Урок на тему «Железо – химический элемент и простое вещество»

Методическая разработка урока по теме:

ЖЕЛЕЗО – ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО.

(интегрированный урок)

 

Мосиенко Валентина Владимировна, учитель химии МОУ СОШ № 32

Г.о Подольск, Московская область

 

Предмет: химия

Возраст детей: 9 класс

Место проведения: класс

 

Цели:

- образовательная: расширить знания обучающихся о металлах, рассмотреть особенности строения электронных оболочек атомов металлов побочных подгрупп на примере железа, изучить физические и химические свойства железа – простого вещества, учить детей применять полученные знания и умения на практике;

- воспитательная: воспитывать самостоятельность, трудолюбие, творческое отношение к учебе, прививать потребность в здоровом образе жизни, культуре питания человека, экологической культуре, воспитывать у обучающихся уверенность в себе, чувство ответственности, повышение своей самооценки;

- развивающая: развивать творческие навыки, навыки работы с дополнительной литературой, работы в Интернете, навыки создания компьютерной презентации; способствовать развитию у обучающихся логического мышления, формирование умений устанавливать взаимосвязь между составом, строением и свойствами вещества, умения анализировать полученную информацию, поддерживать и развивать интерес к химии

 

Формируемые компетенции:

общеучебная, информационная, ценностно-смысловая, коммуникативная, личностного самосовершенствования.

 

Тип урока: урок изучения нового материала. Сообщение новых знаний и их совершенствование

 

Методы и педагогические приемы:

-самостоятельная познавательная деятельность при подготовке сообщений;

-беседа;

- постановка проблемных вопросов;

-частично – поисковый, химический эксперимент;

-письменный контроль и взаимоконтроль,

- дифференцированное домашнее задание

Межпредметные связи с историей, географией, биологией.

 

Оборудование:

-минералы железа: магнитный, бурый и красный железняк

-штатив для пробирок, пробирки, спиртовка, спички, держатель пробирок, железный гвоздь, железные опилки, магнит. раствор сульфата меди (II), скрепки, растворы соляной и серной кислот, колба, наполненная кислородом, концентрированная азотная кислота, сера

-технические средства: компьютер, медиапроектор, экран.

 

Ход урока.

 

Вступительное слово учителя.

Мы продолжаем изучение раздела – химия металлов. Предлагаю обучающимся отгадать загадку и сформулировать тему и вопросы, которые мы будем сегодня изучать на уроке.

Среди металлов самый славный,

Важнейший древний элемент,

В тяжелой индустрии главный,

Знаком с ним школьник и студент.

Родился в огненной стихии,

А сплав его течет рекой.

Важнее нет его в металлургии,

Он нужен всей стране родной.

Учащиеся дают ответ.

Тема и задачи урока уточняются учителем.(Высвечиваются на экране).

Итак, сегодня нам предстоит знакомство с химическим элементом и простым веществом – железом. Ввиду того, что информации о железе очень много, а мы ограничены во времени, этот урок будут помогать вести мне ребята, которые заранее подготовили для вас интересный материал по некоторым вопросам темы. Обучающиеся получили вопросы, на которые необходимо найти ответы в учебнике, дополнительной литературе, Интернете и создали презентацию в программе Power Point по изучаемому вопросу. Время выступления – до 5 минут.

 

План изучения темы.

(высвечивается на экране)

 

Железо – химический элемент. Строение атома железа. Характерные степени окисления.

Из истории железа.

Нахождение железа в природе. Получение.

Строение железа – простого вещества.

Физические и химические свойства железа.

Применение железа. Биологическая роль железа.

 

Учащиеся ведут в рабочих тетрадях конспект «Паспорт железа», который будет включать все пункты плана.

 

Железо – химический элемент. Строение атома железа. Степени окисления.

 

Учитель:

Охарактеризуйте положение железа в ПСХЭ Д.И. Менделеева. (Ученик работает у доски)

Железо – элемент побочной подгруппы VIII группы 4-го периода ПСХЭ Д.И. Менделеева. Порядковый номер – 26. Это означает, что в состав атома железа входят 26 электронов и 26 протонов (заряд ядра +26). Относительная атомная масса железа – 56, следовательно, в состав ядра входят 30 протонов (56-26=30).

 

Чему равно число электронов на внешнем энергетическом уровне для металлов главных подгрупп? Как определить степень окисления металлов главных подгрупп?

Какие вам известны степени окисления, характерные для железа?

Как определить степень окисления металлов побочных подгрупп? (проблемный вопрос).

