Внеклассная работа Химия и космос

МОУ «Хомутниковская

средняя общеобразовательная школа»

Урок на тему

Химия и космос

(10 класс)

Подготовила:

учитель химии МОУ ХСОШ

п. Хомутников

Мухлаева Эльвира Ивановна

Химия и космос

Цель: вспомнить, перечислить этапы развития космонавтики, конструкторские изобретения ставшие решающими факторами в деле "победы человека над космосом" и принесшие славу и приоритет отечественной науке.

Задачи:

- воспитательная: воспитывать патриотизм, чувство гордости за достижения человеческого разума и за достижения отечественной науки и народа, самоотверженно кующего материальную основу "победы человека над космосом"; воспитывать волю к победе на исторических примерах.

- развивающая: развивать интерес к химии, технике и отечественной истории. Развивать навыки самостоятельной работы с дополнительной литературой и Интернетом, находить и отбирать требуемую информацию, отбрасывая всю постороннюю, анализировать полученные сведения, приводить их в систему.

Оборудование:

●компьютер, проектор, экран для мультимедийной презентации

Ход урока

Вступительное слово учителя - сообщение цели урока, вклад химии в освоение космоса. Слайд№1

- Химия имеет прямое отношение ко многим достижениям человека в освоении космоса.
Без усилий многочисленных ученых-химиков, технологов, инженеров-химиков не были бы созданы удивительные конструкционные материалы, которые позволяют космическим кораблям преодолеть земное притяжение, сверхмощное горючее, помогающее двигателям развить необходимую мощность, точнейшие приборы, инструменты и устройства, которые обеспечивают работу космических орбитальных станций.

Слайд№2. В 1911 году Циолковский произнес свои вещие слова: «Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, с начала робко проникнуть за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все около земное пространство».

Слайд№3
Слайд№4. 12 апреля 1961 г. в 9 ч 07 мин по московскому времени в нескольких десятках километров севернее поселка Тюратам в Казахстане на советском космодроме Байконур состоялся запуск межконтинентальной баллистической ракеты Р-7, в носовом отсеке которой размещался пилотируемый космический корабль «Восток» с майором ВВС Юрием Алексеевичем Гагариным на борту. Запуск прошел успешно. Космический корабль был выведен на орбиту с наклонением 65 гр., высотой перигея 181 км и высотой апогея 327 км и совершил один виток вокруг Земли за 89 мин. На 108-ой мин после запуска он вернулся на Землю, приземлившись в районе деревни Смеловка Саратовской области. Таким образом, спустя 4 года после выведения первого искусственного спутника Земли Советский Союз впервые в мире осуществил полет человека в космическое пространство.

Слайд№5. Металлы в космосе. (сообщение уч-ся)

Освоение космоса открывает перед металлургами новые технологические возможности. В невесомости резко меняются процессы течения жидкостей и теплопереноса. Благодаря этому в космосе можно использовать совершенно новые способы получения и переработки металлических и неметаллических материалов.
Расплав под действием поверхностного натяжения принимает шарообразную форму и свободно повисает в пространстве. Как показали американские и советские исследования, расплавленная медь в космосе за 3 секунды образует шар диаметром 10 сантиметров. Металл не загрязняется примесями, которые на Земле переходят на него со стенок печи. С помощью электрических и магнитных полей свободно парящему расплаву можно предать нужную форму - таким образом родилась новая технология формообразования металлических деталей. Разные расплавы, сильно отличающиеся друг от друга по плотности, идеально смешиваются между собой и после этого не расслаиваются - на Земле это неизбежно происходит под действием силы тяжести. Можно даже смешивать расплавы с газами. Материал содержащий 87% газа и 13% стали, плавает в воде как пробка. Такие вспененные материалы открывают путь для новых конструктивных решений в судостроении и авиации.

