Железо-как простое вещество.

Тема: Железо, его физические и химические свойства.

Цель урока: сформировать понятие об особенностях строения атомов железа,  физических и химических свойствах простого вещества железа.

Задачи урока.

Образовательные:

Сформировать у учащихся представление об элементе и простом веществе –железе;

Сформировать у учащихся представление  о физических свойствах железах, опираясь на знания зависимости свойств металлов от строения их атомов;

Сформировать у учащихся представление о характерных химических свойствах железа;

Развивающие:

На основе межпредметных связей продолжить развитие умений устанавливать взаимосвязь между составом, строением и свойствами веществ;

Способствовать развитию исследовательских навыков в ходе проведения опытов, демонстрирующих химические свойства железа;

Способствовать развитию у учащихся представления о познаваемости и единстве окружающего нас мира на основе информации о разных формах существования железа и его нахождении в природе;

Воспитательные:

Способствовать формированию интернациональных чувств, на основе сведений об истории использования железа разными народами мира;

 Продолжить формирование у учащихся чувства гордости за свою Родину как самую богатую природными ресурсами страну;

 Продолжать воспитание культуры учебного труда, аккуратность, внимание при проведении эксперимента.

Литература для учителя:

1.Горковенко М.Ю Химия. 9 класс. Поурочные разработки к учебникам О.С. Габриеляна (М.Дрофа); Л.С. Гузея и др. (М.Дрофа); Г.Е. Рудзиса, Ф.Г. Фельдмана (М. Просвещение). – М.: «ВАКО», 2004, 368 с. -  (В помощь школьному учителю).

2. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас.: Справ. пособие. – М.: Высш. шк.,1992. – 192 с.: ил.

3.Леенсон И.А. Занимательная химия.8-11 кл.: В 2 ч. Ч.1. – м.: Дрофа, 1996. – 176 с. – (хочу все знать).

4.Химия. 9 класс: методическое пособие/ О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. – 4-е изд., пересмотр. – М.: Дрофа, 2010. – 350, (2) с. – (Книга для учителя).

5. Химия. 9 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений/ О.С. Габриелян. – 16 – е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2009. – 270, (2)с.: ил.

Литература для учеников:

1. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас.: Справ. пособие. – М.: Высш. шк.,1992. – 192 с.: ил.

2.Леенсон И.А. Занимательная химия.8-11 кл.: В 2 ч. Ч.1. – м.: Дрофа, 1996. – 176 с. – (хочу все знать).

3.Химия. 9 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений/ О.С. Габриелян. – 16 – е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2009. – 270, (2)с.: ил.

Методы:

Словесные: беседа, объяснение, рассказ.

Наглядные: демонстрация образцов природных соединений железа, видеоопытов «Реакция железа с серой», «Горение железа в хлоре»,» Горение железа в кислороде», «Взаимодействие железа с хлоридом меди  (II)»,  географические карты полезных ископаемые Челябинской области.

Практические: проведение учащимися опытов, характеризующих химические свойства железа.

Материалы , оборудование и реактивы: периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, мультимедиапроектор, компьютер, видеоопыты «Реакция железа с серой», «Горение железа в хлоре», « Горение железа в кислороде», «Взаимодействие железа с хлоридом меди  (II)» образцы природных соединений железа – пирит, гематит и.т.п,  географические карты полезных ископаемых Челябинской области.

На столах учащихся:  карточки «Характеристика атома железа», инструктивные карточки для проведения опытов «Химические свойства железа», железные опилки в фарфоровых чашках, канцелярские кнопки, раствор сульфата меди (II), раствор соляной кислоты, лабораторный штатив  с пробирками, спиртовка, спички, пробиркодержатели.

Тип урока: комбинированный.

Этапы урока с дозировкой времени:

Ход урока.

I.                  Организационный этап:1-2 минуты.

Приветствие учащихся, проверка готовности учащихся к уроку, отметка отсутствующих.

II.              Этап повторения и проверки знаний, полученных на предыдущих уроках.

Данный этап проводится в форме викторины (активизация познавательной деятельности учащихся в игровой форме).

Учитель задает вопросы, на которые учащиеся дают ответы. Вопросы, требующие ответа с объяснением – оцениваются по пятибальной шкале.

В скобках даны ответы на вопрос. Ответы изложенных в подробной форме, при ответах учащихся часть материала значительно сокращается.

1. Какой металл самый легкий?

(Литий.)

2. Какой металл самый тяжелый?

(Осмий.)

3. Самый распространенный на Земле металл.

(Алюминий.)

