Химическая география чудес. Интегрированные задачи 

«Почему так происходит?» С этого вопроса начинается любая наука, география не исключение. Если мы хотим, чтобы наши учащиеся стали мыслящими людьми, то необходимо научить их задавать себе этот вопрос постоянно. В представленном материале каждая учебно-творческая задача начинается с практико-ориентированного проблемного вопроса «Почему?».

Учебно-творческие интегрированные задания по химии и географии снабжены научно-популярной географиче­ской информацией. С помощью заданий реализуются цели творческого саморазвития личности. Содержание заданий расширяет представления учащихся о химической сущности географических объектов. Выполняя совместно с учителем предлагаемые задания, учащиеся открывают новые для себя знания и формируют соответствующие этим знаниям умения: работать со справочной литературой, сравнивать, выделять главное, обобщать, систематизировать, делать выводы; активизировать самостоятельность и творчество при решении практических заданий.

Материал будет полезен учителю в повседневной школьной практике и позволит ему реализовать некоторые практические цели обучения химии и географии:

• ознакомление с веществами;

• раскрытие химической сущности явлений в географических объектах;

• показ неизбежности и важности применения знаний и методов одних естественных наук при решении проблем других.

Материал адресован учителям географии и химии, в особенности тем, кто ведет геологические факультативы или кружки.

1. Почему пески пустыни Уайт-Сандс искрятся?*

Белые пески пустыни Уайт-Сандс (США, шт. Нью-Мексико) искрятся, как только что выпавший снег. Эти пески сложены не из зерен кварца, составляющего большинство песков пустынь, а из мягкого, похожего на мел селенита, или сульфата кальция. Селенит представляет собой один из наиболее распространенных на Земле минеральных компонентов, но поскольку он легко растворяется в воде, на поверхности этот минерал встречается редко. Образовались эти необычные песчаные просторы на юго-западе США около 100 млн лет назад, когда эту территорию покрывало мелкое море. Постепенно его воды отступали, оставляя за собой соленые озера, которые также постепенно испарялись под жгучим солнцем. Из насыщенного минералами раствора выделялся селенит.

Задание. Установите молекулярную формулу селенита, если массовые доли элементов в нем составляют: 29% (Са), 24% (S), 47% (O).

Творческое задание. Отработать и провести демонстрационный опыт «Действие воды и кислот на селенит».

Ответ: СаSO₄.

2. Почему в Мертвом море нельзя утонуть?

Количество солей, содержащихся в растворенном виде в воде Мертвого моря, измеряется десятками миллиардов тонн (порядок цифр поражает). В этом море, из-за феноменально высокой плотности воды (вернее, раствора), архимедова сила столь велика, что жидкость просто выталкивает человека на поверхность, не давая телу полностью погрузиться в нее.

Задание.Подготовить сообщения «Химический состав морской воды», «Соленые озера мира».

3. Почему скала Улуру меняет свой цвет?

В центре Австралии находится самый большой в мире монолит — скала Айерс-Рок, или, как ее называют аборигены, Улуру. Длина скалы более 3 км, периметр более 9 км. Скала состоит из красного песчаника с высоким содержанием полевого шпата. Анализ показывает наличие разнообразных окислов железа. Благодаря такому набору веществ гора и меняет свой цвет в течение дня в зависимости от освещения: от темно-лиловых, золотистых и розово-красных оттенков к рубиновому, малиново-красному и пурпурному.

Задание. Установите молекулярную формулу полевого шпата, если массовые доли элементов в нем составляют: 14% (K), 10% (Al), 30% (Si), 47% (O).

Ответ: K[AlSi₃O₈]; есть и др. разновидности.

4. Почему пески Поющего бархана издают звуки?

Длина Поющего бархана — до 3 км, высота — 150 м. Бархан расположен в коридоре между гребнями Джунгарского Алатау — Большым и Малым Калканами — на территории национального парка Алтын-Эмель в Алматинской обл. Казахстана, в 180 км к СВ от Алма-Аты.

