ТЕМА: Металл - рожденный небом

ЦЕЛЬ: Организация деятельности учащихся по обобщению знаний и способов деятельности о железе, как распространенном химическом элементе на Земле.

ЗАДАЧИ:

-расширить представления учащихся о железе, его значении для живых существ.

- гуманизация естественнонаучных и технических знаний.

-установить межпредметные связи между химией и биологией, физикой и историей.

-обеспечить условия для развития умений учащихся самостоятельно работать с дополнительной литературой.

ОБОРУДОВАНИЕ: металлическое железо, железные опилки, растворы кислот, концентрированные кислоты, магнит, мультиметр для измерения электропроводности, демонстрационный набор «Коллекция железных руд».

ТИП УРОКА: интегрированный

ФОРМА УРОКА: урок-конференция.

ХОД УРОКА

1. Орг.момент разделение класса на группы

2. Актуализация знаний учащихся.

Ребята! Сегодня мы с вами проведем конференцию, и познакомимся с Пришельцем из космоса. А какой металл считается Пришельцем? Почему его так называют, нам предстоит выяснить.

Громоподобные раскаты

И в небе раскаленный след:

На землю новый камень падал

И ужасался человек

Но редким был подарок неба

Им лишь счастливец обладал:

Топор был выкован железный,

Сверкает лезвием кинжал.

Вот длинный ряд тысячелетний

Приходит в поисках, в борьбе,

И наступает век железный

Кровавый беспокойный век.

Мы постараемся обобщить и закрепить знания по теме, расширить ваше представление о железе, его значении для живых существ; и выясним, только ли с точки зрения химии можно рассматривать железо, как элемент и как вещество.

У нас сегодня в конференции участвуют пять групп: историки, физики, химики, биологи, геологи.

Группам выдаётся текст (приложение №1). который они должны в течение 5-7 минут изучить, выбрать из текста основную информацию, обсудить, выбрать представителя, который будет выступать перед аудиторией. На выступление отводится не более пяти минут.

3. Работа над темой урока

И так, все группы подготовились. Начинаем нашу конференцию. В ходе конференции вы можете задавать друг другу вопросы.

1. Историки

2. Физики. По ходу выступления одного учащегося, второй из группы демонстрирует физические свойства( цвет, пластичность, магнитные свойства, электропроводность)

3. Химики. Также как и группа физиков проводят демонстрацию, химических свойств.

4. Биологи.

5. Геологи. Демонстрируют коллекцию.

4. Подведение итогов.

Подошла к концу наша конференция, я думаю, каждый из вас почерпнул сегодня новой информации, которая вам в дальнейшем пригодиться.

Продолжите фразу:
- На этом уроке…
- Теперь я знаю...
- Мне было интересно узнать…

Всем большое спасибо за работу!

5. Рефлексия.

Приложение №1

Текст

Историки.

Знакомство человека с железом произошло в давние времена. Есть основания полагать, что образцы железа, которые держали в руках первобытные люди, были неземного происхождения. Входя в состав некоторых метеоритов - вечных странников океана Вселенной, случайно нашедших приют на нашей планете,- метеоритное железо было тем материалом, из которого человек изготовил впервые железные изделия. Прошли многие сотни и тысячи лет, прежде чем человек научился добывать железо из руды. С того момента началась эпоха железа, которая длится и до настоящего времени.

Древние египтяне называли его «вааепере», что означает «родившийся на небе», шумеры называли его «небесной медью», а древние копты — «небесным камнем». Его название происходит от санскритского слова "жалжа", что означало "металл, руда". Научное название элемента произошло от латинского слова "феррум".

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти. У древних египтян железо ценилось так же высоко, как и золото, - недаром железные лезвия, кинжалы и бусы находили в гробницах фараонов вместе с золотыми украшениями. В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до н. э.) был найден кинжалы из железа и золота — возможно, подаренные хеттами. Но хетты не стремились к широкому распространению железа. Хетты старались использовать свои знания для достижения военных преимуществ, и не давали другим возможности сравняться с ними. Видимо, поэтому железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой активности греков технология железа стала известной многим, и были открыты новые месторождения железа и рудники. Так на смену «Бронзовому» веку настал век «Железный».

Известно, что у древнеримского императора Нумы Помпилия был железный щит, изготовленный из «камня, упавшего с неба», мечи Тимура (Тамерлана) и жившего на тысячелетие раньше предводителя гуннов Атиллы имеют «небесное» происхождение. Сабли из уникального металла были у латиноамериканского героя – Симона Боливара и у российского царя Александра I.

