Чтобы доказать наличие в сосуде кислорода а не воздуха

Кислород, его общая характеристика. Нахождение в природе

Цель урока. Конкретизировать знания о химическом элементе и простом веществе. Изучить физические свойства кислорода. Сформировать представления о способах получения и собирания кислорода в лаборатории.

Задачи:

1. Образовательные:
   – Уметь различать понятия “химический элемент” и “простое вещество”
   на примере кислорода.
   – Уметь характеризовать физические свойства кислорода и способы
   собирания кислорода.
   – Уметь расставлять коэффициенты в уравнениях реакций.

2. Воспитательные:
   формирование аккуратности при выполнении лабораторного опыта;
   внимательности, бережного отношения.

3. Развивающие:
   – Формирование выстраивания логических цепочек, владеть химической
   терминологией, познавательной активности, умозаключений и суждений.

Основные понятия. Химический элемент, простое вещество, физические свойства, катализаторы.

Планируемые результаты обучения. Уметь различать понятия “химический элемент” и “простое вещество” на примере кислорода. Уметь характеризовать физические свойства кислорода и способы собирания кислорода. Уметь расставлять коэффициенты в уравнениях реакций.

Опыт: Получение кислорода из пероксида водорода и подтверждение его наличия.

Демонстрации. Получение кислорода из перманганата калия. Собирание кислорода методом вытеснения воздуха и подтверждение его наличия.

Оборудование и реактивы: Таблица Д.И.Менделеева, раздаточный материал, прибор для получения кислорода из пермангата калия, пероксид водорода 20 мл, оксид марганца, ложка-дозатор, спиртовка, спички , лучина , перманганат калия.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний.

Методы обучения:

• Объяснительно-иллюстративный (словесные: беседа, изложение; словесно-наглядные: самостоятельная работа учащихся с наглядными пособиями; словесно-наглядно-практические: работа учащихся с раздаточным материалом, выполнение химического опыта, выполнение письменной самостоятельная работы).

• Частично-поисковый (эвристический) метод (словесные: беседа-дискуссия; словесно-наглядные: дискуссия с демонстрацией средств наглядности, самостоятельная работа учащихся с наглядным пособием; словесно-наглядно-практические: работа учащихся с раздаточным материалом, выполнение химического опыта, выполнение письменной самостоятельная работы).

• Исследовательский метод (словесно-наглядно-практический: выполнение исследовательского химического опыта).

Формы организации деятельности: фронтальная, групповая (парная).

I. Организационный этап.

1. Приветствие.

2. Определение отсутствующих.

3. Проверка готовности к уроку.

Наличие дневника, классной тетрадки, учебника по химии, ручки.

II. Подготовка учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.

Учитель: Для того чтобы определить тему сегодняшнего урока нам с вами необходимо разгадать ребус?

Слайд 1 Разгадайте ребус и мы узнаем тему сегодняшнего урока.

Рис. 1

(КИСТИ) КИ + (СЛОН) СЛО + РОД

КИСЛОРОД

Учитель: Тема сегодняшнего урока: “Кислород, его общая характеристика и нахождение в природе. Физические свойства кислорода. Получение”.

Тема сегодняшнего урока: “Кислород, его общая характеристика и нахождение в природе. Физические свойства кислорода. Получение”.

“Кислород” – это вещество, вокруг которого вращается земная химия. Я. Берцелиус

Учитель: С помощью языка химии необходимо на доске записать: кислород как химический элемент и как простое вещество.

Кислород – как элемент – О . Кислород – как простое вещество – О2.

Учитель: Сейчас на экране появится несколько фраз (изречений), вам нужно определить в каком значении упоминается в них кислород – как химический элемент или как простое вещество.

Задание: Определите кислород как химический элемент или простое вещество.

1. Кислород входит в состав жизненно важных органических веществ: белков, жиров, углеводов.

2. Все живые вещества на Земле дышат кислородом.

3. В состав ржавчины входят железо и кислород.

4. Рыбы дышат кислородом, растворенным в воде.