4.Какой драгоценный металл является одним из самых лучших катализаторов для различных химических процессов?

(Платина.)

5.Какие металлы можно расплавить на ладони и почему?

(Галлий, цезий, т.к температуры их плавления 30 и 
28 градусов соответственно, а нормальная температура человеческого тела 36,6 ⁰С.)

6.Гуси спасли Рим, а погубил Рим, по мнению токсикологов, металл. Какой это металл и что вам об этом известно?

(Свинец. Рим спасли гуси - это известно всем. Бдительные птицы своевременно, заметили приближение неприятельских войск и тотчас резкими гортанными звуками сигнализировали об опасности. На этот раз для древних римлян все обошлось благополучно.

Тем не менее Римской империи суждено было впоследствии пасть. Что же послужило причиной падения некогда могущественного государства? Что погубило Рим?

"Древний Рим отравился свинцом", - к такому выводу пришли некоторые американские и канадские ученые-токсикологи. По их мнению, использование свинцовой посуды (бутылей, бокалов, чаш) и косметических красок, содержащих соединения свинца, приводило к хроническому отравлению и вымиранию римской знати. Известно, что многие императоры, правившие Римом в первые столетия нашей эры, т.е. в последний период существования империи, страдали теми или иными психическими заболеваниями. Средняя продолжительность жизни римских патрициев не превышала 25 лет. Люди низших сословий в меньшей степени подвергались свинцовому отравлению, поскольку они не имели дорогой посуды и не употребляли косметических средств. Но и они пользовались знаменитым водопроводом, "сработанным еще рабами Рима", а трубы его, как известно, были сделаны из свинца.

Люди вымирали, империя чахла. Разумеется, виноват в этом был не только свинец. Существовали и более серьезные причины - политические, социальные, экономические. И все же доля истины в рассуждениях американских ученых безусловно есть: обнаруживаемые при раскопках останки древних римлян содержат большие количества свинца.

Все растворимые соединения этого элемента ядовиты. Установлено, что вода, которая питала Древний Рим, была богата углекислым газом. Реагируя со свинцом, он образует хорошо растворимый в воде кислый углекислый свинец. Поступающий даже в малых порциях в организм свинец задерживается в нем и постепенно замещает кальций, который входит в состав костей. Это приводит к хроническим заболеваниям.)

7.Какой металл и почему называют «металлом хирургов»?

(Тантал. Уникальное качество тантала - его высокая биологическая совместимость, т.е. способность приживаться в организме, не вызывая раздражения окружающих тканей. На этом свойстве основано широкое применение тантала в медицине, главным образом в восстановительной хирургии - для ремонта человеческого организма. Пластинки из этого металла используют, например, при повреждениях черепа - ими закрывают проломы черепной коробки. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было сделано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что вскоре танталовое ухо трудно было отличить от настоящего.

Танталовой пряжей иногда возмещают потери мускульной ткани. С помощью тонких танталовых пластин хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовыми скрепками, подобными тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Нитями из этого металла заменяют сухожилия и даже сшивают нервные волокна. И если выражение «железные нервы» мы обычно употребляем в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами, быть может, вам приходилось встречать.

8.Без какого элемента-металла невозможна фотография?

(Серебро. Галогениды серебра и нитрат серебра используются в фотографии, так как обладают высокой светочувствительностью.)

III. Подготовка к восприятию нового материала 3 минуты

Учитель:Герою знаменитого романа Даниэля Дефо повезло. Корабль, с которого он спасся, сидел на мели совсем недалеко от острова. Робинзон сумел погрузить на плот все необходимое и благополучно переправился на остров. Ему повезло еще раз – цитируем роман: «После долгих поисков я нашел ящик нашего плотника, и это была для меня поистине драгоценная находка, которой я не отдал бы тогда за целый корабль с золотом…»

Что же было в плотницком ящике? Да обыкновенные железные инструменты: топор, пила, молоток, гвозди.

Через два столетия на другой необитаемой остров попали герои другого известного романа – пятеро американцев. Они сумели не только выжить на острове, но и создать себе более или менее нормальные условия жизни, что никогда не удалось бы, если бы всеведущий инженер Сайрес Смит (заметим, что по-английски «Смит» означает «кузнец») не сумел найти на таинственном острове железную руду и изготовить железные инструменты. Иначе опять пришлось бы Жюлю Верну выручать своих героев с помощью знаменитого капитана Немо… Как видим, без железа не может обойтись даже приключенческая литература.