Крылатый металл (сообщение уч-ся)

Слайд№6. Монумент в честь покорителей космоса был воздвигнут в Москва в 1964 году. Семь долгих лет ушло на проектирование и сооружение этого обелиска.
У авторов проекта много времен и сил ушло на выбор облицовочного материала монумента. В конце концов был выбран полированный титан - точнее тонкие листы этого металла.
Прошло 37 лет, а металлическая облицовка монумента осталась по-прежнему гладкой и блестящей - как будто ее изготовили каких-нибудь полгода назад...
Действительно, по многим характеристикам, и прежде всего по коррозионной стойкости, титан превосходит подавляющее большинство металлов и сплавов, так что иноргда его даже называют "вечным" металлом.
Титан сегодня - это важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники.
Широко известен авиционный сплав, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. Другой авиационный сплав содержит уже 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. В титановые сплавы иногда вводят даже платину и палладий ( 0,1--0,2%). Эти добавки повышают и без того высокую стойкость титана.
Титан используют для изготовления баллонов, в которых длительное время под давлением могут находиться различные газы. Например, в американских ракетах типа "Атлас" сферические резервуары для хранения сжатых газов сделаны из титана. Из титановых сплавов изготавливают и баки для окислителя ракетного топлива - жидкого кислорода.
Удивительное свойство титановых сплавов с никелем - способность "запоминать" свою форму. Проволока из такого материала может быть использована для изготовления радиоантенны или каркаса солнечной батареи космического корабля. На холоду это изделие можно сжать в небольшой шар. А при нагревании материал "вспоминает" свою первоначальную форму и разворачивается в то изделие, которое было изготовленно вначале.

Горючие металлы (сообщение уч-ся)

Чтобы преодолеть силы земного тяготения и вырваться в космические просторы, необходимо затратить много энергии. Ракета, которая вывела на орбиту корабль-спутник с первым в мире космонавтом Юрием Гагариным, имела шесть двигателей общей мощностью 20 миллионов лошадиных сил!
Естественно, что выбор ракетного топлива представляет собой проблему исключительной важности. Пока наиболее эффективным горючим считается керосин, окисляемый жидким кислородом. Теплотворность этого топлива составляет 9600 кДж/кг.
Хорошие перспективы может иметь применение металлического горючего. Теорию и методику использования металлов в качестве топлива для ракетных двигателей разработали советские ученые Юрий Васильевич Кондратюк (настоящие имя и фамилия - Александр Игнатьевич Шаргей) (1897-1942) и Фридрих Артурович Цандер (1887-1933) - ученые-изобретатели, пионеры отечественной ракетной техники.
Одним из наиболее подходящих для этой цели металлов является литий. При сгорании 1 килограмма этого металла выделяется почти 43000 кДж! Большей теплотворностью может похвастать лишь бериллий. В США опубликованы патенты на твердое ракетное топливо, содержащее 51- 68% металлического лития.
Любопытно, что в процессе работы ракетных двигателей литий выступает против... лития. Являясь компонентом горючего, он позволяет развивать колоссальные температуры, а обладающие высокой термостойкостью и жароупорностью литиевые керамические материалы, используемые как покрытия сопел и камер сгорания, предохраняют их от разрушительного действия горючего.
При сгорании алюминия в кислороде или фторе тоже отмечается высокое тепловыделение. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка!

Космический цех полупроводников (сообщение уч-ся)

Важнейшая область применения редкого металла индия - производство полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота - "шесть девяток", т. е. 99,9999%!
Соединения индия с серой, селеном, сурьмой, фосфором и сами являются полупроводниками. Их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Соединение индия с сурьмой, которое технологи называют "антимонид индия", служит основой инфракрасных детекторов, способных "видеть" в темноте нагретые предметы.
Индий оказался одним из немногих химических элементов, "командированных" в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов.
Слайд№7. В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе "Союз"- "Аполлон", командиры экипажей Алексей Архипович Леонов и Томас Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите.
В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ. "Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов - металлических и полупроводниковых, - сказал А. Леонов. По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы..."
"Наши астронавты, - добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальной станции "Скайлэб" проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле".
Слайд№8. А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции "Салют-6" были проведены новые технологические эксперименты, в которых "участвовали" индий и его соединения.
Можно привести множество других примеров того, как используются в космической отрасли достижения науки ХИМИИ..
Несколько фактов про металл на Марсе (сообщение уч-ся)