5. При фотосинтезе зеленые растения выделяют кислород.

Учитель: Вам необходимо с помощью ПСХЭ им. Д.И.Менделеева дать характеристику химическому элементу “Кислород”, по следующему плану:

1. Порядковый номер – 8

2. Относительная атомная масса – Ar(О) = 16

3. Период – второй

4. Группа – VI

5. Подгруппа – а (главная)

6. Валентность – II

Распространение кислорода в природе:

Первое место по распространенности в земной коре, т.е. литосфере, занимает кислород – 49%, далее следуют кремний – 26%, алюминий – 7%, железо – 5%, кальций – 4%, натрий – 2%, калий – 2%, магний – 2%, водород – 1%.

В биосфере около 65% от массы живых организмов приходится на кислород.

В гидросфере на его долю приходится 89%.

В атмосфере: 23% по массе, 21% по объему.

Рис. 2

Учитель: Вам необходимо с помощью ПСХЭ им. Д.И.Менделеева дать характеристику простому веществу “Кислород”.

Итак, какова же химическая формула простого вещества – 02

Относительная молекулярная масса Мг(02) = 32

История открытия кислорода.

Рис. 3

Рис 5

Рис. 4

Рис. 6

Учитель комментирует: В 1750 году М.В. Ломоносов провел опыты и доказал, что в состав воздуха входит вещество, окисляющее металл. Он назвал его флогистоном.

Получил кислород в 1771 году Карл Шееле. Независимо от него кислород был получен Дж. Пристли в 1774 году.

А история простая…
Джозеф Пристли как-то раз,
Окись ртути нагревая,
Обнаружил странный газ.
Газ без цвета, без названья,
Ярче в нем горит свеча.
А не вреден для дыханья?
Не узнаешь у врача!
Новый газ из колбы вышел –
Никому он не знаком.
Этим газом дышат мыши
Под стеклянным колпаком.
Человек им тоже дышит…

В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород – составная часть воздуха и содержится во многих веществах.

Из атомов мир создавала природа:
Два атома легких взяла водорода,
Прибавила атом один кислорода –
И получилась частица воды,
Море воды, океаны и льды…
Стал кислород
Чуть не всюду начинкой.
С кремнием он обернулся песчинкой.
В воздух попал кислород,
Как ни странно,
Из голубой глубины океана.
И на Земле появились растения.
Жизнь появилась:
Дыханье, горенье…
Первые птицы и первые звери,
Первые люди, что жили в пещере…
Огонь добывали при помощи трения,
Хотя и не знали причины горения.
Роль кислорода на нашей Земле
Понял великий Лавуазье.

Учитель: Теперь познакомимся с кислородом на опыте. Так как мы будем использовать нагревательный прибор (спиртовку), необходимо вспомнить ТБ при работе со спиртовкой:

1. Пользуясь спиртовкой, нельзя ее зажигать от другой спиртовки, так как может пролиться спирт и возникнет пожар.

2. Чтобы погасить пламя спиртовки, ее следует закрыть колпачком.

Налейте в химический стакан раствор Н2О2 (пероксида водорода).

Зажгите спиртовку, поднесите лучину в пламя и затушите лучину. Потом добавьте оксид марганца (IV) в химический стакан и поднесите тлеющую лучину к стакану – что наблюдается?

Ученик: Лучина – вспыхивает. Таким способом мы определили, что в химическом стакане находится кислород.

Учитель: В данном опыте оксид марганца (IV) является катализатором – веществом, которое ускоряет процесс химической реакции, но сам при этом не расходуется.

Демонстрационный эксперимент: “Получение кислорода из перманганата калия”.

Собираем прибор.

Собираем кислород методом вытеснения воздуха в коническую колбу, через некоторое время проверяем на наличие кислорода, с помощью тлеющей лучины, если она вспыхивает, то кислорода собрано достаточное количество.

Закрываем резиновой пробкой и выставляем на подъемный столик.

И

Агрегатное состояние – газ.