Обучающиеся сталкиваются с проблемой причинно-следственной связи: положение в ПСХЭ → строение атома → характерные степени окисления.

Учитель отмечает, что строение атомов элементов побочных подгрупп отличается от строения атомов главных подгрупп. Особенностью электронного строения элементов побочных подгрупп является заполнение электронами не последнего, а предпоследнего уровня. Записываем на доске распределение электронов в атоме железа по энергетическим уровням: +26Fe 2ē; 8; 14ē; 2ē

Составляем электронно-графическую формулу атома Fe.

Учащиеся дают ответ на вопрос о характерных степенях окисления железа.

Железо – такой же восстановитель, как и другие металлы, однако, в отличие от ранее изученных металлов, атомы железа при окислении отдают не только электроны последнего уровня, приобретая с.о. +2, но и способны к отдаче одного электрона с предпоследнего уровня, принимая при этом с.о. +3.

 

Из истории железа. (станция Историческая)

 

Выступление учащегося.

 

Железо – один из семи металлов, известных человеку с глубокой древности (золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть).

По археологической классификации третий и последний период первобытной эпохи, характеризующийся распространением железной металлургии и железных орудий, знаменует собой железный век, представление о котором возникло впервые еще в античном мире. В XVIII — начале XIX в. гипотезу о железном веке развивали уже многие ученые, в том числе и российские (А. Н. Радищев). В современном значении этот термин был введен в употребление в середине XIX в. датским археологом К. Ю. Томсоном и вскоре распространился в литературе наряду с терминами «каменный век» и «бронзовый век».

В отличие от других металлов железо, кроме метеоритного, почти не встречается в природе в чистом виде. Этот металл можно назвать доисторическим, т.к. он применялся человеком еще до изобретения письменности. Наиболее древний сохранившийся образец кованого железа обнаружен при изучении большой пирамиды Хеопса и принадлежит к 2000—1500 гг. до н. э. Однако не только в Египте, но и в Древней Греции было известно о существовании железа. Так, герои «Илиады» Гомера облачались в «меднокованные доспехи» и имели «сердца, твердые как железо», а героев его «Одиссеи», победителей игр, награждали куском золота и куском железа.

Астрологи того времени утверждали, что каждой планете на небе соответствует свой металл на Земле, например красноватому Марсу — гремящее в боях железо. Каждая планета издревле обозначалась особым знаком. Этими же знаками долгое время (вплоть до конца XIX в.) обозначали и «родственные» этим планетам металлы. Железо обозначали в виде копья и щита (♂).

Ученые предполагают, что первое железо, попавшее в руки человека, было метеоритного происхождения. Не случайно на некоторых древних языках железо именуется «небесным камнем». Самый крупный железный метеорит нашли в Африке, он весил около 60 т. А во льдах Гренландии нашли железный метеорит весом 33 т. Уже в древности из этих небесных тел, так как они были прочными и твердыми, изготавливались различные предметы. Современные химические анализы огромного числа метеоритов, упавших на нашу планету, показали, что в составе железных метеоритов на долю железа приходится 91%.

В Америке, Австралии и на большинстве островов Тихого океана железо стало известно лишь во II тысячелетии н. э. вместе с появлением в этих областях европейцев. Предполагают, что железо было известно некоторым племенам Центральной и Северной Африки, однако каких-либо достоверных данных по этому вопросу нет.

Культурой железного века называется обычно культура первобытных племен Европы и Азии, живших к северу от области древних рабовладельческих цивилизаций. В них металлургия железа распространилась в VIII—VII вв. до н. э. Так начался железный век — тот век, в котором мы и сейчас еще живем. Ведь в настоящее время железные сплавы составляют почти 90% всего количества металлов и металлических сплавов.

 

Нахождение железа в природе. Получение. (станция Геологическая)

(на стене карта « Полезные ископаемые России»)

 

Выступления учащихся-2 чел.

 

Железо – второй по распространенности металл (после алюминия) в земной коре. В земной коре его почти 5 %. В природе встречается в виде оксидов и сульфидов: Fe3O4 – магнитный железняк, Fe2O3 – красный железняк (гематит), бурый железняк – 2Fe2O3•3H2O, FeS2 – железный колчедан. Помимо железа в состав этих минералов входят другие элементы. Природное химически чистое железо бывает только метеоритного происхождения. Считается, что в глубинах нашей планеты находится расплавленное «ядро» Земли, состоящее из сплава железа с никелем.

По запасу железных руд наша страна занимает первое место в мире. Они залегают на Урале, в Курской, томской областях и других местах.

Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды Бразилии и России (57% руды добывается на Бакчарском железорудном месторождении) приходится по 18 % мировых запасов железа.

Распределение запасов железной руды по странам:

Украина — 18 %

Россия — 16 %

Китай — 13 %

Бразилия — 13 %

Австралия — 11 %

Индия — 4 %

США — 4 %

Прочие — 20 %

 

Редчайший каприз природы — самородное железо земного происхождения (его еще называют «теллурическим», от латинского «теллус» — земля). Такое железо получается в уникальных геологических условиях — там, где потоки расплавленной лавы, богатой оксидом железа, на пути своего извержения из земных глубин пересекали пласты каменного угля. И уголь восстанавливал железо до очень чистого металла так же, как это происходит в доменной печи.

Метеоритное железо — всегда самородное. С ним, видимо, и познакомились древние наши предки, когда на смену «бронзовому веку» пришел «век железный». Правда, «небесный металл» всегда содержит примесь никеля, поэтому он почти не поддается ковке в обычных условиях. Его следует обрабатывать, как это ни странно, только в холодном виде, а не разогретым, как обычное железо.

Начало производства железа из его руд в Древнем Египте, Индии и других странах было положено около 4 тыс. лет назад, потому что возросла потребность людей в железных предметах — мечах, плугах и других изделиях, — а метеоритного железа на Земле было гораздо меньше, чем химически связанного железа. Поэтому огромное значение имело открытие способа получения железа из железных руд. Эти открытия основывались на наблюдении за процессами горения. В тех случаях, когда вместе с топливом случайно нагревались куски железной руды, железо при соприкосновении с раскаленным древесным углем восстанавливалось. Постепенно человек перешел к сознательному воспроизведению процесса выплавки железа.

Согласно легенде, оружейники, которые не знали этого секрета и не сумели отковать из «небесного камня» меч для бухарского эмира, были безжалостно казнены. Только много столетий спустя загадка «металла с неба» была разгадана. В XVII веке оружие из никелистого железа появилось у индийского раджи. Были сабли из уникального металла у латиноамериканского героя — легендарного Боливара и у российского царя Александра I.

Однако железо, выплавленное из руд, конечно, со временем стало более доступным, чем метеоритное.

У древних египтян железо ценилось так же высоко, как золото, - недаром железные лезвия, кинжалы и бусы находили в гробницах фараонов вместе с золотыми украшениями. Скорее всего, железные предметы попадали в Египет с Ближнего Востока, где уже три тысячи лет назад начала развиваться черная металлургия. Позднее секретом получения «главного металла» овладели и в Европе.

Первые печи для выплавки железа имели два отверстия: вверху и внизу. На дно такой печи насыпали древесный уголь, а затем слой руды и снова уголь. Уголь поджигали и продували через печь воздух, раздувая пламя мехами. Углерод восстанавливал железо из руды:

Fe304 + 4 С = 4 СО↑ + 3 Fe

В древности железо получали также в «сыродутных печах» , которые на самом деле представляли собой просто прорытые в толще глины норы. Такие «воры» выходили одним Концом на склон оврага, и горение угля в печи поддерживалось ветром. Пользовались еще «волчьими ямами» — домницами (от славянского слова «дмути» — дуть), которые вырывали в земле.

Металлического железа нужно было все больше и больше. Появились доменные печи, в которых из железной руды получался чугун. Его можно использовать для разных целей (например, отливать из него массивные детали, решетки и крышки люков, делать мясорубки и сковородки). Можно получать из чугуна сталь, в которой содержание углерода гораздо меньше, чем в чугуне: Поэтому и свойства у нее другие. Сталь упруга, поддается ковке и прокатке, прочна. Из стали можно делать все — от железнодорожных рельсов до хирургического инструмента. Если железо совсем не содержит примеси углерода, его называют «мягким».

Свойства мягкого железа, чугуна и стали сильно различаются: железный шарик при ударе о металлическую плитку расплющивается, стальной — отскакивает, а чугунный раскалывается.

 

4. Строение железа – простого вещества.(беседа с классом).

Вид химической связи, тип кристаллической решетки.

 

Физические и химические свойства железа. (станция Химическая)

(беседа учителя с классом, демонстрация опытов)

 

5.1 Физические свойства железа.

На столах учащихся: гвоздь, скрепки, магнит.

Учитель: Рассмотрим образцы железа. Докажите, что железо - типичный представитель металлов. На основе анализа справочных данных и образцов железа на столах охарактеризуйте физические свойства железа.

Для справки: плотность железа 7, 87г/см3,температура плавления -1536 градусов

 

Учащиеся заполняют таблицу.