С бархана на юге видна тонкая полоса реки Или, фиолетовые горы Согеты и Богуты, за которыми выглядывают белыми вершинами хребты Кетменя. С запада горизонт закрывает обрывистая сторона Большого Калкана,с востока — Малого. А на севере за ним видна сиренево-голубая гряда отрогов Джунгарского Алатау, горы Чулак, Матай и Алтын-Емель. У их подножия раскинулась подгорная долина, изрезанная тонкими полосками сухих русел дождевых потоков. Юго-западный склон бархана гладкий, тогда как противоположный, на северо-востоке, имеет несколько гребней с пологими скатами.

Бархан образовался в результате выдувания песков с отмелей реки Или. В этой части долины реки Или (между Калканами и горами Богуты и Сюгаты) дует сильный ветер, который поднимает с речных отмелей тучи песчаной пыли. У Большого и Малого Калканов, стоящих под небольшим углом друг к другу, ветер встречает препятствие и, ослабев, оставляет песок. Так за многие тысячелетия выросла громадная песчаная гора. Бархан не кочует по равнине, несмотря на зыбкость песка и сильные ветры, а остаётся на месте.

В Казахстане, в долине реки Или, недалеко от Алма-Аты (Алматы), есть поющий бархан. Звук рождается при трении множества песчинок друг о друга. Песчинки покрыты тонким налетом соединений кальция и магния. Звуки возникают примерно так, как если по струнам скрипки проводят смычком, натертым канифолью. Способен петь лишь сухой и очень чистый кварцевый песок.

Задание. Установите молекулярную формулу кварца, если массовые доли элементов в нем составляют: 46% (Si), 53% (O).

Ответ: SiO₂.

5. Откуда в озере Натрон миниатюрные айсберги?

Воды щелочного озера Натрон на севере Танзании (близ кенийской границы) окрашиваются в красный цвет из-за сезонного цветения здешних солелюбивых водорослей. Углекислый натрий из озера кристаллизуется в плиты соды, похожие на миниатюрные айсберги.

Светлое — содовые отложения на красноватой поверхности озера Натрон. Вид с самолета

Задание. Установите молекулярную формулу углекислого натрия, если массовые доли элементов в нем составляют: 43,4% (Na), 11,3% (С), 45,3% (O).

Поиское задание. В настоя­щее время на озере Натрон сооружается предприятие по добыче соды для производства стиральных порошков. Приведите примеры других озер мира, воды и отложения которых служили бы сырьем для промышленности.

Ответ: Na₂CO₃.

6. Почему блестит Данакильская впадина?

Данакильская впадина находится на севере Эфиопии, близ границы с Эритреей. Некогда это была часть Красного моря, впоследствии отделенная от него тектоническим поднятием. Впадина лежит ниже уровня моря (до –120 м абс.). Поверхность местами бле­стит от залежей каменной соли.

Соль в Данакильской впадине, кристаллизуясь на плоских поверхностях, образует шестиугольные структуры

Задание. Вспомните молекулярную формулу каменной соли; массовые доли элементов в ней составляют: 39,3% (Na),60,7% (Cl).

Поисковое задание. Используя атласы, газету «География», № 18/2002, доступные справочники, составьте возможно более полный каталог участков земной суши, лежащих ниже уровня моря.

Ответ: NaCl.

7. Благодаря чему рисунки пещеры Альтамира — красные?

Пещера Альтамира, расположенная на северном побережье Испании, возле города Сантандер, стала знаменитой благодаря найденным в ней шедеврам искусства каменного века. Рисунки (изображения оленей, кабанов, лошадей и др.) сделаны древесным углем, а затем раскрашены охрой в красный и фиолетовый цвета. Охра является одной из самых древних красок. Красная охра — это железный сурик.

Задание. Установите молекулярную формулу красной охры, если массовые доли элементов в ней составляют: 72,5% (Fe), 27,5% (O).

Творческое задание.Подготовить сообщение «Объекты наскальной живописи на карте России и мира».

Ответ: Fe₃O₄.

8. Почему фасады зданий Петры меняют цвет?

Главная туристическая достопримечательность Иордании — древний город Петра, высеченный в скалах. Скалы, в которых вырублена Петра, состоят из красного песчаника. Этот камень в разное время дня кажется то розовым, то желтоватым, то красным, то оранжевым. Песчаники состоят из зерен кварцевого песка, сцементированного природным цементом. В качестве природного цемента могут выступать карбонат кальция, кремнеземы, гипс, окислы железа, глинистые минералы.