Цвет – без цвета

Запах – без запаха

Растворимость в воде – плохо растворим

t° кип. – 183°С

Электропроводность – неэлектропроводен

Теплопроводность – плохо проводит тепло (плохая)

Тяжелее воздуха

предлагаем учащимся охарактеризовать физические свойства кислорода по следующим критериям.

1. Агрегатное состояние -…

2. Цвет – …

3. Запах – …

4. Растворимость в воде – …

5. t o кип. –…

6. Электропроводность – …

7. Теплопроводность – …

8. Тяжелее или легче воздуха

Учитель: Ставим перед учащимися проблемный вопрос: Почему на картинке кислород в виде жидкости голубого цвета?

 
Рис. 7

Ответ учащихся (дополняет учитель): Этот кислород в сжиженном состоянии, а жидкий кислород голубого цвета.

Теперь давайте обобщим и запишем в тетрадь разные способы получения кислорода, которые мы сегодня с вами наблюдали.

Способы получения кислорода: I. Лабораторные способы:

1. Разложение пероксида водорода:

2

. Разложение оксида ртути (II):

3. Разложение перманганата калия:

Задание для учащихся: расставьте коэффициенты в данных уравнениях реакций.

Учитель: Вопрос для учащихся: из какого вещества еще можно получить кислород?

Ученик: Электролиз воды

Записываем в тетрадь определение:

Электролиз – действие постоянного электрического тока.

А теперь обобщаем способы собирания кислорода, которые вы сегодня видели на уроке.

Учитель: В завершении урока, проверим свои знания.

Написание теста: Приложение 1.

Часть А.

1. Чтобы доказать наличие в сосуде кислорода, а не воздуха, проще всего использовать:

А) разницу в плотности воздуха и кислорода;

Б) совпадение цвета;

В) тлеющую лучинку;

Г) разницу в степени растворимости в воде

2. Впервые об открытии кислорода сообщил:

A) К. Шееле;
Б) Д. Пристли;

B) А. Лавуазье;
Г) М.Ломоносов.

3. Свойство вещества кислорода:

А) газ с резким запахом;

Б) твердое вещество;

В) тяжелее воздуха;

Г) газ желто-зеленого цвета.

Часть В.

4. Для получения кислорода в лаборатории мы не использовали вещество, формула которого:

а) H2O; б) KMnO4; в) H2O2; г) Fe3O4.

Часть С.

5. Почему в историю открытия кислорода записана фамилия Пристли как первооткрывателя, а не Шееле?

A) Он первым получил кислород в истории химии;

Б) Он первым опубликовал свою работу по получению кислорода;

B) Он первым поставил биологические опыты;

Г) Он первым установил, что кислород содержится в воздухе.

Рис. 1

.

Рис.4. Получил кислород в 1771 году Карл Шееле.

В 1750 году М.В. Ломоносов провел опыты и доказал, что в состав воздуха входит вещество, окисляющее металл. Он назвал его флогистоном

Независимо от него кислород был получен Дж. Пристли в 1774 году.

В 1775 году А. Лавуазье установил, что кислород – составная часть воздуха и содержится во многих веществах.

содержится во многих веществах.

Первое место по распространенности в земной коре, т.е. литосфере, занимает кислород – 49%, далее следуют кремний – 26%, алюминий – 7%, железо – 5%, кальций – 4%, натрий – 2%, калий – 2%, магний – 2%, водород – 1%.

В биосфере около 65% от массы живых организмов приходится на кислород.

В гидросфере на его долю приходится 89%.

В атмосфере: 23% по массе, 21% по объему.

В 2019 году Нобелевскую премию по физиологии или медицине присудили за исследования реакции клеток на нехватку кислорода. Трое лауреатов — два американца и один британец — в течение десяти лет по крупицам восстанавливали механизм того, как клетки ведут себя в стрессовой ситуации и как они посылают сигнал бедствия наружу, в кровь и окружающие ткани. Попутно выяснилось, что эти сигналы тревоги можно как искусственно подавить — и лечить таким образом рак, так и усилить — и избавить людей от нехватки кислорода, а еще — дозировать, управляя судьбой отдельно взятых клеток. Отсутствие кислорода оказалось не менее важно для жизни организма, чем его присутствие.