(Железо – серебристо-белый металл, плотность 7,87 г/см3, температура плавления 1539 градусов. Обладает хорошей пластичностью, электропроводностью и магнитными свойствами.)

 

5.2 Химические свойства железа. ( исследовательская деятельность)

Некоторые химические свойства железа обучающимся известны, но необходимо систематизировать все свойства железа и рассмотреть эти процессы с точки зрения ОВР. Изучение некоторых химических свойств сопровождается демонстрационными опытами. (взаимодействие железа с кислородом, серой, раствором CuSO4, раствором HCl, HNO3 конц.).

На столе учителя образцы соединений железа: FeCl2, FeCL3,FeSO4, Fe3O4, Fe(OH)3

Гипотеза: если есть такие соединения железа, то их можно получить химическим путём. Предложите вещества, которые необходимо взять, для получения этих соединений железа.

Учащиеся предлагают вещества и записывают уравнения реакций на доске. Выборочно рассматриваем их с точки зрения ОВР. Учитель проводит демонстрационные опыты).

Учитель: По химическим свойствам железо является весьма активным металлом, но большинство реакций с участием железа идут при нагревании, что полностью соответствует его положению в ряду напряжений.

Раскаленное железо ярко сгорает в кислороде с образованием железной окалины

┌─ 8e−↓

3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO•Fe2O3)                                                             Демонстрационный опыт №1

↑           ↓

восстан. окислит.

При воздействии влаги и кислорода железо подвергается сильной коррозии и покрывается рыхлой пленкой ржавчины

┌─ 12e−↓

4Fe0 + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

↑            ↓

восстан. окислит.

При слабом нагревании железо взаимодействует с хлором и серой

┌─ 6e −↓

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

↑            ↓

восстан. окислит.

┌ 2e−↓

Fe + S = FeS                                                                                     Демонстрационный опыт №2

↑        ↓

восстан. окислит.

При высокой температуре железо взаимодействует с углеродом, кремнием, фосфором. Задание: самостоятельно запишите УХР этих реакций.

В электрохимическом ряду напряжений металлов железо располагается до водорода, следовательно вытесняет его при взаимодействии с растворами кислот (кроме азотной).

┌─2e−↓

Fe + 2НCl = FeCl2 + Н2↑                                                                      Демонстрационный опыт №3

↑         ↓

восстан. окислит.

Железо будет вытеснять металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений металлов правее его из водных растворов солей.

┌─2e−↓

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu                                                                     Демонстрационный опыт №4

↑       ↓

восстан. окислит.

При высокой температуре (7000 – 9000 С) железо реагирует с парами воды.

┌─8e−↓

Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑

         пар

↑         ↓

восстан. окислит.

По мере проведения опытов приглашаю к доске учащихся написать уравнения увиденных реакций и рассмотреть их с точки зрения ОВР.

В завершение этого вопроса предлагаю учащимся сделать вывод и составить схему:

Железо дает два ряда соединений, соответствующих степени окисления +2 и +3. Степень окисления железа зависит от окислительной способности реагирующего вещества: при взаимодействии с сильными окислителями железо принимает с.о. +3, с более слабыми +2. При обычной температуре концентрированные азотная и серная кислоты с железом не взаимодействуют.

Fe

                                                                                                                          

        +2                                                             +2, +3                                             +3

S, Cu+2, HCl(разб), H2SO4(разб)                    O2, H2O                                         Cl2, HNO3(разб)

 

6. Применение железа.

Биологическая роль железа (станция Прикладная)

6.1 Учитель: На чем основано применение веществ?

(Применение железа основано на его физических и химических свойствах.)

Что вы знаете о применении железа ? Предполагаемые ответы:

- Изготовление сердечников трансформаторов, электромоторов, электромагнитов и мембран микрофонов.

- Широко используются сплавы железа – чугун и сталь.

Однажды встретила такое высказывание о железе: «Нет в периодической системе химических элементов другого такого элемента, при участии которого было бы пролито столько крови и унесено столько жизней…»

Согласны ли вы с этими словами?

Железо, это металл не только разрушений, но и металл созидания.

Около 90% всех используемых человечеством металлов – это сплавы на основе железа. Железо выплавляется в мире очень много, приблизительно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлов. Сплавы на основе железа универсальны, доступны, технологичны.

Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.

Железные сплавы – чугун и сталь – не только основа развития техники, но и важнейший материал искусства.

Так из чугуна отлит узор «кружев чугунных» Санкт-Петербурга, ограды его мостов и решетка Летнего сада.

