый, красный, черный.

Только белый фосфор имеет молекулярное строение Р4, ядовит, смертельная доза 10 – 100 мг.  Похожее на маргарин вещество, режется ножом, легко воспламеняется. Белый фосфор способен светиться в темноте. Открыт алхимиком Хеннигом Брандом (слайд 3)

Вызывает долго незаживающие ожоги (слайд 4) 

Желтый фосфор можно рассматривать  как неочищенный желтый.

Красный фосфор практически нетоксичен. Пыль красного фосфора, попадая в легкие, вызывает пневмонию при хроническом действии.

Черный фосфор похож на графит.

Учитель биологии: Мы прослушали интересное сообщение и можем сделать вывод, что фосфор может быть токсичным, следовательно при работе с фосфором следует строго соблюдать правила техники безопасности. Фосфорорганические соединения высокотоксичны: проникают в организм через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт, кожу.

При этом наблюдаются острые отравления: жжение во рту и желудке, боли, слабость, тошнота и рвота.

1 помощь: промывание желудка, очистительные клизмы.                                            

(слайд 4) 

При ожогах кожи –обработать растворами соды или медного купороса.

Учитель химии: Проблемный вопрос:

Могла ли собака Баскервилей жить или идти по следу с «маской» фосфора? В чем ошибка Конан Дойля?

Предполагаемые ответы учеников:

-белый фосфор токсичен, а значит, собака отравилась бы;

-возможно, она бы не дала себя намазать фосфором;

-белый фосфор имеет резкий чесночный запах, а значит собака не могла бы учуять след, потеряла бы нюх;

-собака могла погибнуть от отравления фосфором.

    Мы с Вами говорили о фосфоре как о простом веществе, однако фосфор в виде простого вещества в природе не встречается, только в виде солей.

Получение: из апатитов, минерала, основной компонент фосфат кальция

   Ca3(PO4)2  +  SiO2  +  C  →   P  +  CaSiO3  +  CO

Задание: Самостоятельно составить электронный баланс и уравнять

Вопрос классу:  одинаковые или различные свойства будут  у различных аллотропных модификаций фосфора и почему?

1. Взаимодействие с металлами уравнение реакции и название продукта
2. Окисление уравнение реакции и название продукта

Соединения фосфора. Задание классу: Самостоятельно напишите химические свойства кислотных оксидов на примере оксидов фосфора.

I вариант    оксида фосфора (V)

II  вариант  оксида фосфора (III)

Работа в парах: взаимопроверка и комментарии.

Учитель биологии: Мы знаем, что фосфор участвует во всех видах обмена веществ.

Назовите 3 этапа обмена веществ? (слайд 5, 6)

1 этап-поступление, конечно с пищей.

Основные источники: молоко и молочные продукты, рыба, мясо, яйца, бобовые.

1600мг/сутки.

В кишечнике, особенно в толстом, происходит всасывание в кровь. Часть его поступает  в клетки, часть- удаляется с мочой и калом.

В сыворотке крови содержание органического фосфора изменчиво, а неорганического постоянно 3-5,5мг%

Может ли это быть диагностическим показателем?

 Содержание фосфора увеличивается при:

-заболеваниях почек,

-сахарном диабете,

-акромегалии,                                                                                                                   аддисоновой болезни.

А уменьшается при:

-повышении функции паращитовидных желез.

При недостатке:

Остеопороз –у взрослых, рахит – у детей, фосфорное голодание – у растений.

   Через кровь фосфор поступает в клетки. В теле человека 1,5 кг фосфора. Больше всего в костной ткани -1,4 кг,130г – в мышечной, 12г –в нервной.

Учитель химии. На примере кости рассмотрим значение соединений фосфора в этом органе.

Демонстрационный опыт.

Рассмотрим куриную кость: твердая, прочная…

Предварительно такая же кость была помещена на сутки в 10% раствор соляной кислоты.

Что наблюдаем: кость стала гибкой и её можно завязать в узел.

Сделайте вывод из увиденного опыта.

