Программа элективного курса«ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ» по химии для учащихся 10- 11 классов средней общеобразовательной школы

ПРОГРАММА ЭЛЕКТИВНОГО КУРСА «ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ» ПО ХИМИИ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ 10-11 КЛАССОВ СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ (32 часа)


Пояснительная записка

Практически все разделы курса «Химия» профильного уровня для учащихся 10-11 классов средней общеобразовательной школы, такие как «Основы теоретической химии», «Неорганическая химия», «Органическая химия», «Экспериментальные основы химии», «Химия и жизнь», предполагают изложение материала, который может послужить основой для успешного освоения курса «Введение в нанотехнологии». Наиболее значимыми элементами школьной программы по химии в этом аспекте являются сформированные у школьников представления об атоме и его строении, видах химической связи и особенностях межмолекулярного взаимодействия, закономерностях протекания химической реакции, благородных газах и металлах, соединениях подгруппы углерода, природных и синтетических полимерах. Вместе с тем приходится констатировать, что как в образовательном стандарте, так в и действующих программах по химии нет ни одного раздела, посвященного ознакомлению с нанотехнологиями. Термин «нанотехнологии» не употребляется и в созданных на данный момент учебниках по химии для общеобразовательных школ, следовательно, не раскрывается и его сущность. Представленная программа призвана восполнить образовавшуюся брешь между реальными потребностями времени, продиктованными самой жизнью и содержанием учебной дисциплины «Химия».

Программа предназначена для учащихся 10-11 классов средних общеобразовательных учебных заведений естественно-научного, физико-математического и других профилей. Курс базируется на знаниях, полученных учащимися при изучении химии, физики, биологии, математики в основной и старшей общеобразовательной школе.

Содержание элективного курса «Введение в нанотехнологии» носит, в том числе, общеобразовательный и развивающий характер. Элективный курс «Введение в нанотехнологии» позволяет продемонстрировать ряд методологических идей, способствующих активизации, структурированию и развитию мыслительной деятельности учащихся. Эти методологические идеи обладают возможностью переноса из одной области знания в другую, что позволяет сделать вывод об их общем характере, способствует формированию общих учебных умений и способов действий. К выделенным методологическим идеям относятся идеи о:
уровневой организации материи. К традиционным уровням организации материи (микроуровню – уровню атомов и молекул и макроуровню - уровню вещества) добавляется новый наноуровень, занимающий граничное положение и обеспечивающий уникальные свойства наночастиц и нанокластеров;
эффектах пограничного состояния. Расположение уровня наночастиц и нанокластеров на границе между макро- и микромиром позволяет достичь уникальных пограничных физических, химических, биологических свойств;
переходе количественных изменений в качественные. Демонстрация существенного изменения свойств нанокластеров и наночастиц при незначительном изменении числа атомов, входящих в их состав;
возможности самоорганизации открытых систем. Открытые системы, к которым относятся и биологические объекты, имеющие возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, знанием, получают возможности для самоорганизации и упорядочения;
возможностях решения одной задачи множеством различных способов (задача одна – стратегий множество);
возможностях получения огромного количества материалов с разнообразными свойствами, исходя из многообразия структурных материалов и способов их укладки;
различии свойств структурных элементов, связанных с их разной локализацией: на поверхности материала или в его более глубоких слоях (разная локализация – различные свойства);
опасности новых технологий (новые технологии – новые опасности). Любая новая технология наряду с несомненным позитивным компонентом несет и негатив, опасности, связанные с травматизмом, заболеваниями, ущербом окружающей среде и т. д.

Элективный курс состоит из 8 достаточно независимых тем и рассчитан на обучение в объеме от 16 до 32 учебных часов. Согласно представленному тематическому планированию он включает инвариантную и вариативные части. Содержание данного курса соответствует приоритетным задачам современного образования, предполагающим формирование таких качеств выпускника, как способность к творческому мышлению, самостоятельность в принятии решений, инициативность. Поставленные задачи требуют корректировки не только содержания образования, но и совершенствования технологии обучения, внедрения передовых методических приемов.

Содержание данного курса соответствует приоритетным задачам современного образования, предполагающим формирование таких качеств выпускника как способность к творческому мышлению, самостоятельность в принятии решений, инициативность. Поставленные задачи требуют корректировки не только содержания образования, но и совершенствования технологии обучении. В пособии даны методические рекомендации по преподаванию 8 тем программы. Эти рекомендации имеют единую структуру и включают описание:
темы;
цели;
задач;
программных вопросов;
ведущего метода обучения;
материалов и оборудования;
базовых (опорных) понятий;
формируемых (основных) понятий;
содержательного плана урока;
словаря используемых терминов;
контрольных вопросов;
заданий для закрепления знаний;
творческих заданий;
списка литературы по модулю.