Слайд№9. Марсоход Spirit обнаружил на красной планете сверхлегкий прочный металл, который, по прогнозам металловедов, может в будущем заменить сплавы алюминия. По данным рентгеноскопии, нового металла в почве планеты около 14,5%. Астрологи полагают, что именно высоким содержанием данного металла в почвах планеты объясняется орбита планеты, которая отличается от орбиты других планет солнечной системы.
Напомним, что Spirit оборудован, как заправский полевой геолог: цветные стереокамеры и инфракрасная аппаратура, богатый набор инструментов на выдвижной механической руке. В частности, микроскоп, гамма-спектрометр и даже небольшой бур-дробилка, позволяющий роботу посмотреть - что у выбранного учёными валуна внутри. Хотя максимальная скорость вездехода составляет 5 сантиметров в секунду - средняя будет в пять раз меньше.
Робот запрограммирован на непрерывное движение в течение 10 секунд, затем - остановка и анализ ситуации.
Пусть общее управление (выбор объектов для детального исследования) будет осуществляться с Земли, тактику передвижения машина вычислит сама.
Учёные полагают, что в ближайшее время стоит ожидать новых открытий с Марса.
Тем временем, в ближайшие десять лет NASA планирует отрабатывать на Марсе технологию, тактику и стратегию первой земной планетарной колонизации. Через каких-нибудь 5-7 лет на "красной планете" будет неустанно трудиться команда из 200-500 роботов, которые к концу десятилетия подготовят фазу-II - прибытие первого землянина.
Повлияет ли это на цену алюминия на рынке металлов пока сказать сложно, однако по данным сайта nasa.org около 80 аналитиков алюминиевых и металлургических компаний уже подписались на рассылку новостей. Редакция нашего журнала так же будет внимательно следить за рынком металлов на Марсе.

Неожиданная находка

Марсоход Оппортьюнити, который уже год путешествует по обширной равнине на плато Меридиана, сделал интересную находку, вновь выйдя к месту своей посадки. Большой конусообразный объект, который вы видите на рисунке в центре, это защитный металлический тепловой кожух марсохода, сброшенный при посадке. Сюрпризом оказался камень, лежащий неподалеку от него (на рис. внизу слева), который в основном состоит из плотных металлов железа и никеля. Справа на рисунке -- еще одна часть сброшенного теплового кожуха марсохода Оппортьюнити. Видны также более мелкие осколки этого кожуха. Ученые считают, что обнаруженный кусок металла размером с баскетбольный мяч имеет не марсианское происхождение. Скорее всего, это древний металлический метеорит. Находка метеорита на широкой пыльной равнине Марса вызвала оживленные дискуссии ученых о том, сколько всего камней могло упасть на Марс из космоса. На Земле, в ледяных пустынях Антарктиды, также находили подобные метеориты... Роль металлов в освоении космоса велика и до конца не раскрыта…

Слайд№10. РЕГЕНЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ЛА ( ВЫСТУПЛЕНИЕ УЧАЩЕГОСЯ)