Чрезвычайно важное место занимает этот металл в жизни человека. Поэтому задачи сегодняшнего урока – составить полное представление об элементе и о простом веществе – железе, изучить его физические и химические свойства и, конечно же, рассмотреть применение этого металла.

Записываем тему урока: «Железо, его физические и химические свойства).

IV. Изучение нового материала  (20 минут-25 минут).

Учитель. Характеристику любого элемента мы начинаем всегда по его положению в периодической таблице. Железо находится в побочной подгруппе VIII группы. Это d-элемент, у которого заполняется электронами предпоследний энергетический уровень:

Данные схемы записываются на доске учителем предварительно.

Поскольку предпоследний уровень – незаконченный, то в реакциях, кроме двух электронов внешнего уровня, часто участвуют также один электрон предпоследнего уровня, тогда железо проявляет степень окисления +3.

Далее самостоятельная работа учащихся с карточками – заданиями.

Задание.Дайте характеристику железа как химического элемента по положению в периодической таблице. Полученные из таблицы данные занесите в таблицу, заполненные карточки – задания остаются у учащихся (время на выполнение задания 3 минуты, с учетом времени на проверку правильности выполнения задания).

Учитель. А что мы знаем о железе? Где встречается железо в природе?

Заслушиваются сообщения учащихся (средняя продолжительность одного доклада 2 минуты, доклады изложенных в подробной форме, при ответах учащихся часть материала значительно сокращается.).

1-й ученик. По современным представлениям в 16-километровой толще земной коры содержится 4,5 % железа. В следующем слое, лежащем под земной корой, железа находится втрое больше. Центр земного шара состоит в основном из железа с примесью никеля и кобальта. В среднем же земной шар состоит на 34,6 % из железа. В составе Земли железо преобладает как по массе, так и по числу атомов. Оно является важнейшей составной частью нашей планеты.

Учитель. Это современные представления о распространении железа, но человек знаком с железом очень давно. Действительно ли это так?

2-й ученик. История цивилизации неразрывно связана с железом. В древности у некоторых народов этот металл ценился дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из железа, причем нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготовляли даже обручальные кольца.

Во время визита на один из островов Кук преподнес местным жителям в качестве подарка горсть железных гвоздей. Видимо, прежде туземцам не приходилось пользоваться этими странными металлическими предметами, и поэтому они с явным недоумением вертели их в руках. Попытки объяснить островитянам назначение гвоздей ни к чему не привели. Помог верховный жрец – крупный специалист по любым вопросам. С важным видом он изрек несколько мудрых мыслей, и туземцы начали закапывать гвозди в землю. Теперь пришел черед удивляться гостям. Видя их замешательство, местные жители знаками разъяснили пришельцам, что из посаженных в землю железных палочек вскоре вырастут деревья, которые, подобно банану, будут увешаны связками гвоздей. Собрав богатый урожай металлических плодов, островитяне с их помощью победят своих врагов.

2-й ученик. Первое железо, попавшее еще в глубокой древности в руки человека, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения: железо входило в состав метеоритов, упавших на нашу планету. Не случайно на некоторых древних языках железо именуется «небесным камнем» или «металлом, капнувшим с неба». На поверхность земного шара ежегодно выпадают тысячи тонн метеоритного вещества, содержащего до 90 % железа. Самый крупный метеорит найден в 1920 г. в юго-западной части Африки. Это метеорит Гоба, весящий около 60 т. В 1891 г. в Аризонской пустыне была обнаружена громадная воронка диаметром более 1200 и глубиной 175 метров. Ее образовал гигантский железный метеорит, упавший в доисторические времена.

Учитель. В таблице Д.И.Менделеева трудно найти какой-либо иной элемент, с которым так неразрывно связывалась бы жизнь всего человечества

В виде каких соединений находится железо в природе? Запишите в тетради их формулы. Природа щедро одарила Урал полезными ископаемыми. Только в Челябинской области открыто около 400 месторождений различных металлов и неметаллов ("нерудное сырье"). 

Так следы добычи и плавки железных руд сохранились на севере области, в районе оз. Иткуль и Каслинских озер относятся они к V—III векам до н. э.

С 1756 года до сих пор на западе области добываются бурые железняки Бакальской группы месторождений, открытых Петром Рябовым. Железо содержится здесь как в "первичных" сидеритовых рудах, так и "вторичных" — бурых железняках, образовавшихся за счет "выщелачивания" карбонатов железа (Fe₂CO₃).