Открытие для учебников

Хотя премия, по традиции открывающая Нобелевскую неделю, и присуждается «за открытия в области физиологии или медицины», отмечаемые ею исследования, как правило, нельзя однозначно отнести к одной из этих областей. Каждый раз речь идет о какой-то проблеме на стыке фундаментальной и прикладной науки, и, должно быть, Нобелевскому комитету нелегко год за годом удерживать это равновесие.

В 2017 году весы склонились в сторону теории: премия досталась группе ученых, исследовавших молекулярный механизм биологических ритмов (подробнее об этом — в нашем материале «Ход часов лишь однозвучный»). Несмотря на то, что темой внутриклеточных часов в последнее время интересуется множество научных коллективов, до реальных лекарств, которые могли бы скорректировать их ход, ученые пока не добрались.

В 2018 году маятник предсказуемо качнулся в другую сторону: иммунные чекпоинты — механизмы торможения иммунной агрессии, открытые прошлогодними лауреатами премии, оказались интересны, в первую очередь, с практической точки зрения. На основе этих исследований уже разработаны препараты, способные, наоборот, «подгонять» иммунитет и «натравливать» его на опухолевые клетки. К моменту присуждения награды Шведской академии в прошлом году некоторые из них уже применяли на практике (мы писали об этом в материале «Спустить собак с цепи»).

В этот раз стоило ожидать очередного решения в пользу фундаментальной науки, и оно было принято. Премию присудили за открытие механизмов, позволяющих клетке чувствовать нехватку кислорода, реагировать на нее и сигнализировать об этом соседям. У этого открытия есть, конечно, и прикладное значение: на его основе уже созданы препараты для борьбы с анемией и раком, и сегодня они находятся на разных этапах клинических испытаний.

«Неужели премию снова дали за лекарство от рака?» — спросите вы. На самом же деле лекарство от рака — лишь один из частных случаев применения нового открытия, тогда как само по себе оно гораздо глубже. «Ученые часто шутят по поводу “открытия, которое войдет в учебники”, — прокомментировал решение Нобелевского комитета один из его членов, Рэндал Джонсон. — Но сейчас я бы сказал, что мы действительно имеем дело с открытием для учебников. Наши дети будут проходить его на уроках биологии с 12 лет».

Сигнал тревоги

О том, что кислород необходим для существования большинства организмов на Земле, в школьных учебниках пишут уже давно. Рассказывают и о том, как кровеносная система регулирует работу дыхания, — за это открытие Нобелевскую премию присудили еще в 1938 году. В сонной артерии есть скопления чувствительных клеток, реагирующих на концентрацию кислорода в крови. Если она снижается, то эти клетки выбрасывают нейромедиаторы, заставляющие легкие дышать активнее, а сердце — биться быстрее.

В 1980-х годах обнаружилось, что количество кислорода в крови небезразлично еще и почкам. Как только его становится недостаточно, почки выделяют гормон эритропоэтин. Он действует на красный костный мозг, ускоряя образование эритроцитов, чтобы в кровь «помещалось» больше кислорода.

Эритропоэтин выделяется, например, когда человек поднимается высоко в горы, где воздух разрежен и содержит меньше кислорода. Сейчас его иногда используют в качестве допинга спортсмены, чтобы повысить емкость крови и усилить газообмен. Но иногда эритропоэтина не хватает, например при почечной недостаточности, и тогда у человека развивается анемия — в крови снижается число эритроцитов, а клетки задыхаются без кислорода.

Продолжая исследования своих предшественников, Грегг Семенца (Gregg Semenza) из Университета Джонса Хопкинса занялся изучением гена эритропоэтина (EPO). Он пытался вычислить недостающее звено между концентрацией кислорода и работой (экспрессией) гена ЕРО. Семенца искал регуляторную область, которая запускает экспрессию гена в ответ на гипоксию.