Задание. Составьте молекулярную формулу кварца, карбоната кальция, гипса, оксида желе-за (III).

Творческое задание. Положите кубик кускового сахара на влажную поверхность и понаблюдайте за ним. Что произойдет с египетскими пирамидами (построены из песчаника), если на левобережье Нила будет происходить подъем уровня грунтовых вод?

Ответ: SiO₂; СаCO₃; СаSO₄• 2H₂O; Fe₂O₃.

9. Зачем потребовалось сооружать копию пещеры Ласко?

На юго-западе Франции (Аквитания, Перигор) в департаменте Дордонь находится пещера Ласко. В пещере было найдено около 2000 различных рисунков. Но в 1963 г. для публичного обозрения пещера была закрыта, т.к. изображения, сделанные охрой, начали портиться.

Повреждения изображений возникли из-за избытка углекислого газа, появившегося от дыхания посетителей. Углекислый газ и водяные пары вступили в реакцию со стеклянистой корочкой кальцитных солей, покрывавшей изображения и защищавшей их, как слой лака. В результате образовался хорошо растворимый гидрокарбонат кальция, разъедающий и повреждающий наскальные рисунки. Появилась плесень.

Суточный поток туристов возрос до 1 тыс. чел. в день. В сутки в небольшой объем пещеры (ок. 1500 м³)выдыхалось около 2500 л углекислого газа и 50 кг водяного пара.

В начале 70-х годов началось создание туристической репродукции части пещеры — Ласко II (открыта в 1983 г.).

Задания. 1. Установите формулу того соединения, которое стало образовываться при воздействии дыхания туристов на кальцитные соли.

2. Установите формулу основного компонента желтой охры, если массовые доли элементов в ней составляют: 70% (Fe), 30% (O).

Творческое задание.См. задачу 7.

Ответы: Ca(HCO₃)₂, Fe₂O₃.

10. Почему знаменитые террасы на источниках Памуккале (Хлопковый замок) снежно-белые?

Горячие источники, бегущие по склону горы (на юго-западе Турции, в иле Денизли), образовали водопады, а содержащиеся в них соли выпали в осадок — так на свет появились снежно-белые террасы. Кажется, что струи воды словно замерзли, но это не лед и не снег, а травертин — горная порода, образующаяся при осаждении карбоната кальция из горячих источников.

Задание. Установите молекулярную формулу основного компонента травертина — карбоната кальция, если массовые доли элементов в нем составляют: 40% (Са), 12% (С), 48% (O).

Творческое задание. Где еще соединения кальция в природе образуют причудливые формы?

Ответ: СаCO₃.

11. Почему стены Большого Каньона полосатые?

Большой Каньон.Панорама

За миллионы лет река Колорадо прорезала в пустыне Аризоны гигантскую пропасть — каньон. Стены каньона полосатые, поскольку они врезаны в наслоения различных геологических эпох. Внизу — темно-серые граниты и гнейсы архейской эры, которые перекрыты красными песчаниками, сланцами и лавами. Выше последовательно расположены горизонтальные пласты кембрийского, девонского и других периодов палеозойской эры. Окраска этих пород преимущественно красноватая, но на этом фоне отчетливо проступают сизые, серые и зеленые полосы. Следующий уровень сложен из слоев песчаника, сланцев и известняков. Известняки в основном состоят из минерала кальцита.

Задание. Установите молекулярную формулу кальцита, если массовые доли элементов в нем составляют: 40% (Са), 12% (С), 48% (O).

Вверху: Большой Каньон (крутая излучина Колорадо близ того места, где река пересекает границу штатов Юта и Аризона (в районе города Пейдж, шт. Аризона). Внизу: корабельное орудие.

Поисковое задание. Что общего на этих двух рисунках?

Творческое задание. Составьте краткую историю изучения и освое­ния человеком Большого Каньона.

Ответ: СаCO₃.

Географический термин «каньон» (узкое глубокое ущелье с крутыми бортами) происходит от испанского слова cañón, означающего «труба» или «пушка»

Полутораевровая серебряная памятная монета «Большой Каньон». Франция, 2008 г.

 

12. Почему каменные колонны Тропы великана за миллионы лет  не разрушились под воздействием бурных вод Атлантики?