Для летательных аппаратов, рассчитанных на полет в верхних слоях атмосферы (а также в безвоздушном пространстве), применяются гермокабины регенерационного типа. Вентиляция в герметической кабине регенерационного типа осуществляется с помощью регенерационной аппаратуры, содержащей специальные поглотители газовых примесей и влаги. Воздух в кабине при работе вентилятора непрерывно циркулирует через регенерационную установку, и в результате происходит непрерывное удаление влаги и газообразных примесей из воздуха. Для компенсации необходимого количества кислорода, непрерывно поглощаемого из воздуха кабины летным экипажем, в системе кондиционирования предусматривается определенный запас кислорода из расчета 20≈30 л/час на человека при его работе средней напряженности. Требуемая величина парциального давления кислорода в воздухе кабины регулируется с помощью регулятора парциального давления с воздействием на исполнительный орган подачи кислорода в кабину.
Система кондиционирования воздуха ГК регенерационного типа отличается наличием регенерационной установки, теплообменника, обеспечивающего необходимый температурный режим внутри кабины, дополнительного источника кислорода, предназначенного для поддержания требуемого парциального давления кислорода, и источника воздуха, служащего для компенсации возможной утечки воздуха из кабины.
В качестве поглотителя влаги в регенерационных установках могут быть использованы силикагель или окислы щелочных металлов. Обычно для поглощения паров воды используется силикагель. Поглощение продуктов дыхания, в основном≈углекислого газа, производится с помощью натронной извести, состоящей из 97% Са(ОН)2 и 3% NaOH. Весьма перспективным является применение окислов щелочных металлов (химически активных соединений). Использование химически активных соединений в регенерационных установках способствует снижению до минимума расхода чистого кислорода. Реакция по регенерации воздуха с помощью химически активных элементов, например - надперекись калия, на первом этапе протекает по формуле:
4 КО₂ + 2 Н ₂ О = 4 КОН + 3 О ₂. ( Запись на доске - уч-ся)

Образующаяся щелочь вступает в реакцию, которая характеризуется уравнением: 4 КОН + 2 СО ₂ = 2 К ₂ СОз + 2Н ₂О. Слайд№11, 12.
Системы кондиционирования воздуха в ПС регенерационного типа теоретически не имеют ограничения по высоте полета. Полет в регенерационных кабинах протекает без применения систем кислородного питания, что дает большие удобства летному экипажу. Из недостатков можно отметить необходимость иметь большой запас кислорода и обеспечивать исключительно высокую герметизацию кабины.

Химическая защита космонавта от поражающего действия космической радиации (сообщение уч-ся)

Успехи в изучении и освоении космического пространства позволят в недалеком будущем совершать межпланетные полеты. Как же защитить космонавта от радиационной опасности?

Конечно, самой идеальной защитой от поражающего действия космической радиации является механическая (физическая) защита - применение защитных экранов, тканей, создание на корабле специальных убежищ и т. п. Но такая защита далеко не всегда осуществима.

Поэтому перед учеными встала задача - изыскать пути и средства, которые бы снижали чувствительность организма к поражающему действию космической радиации. Проблема профилактики лучевой болезни с помощью химических веществ имеет важное значение не только для успешного освоения космического пространства, но и для всего человечества.

В наше время, в связи с широким использованием ядерной энергии в народном хозяйстве, медицине, науке, а также последствиями испытаний ядерного оружия имеется возможная опасность радиационных поражений для населения нашей планеты.

Для изыскания химических средств защиты было проверено и изучено более 3000 различных химических веществ, соединений и биологических препаратов, самых разнообразных не только по физико-химическим свойствам, но и по своему действию на организм: нитриты, цианиды, снотворные, возбудители нервной системы, аминокислоты, полисахариды, серусодержащие вещества и т. д.

В результате этих исследований были найдены вещества, которые, будучи введены в организм животного за определенное время до облучения, снижали в той или иной степени поражающий эффект радиации, что сказывалось благоприятным образом на развитии и течении лучевой болезни и увеличении процента выживаемости. При определенных условиях эксперимента выживаемость животных в опытных группах достигала 100% при почти полной гибели в контрольных группах. Следовательно, было установлено, что некоторые химические вещества повышают устойчивость организма к радиации. Такие вещества были названы радиозащитными, или протекторами.

В качестве иллюстрации приводим следующую таблицу.