Предполагаемый вывод: Соединения фосфора вместе с катионами кальция обеспечивают прочность костей.

Самостоятельная работа учащихся.

Задание: Составить уравнения реакций вымывания фосфатов из костей, переход средней соли в кислые на примере перехода фосфата в гидрофосфат и в дигидрофосфат

Физкультурная минутка. Упражнения для глаз, несколько двигательных упражнений.

Учитель биологии: Во всех живых организмах элемент №15 находится исключительно в виде ортофосфат-анионов или органических эфиров фосфорной кислоты, поэтому наряду с термином «фосфор» при обсуждении биологической роли элемента часто используют понятие «неорганический фосфат».

Проблемный вопрос, актуализация знаний о роли фосфора в клетке человека.                                                                                                                                                                            Какую же роль играет фосфор в клетке?                                                                                                         1. входит в состав нуклеиновых кислот (Какие?  Мономеры?  Состав?)

В процессе эволюции именно эти фосфорные соединения стали универсальными хранителями генетической информации.

2.входят в состав клеточных мембран – фосфолипиды.

 Изучая какой процесс, мы говорили «окислительное фосфорилирование» - один из этапов энергетического обмена. Что образуется в результате энергетического обмена? – АТФ. Нарисуйте схему строения? (слайд 7)

АТФ- наномолекула (т.е. её размер от 1 до 100нм). Продолжительность жизни не более 1 минуты.

Это вещество не запасается организмом, поэтому в сутки синтезируется до 40 кг этого вещества.

Благодаря особенностям химического строения атомы фосфора способны к образованию богатых энергией – макроэргических связей. При разрыве которой выделяется примерно 40 кДж энергии. Сколько в АТФ таких связей? - две. АТФ играет центральную роль в превращениях энергии в клетке. Это единственный и универсальный источник энергии для всех клеточных реакций.

Фосфор входит в состав ферментов (киназа, фосфорилаза, фосфотаза), которые также можно рассматривать как нановещества, и витаминов.

Главную роль в превращениях соединений фосфора играет печень. Эти процессы регулируются гормонами и витамином Д.

Учитель биологии. Что вам известно об использовании фосфора в современной технологии?

Сообщение учащегося об использовании фосфора в нанотехнологиях

Команда исследователей из Нидерландов впервые успешно захватила одну единственную молекулу РНК при помощи ловушки, созданной на основе нанопор. Разработанная методика работы с одной молекулой РНК позволит в будущем объяснить их форму, измерив силы, действующие на отдельные фрагменты сложной структуры. Вероятно, это обеспечит ученым понимание особенностей сложной структуры РНК.

  Молекулы РНК определяют механизм, при помощи которого молекулы взаимодействуют друг с другом в клетках живых организмов. Геномы многих вирусов состоят исключительно из РНК, т.е. для более глубокого понимания их воздействия на живые организмы, необходимо научиться понимать «язык» РНК.

 Однако, изучение пространственной структуры РНК – весьма сложная задача, ранее не доступная ни для одной из существующих техник. Проблема заключалась в том, что молекулы РНК имеют слишком маленькие размеры, т.е. их поведением достаточно сложно управлять при помощи лабораторных инструментов. Решение проблемы – использование нанопор, при помощи которых можно

 не просто захватывать  молекулу РНК, но и «протягивать» ее через нанопору в нужном направлении. Это, в свою очередь, обеспечивает возможность распутать ее сложную структуру и измерить силы, действующие на ее отдельные фрагменты.   Методика даст возможность не только исследовать сами молекулы РНК, но и обнаруживать белки, связанные с РНК. Таким образом, предложенная техника – это не просто еще один из вариантов использования нанотехнологий в биохимических исследованиях. Это путь, который в будущем позволит приоткрыть завесу тайны, скрывающую свойства и особенности РНК.                                                                                                                                                     Еще одна отрасль наноисследований – лечение органов. Ученые Воронежского государственного университета разработали серию нанокристаллических керамических материалов на основе минерала из фосфата кальция, плотные и пористые керамики, и разработали методы нанесения покрытия из этих материалов на ткань.