Находящаяся на северо-востоке о. Ирландия (Северная Ирландия, Великобритания) «Тропа великана» («Мостовая гиган­тов») — около 40 тыс. сплоченных каменных колонн. Колонны — из вулканического базальта с низким содержанием кварца, но богатого магнием и железом, что объясняет их исключительную твердость. Это снижает скорость, с которой они разрушаются под ударами волн.

Творческое задание. Когда ученые только начали изучать «Мостовую», некоторые предполагали, что это окаменевший бамбуковый лес. Ныне ясно, что «Тропа» имеет вулканическое происхождение. 50 миллионов лет назад через трещины в земной коре извергалась лава, образовавшая на поверхности почти 200-метровый слой. Но почему потом лавовый монолит оказался разбитым трещинами на вертикальные колонны?

Ответ. По мере охлаждения лава сжималась, сокращалась в размерах. Сокращение в вертикальном направлении просто уменьшало толщину лавового пласта: лава как бы оседала, не трескаясь. В горизонтальном же направлении лава, единожды растекшись на определенной площади, не могла «подобраться», подобно капле жидкости (она затвердевала и была уже зафиксирована подстилающими породами). Следовательно, горизонтальное сокращение объема могло выразиться только в образовании пустот внутри лавового масси­ва — трещин. Массив раскалывался, трескался по вертикали.  

13. Почему каменные столбы Тропы великана шестигранные?

Колонны знаменитой вулканической «Тропы» на побережье Северной Ирландии — преимущественно шестиугольного сечения (шестиугольные призмы). Вместе они образуют как бы мостовую, выложенную гигантской шестигранной брусчаткой (по 0,5—1 м в поперечнике).

Творческое задание.Почему колонны «Мостовой» в основном шестиугольные? Как вы думаете?

Ответ: Поскольку остывание лавы происходило равномерно, трещины относительно равномерно пронизывали лавовое тело — с шагом примерно в метр. Шестиугольник — наиболее близкий к кругу многоугольник, которым можно замостить поверхность без остатка. Аналогичные шестиугольники возникают и при усыхании глинистого слоя на плоском дне пересыхающих рек и озер.

Стремятся к шестиугольной форме и соляные плиты, образующиеся при растрескивании корки на плоских днищах соленых озер, пересыхающих в знойный период. См., в частности, фото к задаче 6.

Гексагональные (шестиугольные) поверхности, образуемые в грунтах морозобойными трещинами, известны на Таймыре, в Исландии и в др. районах Крайнего Севера. По существу — тот же процесс, что и в ирландской лаве «Тропы великана» — равномерное охлаждение, сжатие, равномерное шестиугольное растрескивание. Только термические диапазоны разные.

Прямой аналог «Тропы» в России — мыс Столбчатый на о. Кунашир (См.: Кашейкина С.Н., Ермошкин А.В., Личенко Т.Ю. Путешествие на Кунашир//География, № 39/2001).

Окончание следует

* Этот и другие подобные вопросы, вынесенные в заголовки задач, не следует воспринимать буквально. Понятно, что пески Уайт-Сандс искрятся не все, а те, которые могут искриться, делают это лишь при определенном освещении и т.п. При скептическом взгляде все формулировки подобных вопросов можно подвергнуть критике. Но любой учитель, прекрасно понимая специфику общения с детьми, извинит эти содержательные шероховатости. Ведь в подобных формулировках содержится образ и интрига, привлекающие внимание и вызывающие интерес учеников.

Учителю следует иметь в виду, что ни на один из вопросов, поставленных в заголовках разделов, ответа на самом деле не дается. Ведь если мы спрашиваем, например, почему те или иные скалы имеют красноватый цвет, приводимый обычно ответ: «Из-за содержания оксида железа», — не ответ. Это лишь промежуточная информация для ответа. А ответ будет тогда, когда мы выясним: а) почему железно-кислородные молекулы при попадании на них солнечных лучей отражают их на сетчатку нашего глаза красной частью спектра; б) почему природа именно здесь выбрала именно железистый песчаник в качестве облицовочного материала для земной поверхности. Но первое (молекулярная физика, оптика и пр.) слишком для географа сложно, а второго наука объяснить не может.

Так что вопросы-заголовки следует рассматривать не столько всерьез, сколько как затравку для учебного разговора.— Прим. ред.