С XVIII века известно месторождение богатых железных руд горы Магнитной, с того времени они и добывались, но понемногу. По-настоящему оно заработало только в 1929 году, когда на базе месторождения, содержавшего по подсчетам академика А. Н. Заварицкого около полумиллиарда тонн высококачественной руды, стал строиться Магнитогорский металлургический комбинат. Сегодня руда здесь практически выработана.
В 20 км к северо-западу от Магнитогорска в начале века геологи открыли еще одно месторождение магнетитовых руд — Малый Куйбас, запасы которого оценивались в 75 млн тонн.

магнетит – Fe₃O₄ (Fe₂O₃•FeO)

Ныне месторождение поставляет высококачественную руду Магнитогорскому комбинату. Кроме магнетитовых руд, на Малом Куйбасе есть и титаномагнетитовые руды.

К северо-востоку от Кусы разрабатываются самые древние по времени образования (2—2,5 млрд лет) железные руды — железистые кварциты. Это месторождения Радостное и Магнитный Ключ. Запасы их невелики.

Железотитанованадиевые руды в Кусинском районе известны с 1760 года. Разведка этих комплексных руд производилась уже в наше время. Запасы их оцениваются в сотни миллионов тонн. Небольшая часть богатых руд отработана, но большинство месторождений — Медведевское, Маткальское, Копанское — еще ждут своего часа. Содержание железа в копанских рудах — 30—57%.Добыча этих руд может быть начата лишь тогда, когда будут разработаны рациональные технологии добычи и переработки руд, при которых природе будет нанесен минимальный ущерб. Это руды XXI века.

пирит – FeS₂

Наиболее замечательные по совершенству огранки и размерам кристаллы встречаются на Урале - Березовское золоторудное месторождение,

Ученики записывают формулы соединений железа.

Учитель: а теперь давайте вспомним получение железа из металлов.

Получение железа из его соединений

Запись уравнений реакций на доске.

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O;

Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃;

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CО₂.

Учитель. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий металл, по внешнему виду очень похожий на платину. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные примеси лишают его этих драгоценных свойств: на земном шаре ежегодно «болеет» ржавчиной такое количество железа, которое равняется четверти его годовой добычи. Чистое железо в отличие от всех других металлов обладает необычайно высокой склонностью к намагничиванию.

Способность притягиваться магнитом и самому быть магнитом – одно из удивительных свойств железа. Явление магнетизма известно с глубокой древности. Слово «магнетизм» происходит от названия горы Магнезии в Малой Азии. Здесь существовало богатое месторождение магнитного железняка. Практическое применение магнетизм получил значительно раньше, чем началось его научное исследование. Мореходы издавна пользовались компасом с магнитной стрелкой.

В 1755 году швейцарский ювелир Й.Дитрих впервые изготовил подковообразный магнит. Электромагнит с железным сердечником изобрел в 1823 г. самоучка, сын английского сапожника В.Стержен. Его магнит состоял из одного слоя голого медного провода, навитого на лакированный железный сердечник. Американец Дж.Генри усовершенствовал электромагнит, навив на железный сердечник провод в несколько слоев. Генри изолировал сами провода вместо того, чтобы лакировать сердечник. Навивая на каркас все больше слоев проволоки, Генри делал более мощные электромагниты. В 1831 г. он изготовил электромагнит, который мог поднимать 300 килограммов.

Как известно, у металлов довольно высокий коэффициент теплового расширения. По этой причине стальные сооружения в зависимости от времени года, а следовательно, от температуры окружающего воздуха, становятся то длиннее, то короче. Так, знаменитая Эйфелева башня – «железная мадам», как часто называют ее парижане, – летом на 15 см выше, чем зимой.

Плотность железа – 7,87 г/см³, температура плавления – 1536 °С, температура кипения – 2770 °С.

Химические свойства железа

Учитель. Мы с вами изучаем химию, поэтому наиболее широко должны изучить химические свойства железа.

а) В з а и м о д е й с т в и е  ж е л е з а  с  п р о с т ы м и в е щ е с т в а м и.

Железо – активный металл.

Взаимодействие железа с хлором (демострация видеоопыта).

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃.

Взаимодействие железа с кислородом(демострация видеоопыта).

3Fe + 2О₂ = FeO • Fe₂O₃.

Взаимодействие железа с серой (демострация видеоопыта).

Fe + S = FeS.

б) В з а и м о д е й с т в и е  ж е л е з а  с о   с л о ж н ы м и  в е щ е с т в а м и: Отработка экспериментальных навыков в результате проведения опытов.

Опыт 1. Взаимодействие железа с солью (медным купоросом).