Цели и задачи изучения дисциплины


Цели:
дать ученику возможность ознакомиться с новой отраслью знаний – нанотехнологией и, в частности, нанохимией, оценить свои склонности и интересы к данной области знания, а также прийти к мысли о важности фундаментальных естественных наук, их взаимосвязи между собой и практическом использовании полученных знаний;
помочь учащемуся в выборе будущего профиля обучения для реализации своих интеллектуальных и творческих способностей.


Задачи:
сформировать понятия «нанотехнология» и «нанохимия». Показать междисциплинарный характер нанохимии, ее перспективы для реализации потребностей человечества;
обосновать фундаментальные принципы, лежащие в основе нанохимии;
познакомить учащихся с основными методами исследования в нанохимии;
познакомить учащихся с применением основных достижений нанохимии;
познакомить учащихся с различными направлениями наноматериаловедения: нанопорошками, полупроводниковыми устройствами, углеродными материалами (нанотрубками, кольцами, фуллеренами), высокопрочными нанокристаллическими и аморфными материалами, негорючими нанокомпозитами на полимерной основе, материалами для изготовления устройств сверхплотной записи информации, нанопористыми материалами для химической и нефтехимической промышленностей, топливными элементами, электрическими аккумуляторами и другими преобразователями энергии, устройствами для хранения энергии, полимерными материалами;
показать возможность распространения методов нанотехнологии в область живой материи (фармацевтика, целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов, регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты);
продемонстрировать взаимосвязанность и взаимообусловленность естественных и технических наук, синергетику их интеграции в нанотехнологиях.


Требования к уровню освоения дисциплины


Ученик должен:


иметь представление:
о фундаментальном единстве естественных наук, незавершенности естествознания и возможности его дальнейшего развития;
о соотношениях порядка и беспорядка в природе, упорядоченности строения объектов, переходах в неупорядоченное состояние и наоборот;
об основных нанохимических системах и нанопроцессах;
о возможности использования основных достижений нанохимии для реализации потребностей человечества.


знать:
основы нанотехнологии и нанохимии, основные принципы нанохимии и методы ее исследования;
основные достижения нанохимии, уникальные свойства наноматериалов, их применение и перспективы развития этой отрасли науки;
о роли нанохимии в решении общечеловеческих проблем (экологических, медицинских, технологических и др.).


уметь:
выполнять творческие задания для самостоятельного получения и применения знаний, писать рефераты;
принимать участие в дискуссиях и отстаивать свою точку зрения.


приобрести навыки:
самостоятельной работы с учебной, научной и справочной литературой;
вести поиск и делать обобщающие выводы.


Объем дисциплины


Объем дисциплины и виды учебной работы

Курс включает обязательные и вариативные темы.


Распределение часов по темам и видам учебной работы

Форма обучения: лекционные и семинарские занятия, деловые игры, защиты проектов

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]


Содержание курса

Основные объекты и понятия нанотехнологии.

Нанохимия. «Нанотехнология», «нанохимия», объекты нанометровых размеров, законы квантовой механики и классической физики, шкала размеров объектов наномира, наносистемы, кластеры, наноматериалы, наночастицы, характеристика нанообъектов по размерному признаку. Прикладная нанохимия, теоретическая нанохимия, экспериментальная нанохимия, перспективы развития нанотехнологии и нанонауки: задачи крактосрочных, среднесрочных и долгосрочных проектов.

Объекты нанохимии и уникальные свойства наночастиц.

Наносистемы. Классификация объектов нанохимии: наночастицы из атомов инертных газов, наночастицы металлов, нанотрубки, фуллерены, ионные кластеры, фрактальные кластеры, молекулярные кластеры. Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц: серебро, оксид цинка, диоксид кремния. Химические нанореакторы: щелочные и щелочноземельные металлы, переходные элементы, элементы 8-й группы, подгруппа меди и цинка, подгруппа бора.

Химическая связь и квантоворазмерные эффекты наночастиц.

Виды химической связи, действующей в наносистемах: ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь, водородная связь, Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Валентность. Кристаллическая решетка, диполь-дипольное взаимодействие. Магнитные характеристики наночастиц, ферритин.

Получение наночастиц.

Диспергационные и конденсационные методы. Стабилизатор наночастиц. Магические числа. Электровзрывной метод получения наночастиц. Консервация наночастиц. Химический синтез наносистем. Особенности химических свойств наночастиц и нанокластеров. Химическое восстановление для получения наночастиц металлов в жидкой фазе. Реакции в дендримерах. Радиационно-химическое восстановление. Фотохимический синтез. «Золь-гель» метод. Методы получения наночастиц металла.

Наноматериалы и перспективы их применения.

Факторы, определяющие уникальные свойства наноматериалов. Уникальные свойства наноматериалов. Нанопорошки. Аморфное состояние. Аморфно-нанокри-сталлическое состояние. Нанопористый углерод. Полимерные нанокомпозиты. Нанокомпозиты с сетчатой структурой. Слоистые нанокомпозиты. Нанокомпозиты, содержащие металл или полупроводник. Молекулярные нанокомпозиты. «Умные» наноматериалы. Биомимитические наноматериалы (биомиметики). Ферромагнитная жидкость.