В 1991 году поиски увенчались успехом: искомой областью оказался маленький участок перед началом гена. В то же время сэр Питер Рэтклифф (Peter Ratcliffe) из Оксфорда независимо пришел к тому же выводу: он показал, что если ген ЕРО вместе с этим небольшим регуляторным участком пересадить в клетки опухоли печени, то они тоже начинают производить эритропоэтин в ответ на кислородное голодание.

Два года спустя Семенца выделил белковый комплекс, запускавший работу ЕРО, и назвал его HIF — hypoxia-inducible factor, то есть фактор, индуцированный гипоксией. А потом оказалось, что HIF связывается с ДНК во всех клетках человеческого организма. В 1993 году группа Семенцы одновременно с коллективом Рэтклиффа обнаружила, что в любой клетке экспрессия генов изменяется при гипоксии. Сейчас известно около 300 генов, работа которых зависит от концентрации кислорода.

Дальнейшие исследования Семенцы показали, что комплекс HIF состоит из двух частей: одна (ARNT) не зависит от кислорода и работает как переносчик, доставляющий весь комплекс в ядро, а другая появляется в клетке только при гипоксии. Эту белковую часть назвали HIF-1a. Позже выяснилось, что она существует в клетке в нескольких видах: есть еще HIF-2a (который чаще называют EPAS1) и даже HIF-3a.

Сейчас мы знаем, что разные варианты HIF отвечают за разную реакцию на кислород. Например, выделение эритропоэтина в почках регулирует HIF-2a — он работает при хронической, длительной гипоксии. А HIF-1а служит краткосрочным сигналом тревоги, он действует при острой гипоксии и может затормозить деление клетки или даже вызвать ее смерть (апоптоз).

Таким образом, к 1995 году в общих чертах стало понятно, как HIF работает в клетках: с какими последовательностями в геноме связывается и на какие гены действует. Было также ясно, что количество его в клетке может меняться и, судя по всему, иногда его разрушает протеасома — внутриклеточная молекулярная машина для уничтожения отживших свое белков. Однако исходная проблема оставалась нерешенной: по-прежнему было не ясно, как белковый комплекс HIF связан с концентрацией кислорода.

Игры с совестью

В 1995 году Уильям Кэлин (William Kaelin) из Института рака Дана-Фарбер занимался загадкой болезни Гиппеля-Линдау. Это редкое генетическое заболевание, которое встречается примерно один раз на 36 тысяч новорожденных, а проявляется как склонность к развитию опухолей — гемангиобластомы, ангиомы, почечной карциномы и других.

Кэлин доказал, что причиной болезни является мутация в гене VHL (von Hippel-Lindau-supressor). Он также заметил, что в отсутствие белка VHL в клетках начинали работать те же гены, что и при гипоксии.

В то время уже было известно, что VHL может быть как-то связан с протеасомами. А в 1999 году обнаружилось, что VHL и HIF могут взаимодействовать, но только в присутствии кислорода. И пару лет спустя Рэтклифф и Кэлин независимо друг от друга нашли между ними связь.

Оказалось, что в клетке есть ферменты — пролил-гидроксилазы, использующие кислород, чтобы навесить на HIF дополнительные ОН-группы. После этого белок HIF меняет свою форму и лучше связывается с белком VHL, который тащит его на верную «смерть» в протеасому. В отсутствие кислорода вся эта цепочка не работает, HIF «остается в живых» и отправляется в ядро, чтобы повлиять там на экспрессию генов. Пазл сложился.

Этапы ответа на гипоксию. 1. HIF запускает работу генов-мишеней в ядре. 3. В присутствии кислорода пролилгидроксилазы навешивают ОН-группы на HIF. 4. Белок VHL cсвязывается с измененным HIF и направляет его в протеасому. 2. Протеасома расщепляет HIF.