В каждую из двух пробирок налейте по 4–5 мл сульфата меди(II). Одну поставьте в штатив – она «свидетель». В другую пробирку насыпьте немного железных опилок. Порошок железа лучше не брать, т.к. от него раствор станет мутным. Перемешивайте содержимое пробирки до тех пор, пока не исчезнет синяя окраска раствора:

Fe + CuSO₄ = Cu +FeSO₄.

Сравните цвет раствора пробирки с раствором пробирки-«свидетеля».

Опыт 2. Взаимодействие железа с кислотами.

При взаимодействии железа с растворами соляной или серной кислот идет реакция с выделением водорода.

Fe + 2НCl = FeCl₂ + Н₂,

Fe + H₂SO₄ (разб.) = FeSO₄+ H₂.

В пробирку кладут 2–3 канцелярские кнопки или маленькие железные гвоздики и наливают по 4–5 мл раствора соляной кислоты (1 : 1). Пробирку нагревают до начала выделения водорода (не до кипения!). Когда реакция закончится (пузырьки водорода начнут выделяться медленно), обратите внимание на окраску раствора хлорида железа(II).

При взаимодействии железа с концентрированными азотной и серной кислотами реакции не идут. Железо пассивируется.

 Взаимодействие железа с водой.

Для проведения этой реакции необходима высокая температура, поэтому учитель предлагает учащимся только записать уравнение реакции:

3Fe + 4Н₂О Fe₃O₄ + 4Н₂.

Учащиеся записывают уравнения реакций в тетрадь и делают вывод: железо взаимодействует с неметаллами, водой, разбавленными кислотами и солями, образованными менее активными металлами.

Применение железа

Ученики делают сообщение о роли железа в жизни растений, животных, человека – средняя длительность доклада – 1-2 минуты. Если общая продолжительность урока не позволяет осуществить заслушивание данных докладов, то можно предложить оформить их каждому учащемуся в виде небольших сообщений в тетради, в качестве домашнего задания.

1-й ученик. Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных, человека. Входя в состав гемоглобина, железо обусловливает красную окраску этого вещества и крови. В организме взрослого человека содержится без малого 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Его основная роль – перенос О₂ и СО₂. Из отдельных частей организма наиболее богаты железом печень и селезенка.

2-й ученик. Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Более того, достаточно белый лист смазать раствором соли железа, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

3-й ученик. Интересное использование процесса окисления двухвалентного железа до трехвалентного имеет место в телах особого вида бактерий, так называемых железобактерий. Последние поглощают из окружающей среды соли двухвалентного железа и кислород, причем внутри их организмов протекает реакция, приблизительно отражаемая уравнением:

4Fe(HCO₃)₂ + 2Н₂О + О₂ = 4Fe(OH)₃ + 8СО₂.

Выделяющаяся при этом энергия служит бактериям для поддержания их жизнедеятельности. Окисление железа является, следовательно, актом дыхания железобактерий, в отличие от высших растений, дыхание которых основано на окислении углерода.

Железобактерии размножаются главным образом в водах железистых источников, болотах, прудах и т.п. Нередко наблюдается также массовое развитие их колоний в водопроводных трубах. После отмирания бактерий накопившийся в их организмах гидроксид железа оседает на дно служившего им жизненной средой водоема, что с течением времени приводит к образованию отложений так называемых «болотных» или «озерных» железных руд. В частности, именно таково происхождение Керченского месторождения железных руд.

V. Закрепление изученного материала – 5 минут.

Данный этап урока может быть проведен не в форме обычного опроса или тестирования, а в виде задачи, которая не только будет связанная с темой данного урока, но и позволит учащимся расширить свой кругозор.

Учитель. Не так давно в Моравском музее г. Брно появился новый экспонат – небольшой топор, найденный археологами при раскопках древнего поселения Мстенице, относящегося к раннему средневековью. Масса топора – 6 кг. Оказалось, что в отличие от других железных изделий, найденных при раскопках, топор изготовлен из природно-легированного железа, содержащего 2,8% никеля и 0,6% кобальта. Такой состав свидетельствует о небесном происхождении материала, которым воспользовался средневековый мастер из Мстенице. Сколько килограммов железа в этом топоре?

К доске выходит ученик (по желанию) и решает задачу.

Р е ш е н и е

l) m(Ni) = 0,028•6 = 0,168 кг;

2) m(Со) = 0,006•6 = 0,036 кг;

3) m(Fe) = 6 – (0,168 + 0,036) = 6 – 0,204 = 5,796 (кг).

Ответ. Железа в топоре 5,796 кг.

VI. Домашнее задание. Подведение итогов.

Учитель: Примерно 90 % всех используемых человечеством металлов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о других металлах. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны, дешевы. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.