Особая роль углерода в наномире.

Фуллерены. Молекулы фуллеренов С60 и С70. Галогенирование фуллеренов. Свойства хлорпроизводных фуллерена. Оксиды фуллерена. Фуллерены с внедренными частицами металлов. Фуллериты и их свойства. Углеродные нанотрубки, графен, получение углеродных наноструктур, электродуговое распыление графита, лазерное испарение графита, метод химического осаждения из пара (каталитическое разложение углеводородов), радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост при высоком давлении и температуре.

Медицинская и экологическая нанохимия.

Квантовые точки и их роль в диагностике. Сенсоры пероксида водорода. Сенсоры pH. Экспресс-анализаторы. Роль нанокапсул и наносфер в терапии рака, гепатита, ВИЧ. Биологическая усвояемость. Криохимические технологии в наномедицине. Наночастицы благородных металлов. Нанокристаллические оксиды. Нанотехнологии в борьбе с онкологическими заболеваниями. Фильтрующие мембраны, нанополотенца и др. Создание наночастиц в биологических тканях, однослойные углеродные нанотрубки с адсорбированными антителами. Иммунонаносферы для избирательной фототермической терапии и наносферы для комбинированной терапии рака и обнаружения опухолей. Лечение рака груди с помощью комбинации люлиберина, цитотоксического белка и наночастиц оксида железа. Опухоль-ориентированные системы доставки. Лечение раковых метастазов, фуллерерновые наношарики в терапии рака. Нанохимические технологии и охрана окружающей среды.

Нанохимия и нанобиотехнология.

Направления развития нанобиотехнологии. «Сухие» и «мокрые» нанотехнологии. Получение искусственных наноструктур на основе биомолекул. Наномотор с небиологическими элементами. Генная инженерия. Рекомбинантная ДНК. Метод введения биоматериалов в живые клетки. Моделирование наноструктур с использованием молекул нуклеиновых кислот.


Ресурсное обеспечение дисциплины


Основная учебно-методическая литература (рекомендуемая как обязательная)
Введение в нанотехнологии. УлГУ, 2008.
Сергеев, Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. – М. : Изд-во МГУ, 2007. – 336 с.


Дополнительная литература
Андриевский, Р.А. Рагуля, А.В. Наноструктурные материалы. – М.: Академия, 2005.
Баженов, С.Л., Берлин, А.А., Кульков, А.А. Полимерные композиционные материалы. - ИД «Интеллект», 2-3 квартал, 2008.
Генералов, М.Б. Криохимическая нанотехнология: учеб. пособие для вузов по спец. "Машины и аппараты хим. пр-в" и "Автоматизир. пр-во хим. предприятий" - М.: Академкнига, 2006. - 325 с.
Губин, С.П. Химия кластеров. Основы классификации и строения. – М.: Наука, 1987. – 262 с.
Гусев, А.И., Ремпель, А.А. Нанокристаллические материалы. /А.И. Гусев, А.А. Ремпель – М.: Физматлит. – 2000. – 224 с.
Мелихов, И.В. Физико-химическая эволюция твердого вещества. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 -309 с.
Нанотехнология в ближайшем десятилетии / Под ред. М.К. Роко. – М.: 2002.
Петров, Ю.И. Кластеры и малые частицы. – М.: Наука. – 1986.
Помогайло, А.Д., Розенберг, А.С., Уфлянд, И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. – М.: Химия. 2000. – 627 с.
Пул, Ч., Оуэнс, Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004.
Раков, Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: Учебное пособие. - М.: ИД Интеллект, 2008.
Рамбиди, Н.Г. Полимеры – молекулы и наноструктуры. - М.: ИД Интеллект, 2-3 квартал, 2008.
Рыбалкина, М. Нанотехнологии для всех – М.: Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с.
Суздалев, И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов - М.: КомКнига, 2006. - 590 c.
Суздалев, И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов - М.: КомКнига, 2006. - 590 c.
Фахльман, Б. Химия новых материалов и нанотехнологии - М.: ИД Интеллект, 2-3 квартал, 2008.
Харрис, П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. – М.: Техносфера, 2005.
Шабанова, Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов: учеб. пособие для вузов / Н.А. Шабанова, В.В. Попов, П.Д. Саркисов - М.: #Академкнига, 2006. - 309 с.


Интернет ресурсы
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]


Перечень основных профессиональных и реферативных журналов по профилю дисциплины:
«Успехи химии».
«Прикладная химия».
«Российский химический журнал» (Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева).
«Неорганические материалы».
J. Am. Chem. Soc.
J. Phys. Chem.
J. Nature

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]