Слайд№14. Влияние некоторых химических веществ на выживаемость белых мышей,
облученных смертельной дозой рентгеновых лучей

¹ Средние величины. Гибель мышей в соответствующих контрольных группах составляла 90 - 93,6%.

Поиски радиозащитных веществ проводились и сейчас продолжают проводиться в различных направлениях. Уже найдено много веществ, которые в опытах на животных оказывают хорошее защитное действие от радиации. Но не всякий препарат, зарекомендовавший себя положительно в опытах на животных, может быть использован в медицинской практике. Например, угарный газ, цианистый калий, цианистый натрий в экспериментах на мышах и крысах оказались весьма эффективными радиозащитными веществами, однако они являются сильнейшими ядами и не могут быть использованы для профилактики человека от радиационных поражений.

Из всех защитных веществ наибольший практический интерес представляют соединения, содержащие в своей молекуле так называемые сульфгидрильные группы (SH-). Среди них первыми в 1949 г. были испытаны в качестве радиозащитных средств цистеин и глютатион.

В 1951 г. З. Бак (Бельгия) установил, что цистеамин оказывает прекрасный защитный эффект. Выживаемость мышей, получавших этот препарат при смертельной дозе облучения, доходила до 100%.

Сообщение 3. Бака приковало к себе внимание радиобиологов всех стран мира. Результаты были подтверждены учеными многих стран, в частности и в Советском Союзе, на всех видах животных, в том числе на собаках и обезьянах. Вскоре было установлено, что цистеамин защищает не только животных, но и человека. Этот препарат в виде хлористоводородной соли в 10% растворе в ампулах начали успешно применять как за границей, так и у нас для предупреждения лучевой болезни, иногда развивающейся при лечении злокачественных опухолей рентгеновыми и гамма-лучами. Однако хлоргидрат цистеамина имеет ряд недостатков. Его можно применять только в виде внутривенных вливаний, он нестоек при хранении, действует сравнительно короткое время после введения (около 30 минут) и при инъекции больших доз, близких к токсическим. Это дало основание для синтеза других солей цистеамина.

В Бельгии был предложен салицилат цистеамина, который можно применять в таблетках. Однако эта соль оказалась слишком токсичной, нестойкой при длительном хранении и поэтому не нашла широкого применения. В Италии был предложен тартрат цистеамина. В Советском Союзе синтезированы гидробромид, никотинат и аксорбинат меркамина. Все эти препараты оказались более эффективными, чем хлор-гидрат цистеамина. Особенно ценным оказался аскорбинат меркамина.

Этот препарат был успешно испытан в клинике на людях при рентгено-радиотерапии опухолей. В настоящее время он рекомендован для использования в медицинской практике. Однако аскорбинат меркамина, как и хлоргидрат цистеамина, можно применять только внутривенно, для приема внутрь он непригоден.

В результате исследований были выявлены некоторые весьма ценные в научно-практическом отношении закономерности, характеризующие зависимость радиозащитного эффекта от химического строения вещества. Так, например, оказалось, что максимальный защитный эффект у препаратов аминотиолового ряда (цистеамин и его производные) проявляются в том случае, если они содержат в своей молекуле две химически активные группы. Одна из них должна быть носителем основных, а другая - кислотных свойств, причем эти группы в радиозащитном веществе должны быть расположены на строга определенном расстоянии друг от друга. Такими активными группами у цистеамина являются сульфгидрильная (SH-) и аминная (NH₂). Исключение из препарата одной из этих групп приводит к резкому снижению защитных свойств пpeпaрата.

Кроме того, получен ряд эффективных радиозащитных веществ, превосходящих по своим качествам цистеамин. Среди них прежде всего следует назвать цистамин (синонимы: диаминодиэтилсульфид, дисульфид меркамина), являющийся продуктом окисления цистеинамина, цидоксин - смесь цистамина с пиридоксином, гидробромид бета-аминоэтилизотиуроний, известный под названием АЭТ.