После того как ученым удалось собрать воедино весь каскад, с помощью которого клетка отвечает на отсутствие кислорода, стало понятно, что опухоли могут использовать его в своих целях. Ведь раковым клеткам, чтобы расти, необходимы кислород и питательные вещества, а следовательно, требуются сосуды. Многие опухоли буквально «паразитируют» на белке HIF: они заставляют его работать постоянно, клетки раз за разом подают сигнал тревоги и вызывают рост сосудов в окружающей ткани.

Именно это, в частности, происходит у пациентов с болезнью Гиппеля-Линдау: сломанный белок VHL оказывается не в силах уничтожить HIF, и клетки снова и снова «прикидываются» страдающими от кислородного голодания, пока вся опухоль не прорастет сосудами.

Сегодня открыты сразу несколько способов заглушить этот мнимый сигнал тревоги. Вещества, блокирующие работу HIF на разных стадиях, от построения белка до перемещения в ядро и связывания с ДНК, фактически работают как «внутриклеточная совесть» и тормозят рост раковых клеток.

Многие из этих веществ сейчас находятся на разных стадиях клинических испытаний. Их тестируют как в одиночку, так и вместе с другими методами лечения опухолей: блокада HIF мешает раковым клеткам пережить стресс от радио- или химиотерапии.

Но есть ситуации, когда совесть становится слишком суровой и не дает клеткам подать сигнал тревоги — например, у пациентов с почечной недостаточностью или анемией. В их случае необходимо, наоборот, усилить работу HIF. Для этого сейчас существуют препараты, блокирующие пролилгидроксилазы и не дающие им в присутствии кислорода навесить роковую метку на HIF. В настоящее время они тоже проходят клинические тестирования, большинство из них — уже в третьей фазе, а значит, скоро могут появиться на рынке.

Дырка от бублика

Но работы нобелевских лауреатов этого года дали нам больше, чем рецепт очередного лекарства от рака и средства от анемии. Свое главное открытие они совершили еще в начале пути, в 1993 году, когда выяснили, что каждая клетка организма реагирует на дефицит кислорода по-своему.

До этого считалось, что это зона ответственности небольшого количества клеток в специализированных органах — почках и стенках сосудов. На самом же деле, кислород имеет значение не только в масштабах целого организма, но и для судьбы каждой клетки в отдельности.

Мы уже упоминали, что в зависимости от силы стресса и длительности кислородного голодания клетка может погибнуть или, наоборот, начать производить факторы роста сосудов. Небольшой стресс может работать как позитивный стимул, «встряска», заставляющая клетку размножаться и дифференцироваться.

За то время, что прошло с момента открытия HIF, ученые обнаружили у гипоксии множество неожиданных последствий.

Известно, например, что в период эмбрионального развития некоторые группы клеток оказываются зажаты между другими — и в этот момент под действием гипоксии они превращаются в будущие хрящи.

Нехватку кислорода используют как один из факторов дифференцировки для выращивания предшественников нейронов или клеток стенки сосудов.

Есть даже работы, показывающие, что под действием ингибиторов пролилгидроксилаз, то есть в условиях повышенной активности HIF, у мышей лучше регенерируют ткани. А в одном исследовании с помощью такой же активации HIF удалось улучшить память у здоровых мышей.

Таким образом, получается, что нехватка кислорода может не только угрожать жизни клеток, но и служить двигателем клеточной судьбы. В некоторых случаях гипоксия, этакая дырка от бублика, оказывается выгоднее самого бублика — например, когда речь идет о регенерации.

Все эти эксперименты пока не вылились ни в какие конкретные клинические разработки, однако они напоминают нам, что в устройстве внутриклеточной сигнализации остается еще немало белых пятен. Главной заслугой Уильяма Кэлина, Питера Рэтклиффа и Грегга Семенцы стало то, что они закрасили одно из них, открыв попутно новое поле для исследований клеточной судьбы.

Мы привыкли считать, что Нобелевские премии присуждают за давние, почти забытые открытия, которые наконец-то прошли проверку временем. На самом же деле, как и многие предыдущие работы, отмеченные Нобелевским комитетом, исследования гипоксии находятся еще только в середине пути. Настоящее применение и настоящее признание ждет их впереди.

Полина Лосева