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл. Например, в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска.

Загадка древней колонны

В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна весом около 6,5 т, ее высота 7,5 м, диаметр 42 см у основания и до 30 см у верха. Изготовлена она почти из чистого железа (99,72%), чем и объясняется ее долголетие. До сих пор на ней не обнаружено ржавчины. Колонна была воздвигнута в 415 г. в честь царя Чандрагупты II. По народному поверью, у того, кто прислонится к колонне спиной и сведет за ней руки, исполнится заветное желание.

Как же смогли древние металлурги изготовить эту чудную колонну, перед которой бессильно время? Древняя Индия издавна славилась искусством своих металлургов. О выплавке железа в Индии говорится в Ригведах — священных книгах, относящихся примерно к XIII-XII вв. до н. э. Таким образом, ко времени создания колонны металлургия Индии имела, по крайней мере, полуторатысячелетнюю историю, и железо уже стало применяться для изготовления плугов. По вопросу о способе изготовления замечательной колонны до сих пор нет единого мнения.

Физики

Химически чистое железо - серебристо-серый, блестящий, пластичный, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Оно устойчиво против коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные примеси лишают железо этих драгоценных свойств, и на земном шаре ежегодно теряется такое количество железа, которое равняется почти четверти его годовой добычи. Плотность железа 7,87 г/см³. При температуре 1539°С железо плавится, а при 2740° С - кипит. Чистое железо легко намагничивается и размагничивается.

Железо легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического (закалка) и механического (прокатка) воздействия. Железо обладает хорошими магнитными свойствами, хорошо сваривается.  90% всех используемых человеком металлов и сплавов на сегодняшний день – это сплавы на основе железа.

При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава. 

Физические свойства Железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор (даже 10^-2% Р) - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7 - 10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

(Один из обучающихся демонстрирует железные предметы, магнитные свойства,

Химики

Железо – такой же восстановитель, как и другие металлы, однако, атомы железа при окислении отдают не только электроны последнего уровня, приобретая степень окисления +2, но способны к отдаче 1 электрона с предпоследнего уровня, принимая при этом степень окисления +3. Это зависит и от силы окислительной способности неметалла, его концентрации и условия проведения реакции между железом и неметаллом.

Во влажном воздухе при обычной температуре Железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Железа.

1. При нагревании Железа в сухом воздухе выше 200 °С оно покрывается тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Железа – воронения, в этом случае железо проявляет степень окисления +2. При взаимодействии с хлором, образуется хлорид железа (III), так как хлор более сильный окислитель железо проявляет степень окисления +3.

При сгорании в кислороде образуется Fe₃O₄

(посыпать на открытое пламя железные опилки)

2. При нагревании в водяном паре Железо окисляется с образованием Fe₃O₄  и выделением водорода.

3. Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода.

( аккуратно насыпать железные опилки и добавить серной кислоты с помощью стеклянной трубочки)

При взаимодействии с серной кислотой средней концентрации железо проявляет степень окисления +3 , сульфат железа, вода и оксид серы (IV).

4. Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений правее железа.

5. (в пробирку поместить железный гвоздь и добавить медного купороса)

6. С концентрированными серной и соляной кислотами железо пассивирует.

Железо – металл довольно активный.

+ 2

+3

1. Взаимодействие с неметаллами

Fe + S = FeS

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

2. Взаимодействие с водой

3 Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂ ↑

3. Взаимодействие с кислотами

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ ↑

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ ↑ + 6H₂O

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂ ↑

4. Взаимодействие с солями

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Биологи

Входя в состав гемоглобина, железо обусловливает красный цвет этого вещества, от которого, в свою очередь, зависит цвет крови. В организме взрослого человека содержится 3 г железа, из них 75 % входят в состав гемоглобина, благодаря которому осуществляется важнейший биологический процесс - дыхание. В организмах животных и человека железо распространено "повсеместно": даже в тканях глазного хрусталика и роговицы, совершенно лишенных кровеносных сосудов, содержится железо. Наиболее богаты железом печень и селезенка.

Железо необходимо и для растений. Оно участвует в окислительных процессах протоплазмы, при дыхании растений и в построении хлорофилла, хотя само и не входит в его состав.

Растения, искусственно лишенные железа, имеют бесцветные листья, при добавлении незначительного количества железной соли к воде, питающей растения, листья вскоре становятся зелеными.