Все три препарата предназначены для приема внутрь в таблетках, стойки при длительном хранении. Радиозащитное действие проявляется в течение нескольких часов.

Дисульфид меркамина рекомендован к использованию в медицинской практике для предупреждения лучевых осложнений при рентгено-радиотерапии.

Слайд№15. Приводим данные советских ученых (В. С. Вахтель, Л. Ф. Синенко) о профилактическом действии дисульфида меркамина.

¹ Облучаемая площадь кожи колебалась от 50 до 650 см².

Таким образом, в настоящее время доказана реальная возможность защиты человека от радиационных поражений с помощью химических веществ. А еще 15 - 20 лет назад некоторые иностранные ученые, основываясь на так называемой теории «мишени», отрицали возможность защиты организма от радиации с помощью химических веществ. Они заявляли, что изыскание химического препарата, который ослаблял бы вредное действие радиации, является настолько же утопичной мыслью, как надежда защитить себя от поражающего действия пули приемом таблетки аспирина.

Понятно, что достигнутые успехи не означают, что проблема химической защиты от радиационных поражений решена полностью. Скорее всего - это только начало. Существующие препараты еще далеко не совершенны. Экипаж космического летательного аппарата подвергается действию не только космической радиации, но и других факторов космического полета. В этих условиях, как показали эксперименты на животных, далеко не все радиозащитные препараты, эффективные на Земле, могут быть рекомендованы в качестве индивидуальных средств в космосе.

Химические препараты, предназначаемые в качестве индивидуальных средств защиты членов экипажа от поражающего воздействия космической радиации, должны отвечать разносторонним требованиям: быть высокоэффективными, но нетоксичными; не оказывать отрицательного влияния на устойчивость организма к перегрузкам (вибрации, ускорению), невесомости и различным условиям обитаемости экипажа в замкнутом пространстве; не оказывать побочного (нежелательного) действия при многократных и длительных применениях; не вызывать даже кратковременной потери трудоспособности; иметь удобную для применения в космическом полете лекарственную форму и, наконец, быть стойкими при хранении.

Изыскание именно таких радиозащитных средств должно предусматривать усовершенствование существующих и синтез новых.

Особо следует обратить внимание на изыскание таких препаратов, которые, будучи приняты после облучения, прерывали бы развитие лучевой болезни.

Помимо химических препаратов, можно усилить сопротивляемость человека к радиации и повышением физических качеств и устойчивости организма (хорошее и полноценное питание, закаливание, занятия физической культурой и спортом).

Известно, что злоупотребление алкоголем, никотином, наркотиками истощает нервную систему и, таким образом, значительно снижает устойчивость организма к радиации.

Учитель: Космонавтика незаметно входит в нашу повседневную жизнь. Вы говорите по телефону с другом из далекого города. Его голос доносится к вам из космоса - спутник транслирует телефонные переговоры. Вы смотрите телевизор в Средней Азии или на Дальнем Востоке, читаете центральные газеты - все это транслируют спутники через космос.
Слайд№16. Спутники помогают предсказывать погоду, из них составляются рукотворные созвездия, по которым в любое время дня и ночи могут ориентироваться штурманы самолетов и океанских лайнеров, космические аппараты передают спасателям сигналы, посылаемые потерпевшими бедствие путешественниками.
Из космоса ведется постоянное наблюдение за нашей планетой. С больших высот хорошо просматривается строение земных недр. Космические снимки помогают геологам вести поиск различных полезных ископаемых, следят по этим фотографиям и за тем, как производственная деятельность человека влияет на окружающую его природу. Информацию из космоса используют сегодня специалисты лесного и сельского хозяйств, с орбит ведутся наблюдения за Мировым океаном, движением ледников, активностью вулканов.
Однако, несмотря на столь широкое использование космонавтики в интересах науки и хозяйства, она еще очень молода, и впереди у нее много побед и открытий.

Слайд№17.

Подведение выводов - краткое выступление учащихся по теме урока, о вкладе химии в освоении космоса.