Создание искусственных тканей для лечения того или иного органа человека – одно из стратегических направлений современной медицины. При этом изготовление костных имплантатов, которые быстро врастают в живую кость либо замещаются живой костной тканью, в настоящее время развито в наилучшей степени. Например, операции по вживлению искусственных зубов вошли в повседневную медицинскую практику. Основной материал, используемый при создании костных имплантатов, – гидроксиапатит, минерал на основе фосфата кальция. Из него либо делают пористый протез кости (поры нужны для быстрого заселения протеза клетками костной ткани), либо наносят в качестве покрытия на металлические имплантаты, улучшая их приживаемость в организме.

 Основная задача материаловедов, работающих в этой области, – обеспечить искусственной кости такие же прочностные и упругие свойств, что и у живой кости. Добиться этого можно, варьируя химическим составом материала и его микроструктурой.

Активно проводятся работы по созданию нанокапсул и наносфер для целенаправленной доставки лекарственных препаратов в организме человека (онкологическая, противогепатитная и анти-ВИЧ-терапия). Лекарства, содержащиеся внутри наночастиц, переносятся к определенному органу, требующему лечения.

Учитель биологии. Значение фосфатов в питании человека огромно. Практически весь фосфор усваивается организмом человека в виде неорганических фосфатов, в среднем всасывается около 70% потребляемого с пищей фосфора. Суточная потребность в элементе для беременных и кормящих женщин составляет 1500 мг, для детей 2–6 лет 800 мг, детей 10–12 лет – 1200 мг, взрослого человека 800 мг.

В силу распространенности фосфатов в природе, обычный дневной рацион взрослого человека содержит фосфора в 7–10 раз больше суточной потребности в нем, поэтому встречаться со случаями недостаточного поступления этого элемента в организм приходится очень редко. Важнее правильное сочетание в рационе кальция и фосфора, ведь образование костной ткани связано с обоими этими элементами. Замечено, что если организм испытывает недостаток кальция, то, как правило, тут же обнаруживается переизбыток фосфора, и наоборот. Детальные исследования позволили установить, что оптимальная суточная норма фосфора, поступающего с продуктами питания, эквивалентна таковой для кальция, то есть пища должна содержать одинаковые количества по массе фосфора и кальция (исключение – норма для грудных детей).                                                                                                                           Ниже приводятся некоторые примеры содержания фосфора и кальция в обычной пище: (слайд 10)

Таблица. Содержание фосфора в продуктах питания

Заключение.

Вернемся к началу урока и вспомним слова академика А.Е.Ферсмана (слайд №1) Согласны ли вы с высказыванием ученого, какие аргументы вы можете привести в защиту этого мнения или хотите поспорить с ним.

Предполагаемые ответы учеников:

-входит в состав протоплазмы и мембран клеток – структурной и функциональной единицы живого;                                                                                                                                                                          -участвует во всех видах обмена веществ, что является одним из основных свойств живого;                               -необходим для работы сердечной мышцы;                                                                                                             -и мысли, т.к. входит в состав мозга, нужен для работы нервной системы

Выводы урока:

-прокоментируйте слова Ферсмана;

-соединения фосфора в природе могут переходить из одного состояния в другое;

-фосфор – необходимый элемент для всего живого;

-необходим для работы сердечной мышцы;

-фосфор – входит в состав многих наномолекул (белков, РНК, АТФ):

Сконструировать молекулы с заданными свойствами;

- основа здоровья человека – сбалансированное питание, которое включает, в том числе, и соединения фосфора.

Домашнее задание:

Выпишите необходимые для выполнения домашнего задания данные из таблицы на слайде.

Задачи

1. Вычислить суточную потребность человека в картофеле, если предположить, что только из него может быть получен необходимый фосфор.
2. Вычислить суточную потребность человека в говядине, если предположить, что только из нее может быть получен необходимый фосфор.