Издавна железо применяется в медицине при лечении малокровия, при истощении, упадке сил.

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 %являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» ноль после запятой).

Суточная потребность человека в железе следующая: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс). Суточная потребность в железе мала и её легко удовлетворить. В то время, как некоторые исследователи считают, что кормление грудью приводит к дефициту железа, есть множество исследований, показывающих, что это не так и дети, которых кормят грудью, усваивают железо намного лучше. В организме легко восстанавливается равновесие между поступлением и выведением железа, и временный дефицит его легко восполняется за счет имеющихся запасов. Потребность в железе значительно возрастает при анемии, вызванной, например, такими паразитарными инвазиями, как малярия и анкилостомоз, которые очень широко распространены в тропических странах.

Содержание железа в воде больше 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Геологи

По распространенности в природе железо является вторым металлом после алюминия и находится на четвертом месте среди всех элементов, уступаю лишь кислороду, алюминию и кремнию. Содержание химического элемента в земной коре по массе составляет 4,65%. Известно более 300 минералов, содержащихся в составе железных руд (сульфиды, окислы, силикаты, фосфаты, карбонаты, титанаты, и т. д.). 
Важнейшие рудные минералы железа: магномагнетит, Титаномагнетит, Магнетит, Гематит, гидрогематит, Сидерит, Гётит, гидрогётит, железистые хлориты (тюрингит шамозит, и т.д.). В промышленных рудах содержание железа составляет  16 - 70%. Существуют богатые (менее 50% железа), рядовые (50—25% железа) и бедные (≥ 25% железа) железные руды. В зависимости от того, каков химический состав железной руды, ее применяют для выплавки чугуна после обогащения или в естественном виде. Железные руды, содержание металла в которых менее 50%, обогащаются до 60%, в основном способами магнитной сепарации либо гравитационным обогащением. Рыхлые или сернистые (менее 0,3% серы) богатые руды и концентраты обогащения окусковывают агломерацией, из концентратов производят окатыши. Жедезые руды, которые идут в доменную шихту, не должны содержать S, Р и Cu более 0,1 — 0,3% и As, Sn, Zn, Pb 0,05—0,09%, т.к. могут ухудшиться условия плавки или качество стали. Примесь в железной руде кремния, никеля, титана и вольфрама в большинстве случаев полезна. Mn, Cr и Ni улучшают качество стали, титан и вольфрам попутно извлекаются в процессах обогащения и металлургического передела.
Месторождения железной руды по происхождению разделяют на три группы: магматогенные, метаморфогенные и экзогенные. Магматогенные делятся на: магматические — это дайкообразные, пластообразные и неправильные залежи титаномагнетитов, которые связаны с габбро-пироксенитовыми породами (Лиганга в Танзании, Бушвельдские месторождения в ЮАР), апатито-магнетитовые залежи, которые связаны с сиенитдиоритами и сиенитами (Елливарс и Кируна в Швеции, Лебяжинское на Урале), скарновые или контактово-метасоматические, поялвяются вблизи интрузивных массивов или на контактах, и др.
Экзогенные месторождения: осадочные — механические и химические осадки озерных и морских бассейнов, более редко в дельтах и долинах рек, возникают в процессе местного обогащения соединениями железа вод бассейна, а также в результате сноса в воды железистых продуктов суши; слагают линзы или пласты среди осадочных, реже  — вулканогенно-осадочных пород; сюда относят месторождения бурых железняков, часть силикатных руд, сидеритов, (Керченское на Украине, Аятское в Казахстане; Лан-Диль в Германии, и т.д.). Месторождения коры выветривания появляются после выветривания железосодержащих горных пород; различаются элювиальные или остаточные месторождения, где продукты выветривания, обогащены железом (в результате выноса из горной породы других элементов) и остаются на месте (Украина - руды Кривого Рога, Россия - Курская магнитная аномалия, США - район оз. Верхнего) и цементационные (инфильтрационные), здесь железо выносится из выветривающихся пород, а затем отложено заново в пролегающих ниже горизонтах (Россия - Алапаевское месторождение Урала).

Метаморфогенные (или метаморфизованные) месторождения — это преобразованные под высоким давлением и температурой ранее существовавшие, в основном осадочные месторождения. Сидериты и гидроокислы железа при этом, как правило, переходят в магнетит и гематит. Метаморфические процессы могут дополняться гидротермально-метасоматическими образованиями магнетитовых руд. Подобные месторождения есть в России, Индии, Украине, США, Австралии и др.