Знаменитый булат, из которого оружейники Дамаска, а затем и нашего Златоуста делали лучшие в мире клинки – это сталь.

Из стали тульские оружейники создавали непревзойденное по качествам оружие. Из стали сделаны барельефы, светильники и опоры метро, некоторые скульптуры.

В настоящее время железо – это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта и средств связи, космических кораблей и всей современной промышленности и цивилизации.

Большинство изделий, начиная от швейной иглы и кончая космическими аппаратами, не может быть изготовлено без применения железа.

Из чугуна отливают плиты, трубы, мягкие стали и стали средней твердости, используют для изготовления кузовов легковых автомобилей, холодильников, стиральных машин, кровельного железа и т.д., а твердую сталь – для изготовления инструментов.

Чистое железо способно быстро намагничиваться и размагничиваться, поэтому его применяют для изготовления трансформаторов, электромоторов.

Основная же масса железа, на практике, используется в виде сплавов.

Хромоникелевые (нержавеющие) стали устойчивы к коррозии. Они широко применяются в изготовлении предметов домашнего обихода (вилки, ложки, ножи) и многих частей машин.

Трудно перечислить все области применения железа, чугуна и стали. Они служат основой индустриализации промышленности, развития сельского хозяйства и укрепления обороноспособности нашей Родины.

 

6.2 Биологическая роль железа.

(сообщение учащегося)

Эта информация покажет важность сбалансированного питания и напомнит о здоровом образе жизни. В этом прослеживается связь химии с биологией, валеологией.

Железо входит в кровь почти всех представителей животного мира нашей планеты. Соли железа необходимы для кроветворения, обеспечивают транспортировку кислорода от легких к тканям всех органов, в том числе и мозга. Железо входит в состав гемоглобина - красного пигмента крови. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходит постоянный распад и синтез гемоглобина. Красные кровяные тельца образуются костном мозге, поступают в кровь и циркулируют в течение шести недель. Затем распадаются на составные части, а железо, которое содержалось в них, поступает в печень и селезенку и откладывается там про запас – « до востребования». Для восстановления железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление его в организм около 25 мг. Недостаток железа в организме приводит к заболеванию - анемии. Человек начинает быстро утомляться, возникают головные боли. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С этим связан сидероз глаз и легких - заболевание, вызываемое отложением соединений железа в тканях этих органов. Железо содержится в белокочанной и цветной капусте, луке, моркови, горчице, свекле, яблоках, землянике. гречихе, грецких орехах, любых сухофруктах.

 

Оценочно-рефлексивный этап. (станция Контрольная)

 

Учитель: Давайте проверим, как вы усвоили материал урока.

 

Тестирование.

Тест по теме «ЖЕЛЕЗО»

 

1. В ПСХЭ Д. И. Менделеева железо находится

а) в III группе главной подгруппе

б) в VIII группе главной подгруппе

в) в VIII группе побочной подгруппе

 

2. Электронная формула атома железа

а) 1s22s22p63s23p64s2

б) 1s22s22p63s23p63d64s2

в) 1s22s22p63s23p6

 

3. Наиболее характерные степени окисления железа

а) +1; +2;

б) +2; +3;

в) +3

 

4. Для железа характерны следующие физические свойства

а) тугоплавкий металл

б) мягкий (легко режется ножом)

в) тяжелый металл

 

В природе железо встречается в составе соединений

а) магнетит

б) боксит

в) пирит

 

6. Из всех металлов по распространенности в природе железо занимает следующее место:

а) первое

б) второе

в) третье

 

7. Железо будет реагировать с растворами солей

а) ZnSO4

б) CuSO4

в) Hg(NO3)2

 

8. В реакции с раствором серной кислоты железо окисляется до

а) ионов Fe+2

б) ионов Fe+3

в) Fe+2·Fe+3

 

9. При обычной температура с концентрированной азотной кислотой железо

а) окисляется до ионов Fe+2

б) окисляется до ионов Fe+3

в) не взаимодействует

 

Ответы высвечиваются на экране. Учащиеся осуществляют взаимоконтроль, выставляют оценки. Критерии:

менее 4 правильных ответов – оценка «2»,

4–5 правильных ответов - оценка «3»,

6-8 правильных ответов - оценка «4»,

9 правильных ответов - оценка «5»

В журнал оценки выставляю по желанию учащихся.

Учитель:

А теперь давайте подведем общий итог урока.

Какие вопросы мы сегодня рассмотрели на уроке?

Какие из них вам показались наиболее трудными?

Ребята, как вы считаете, достигли ли мы поставленных нами целей?

Пригодятся ли полученные на уроке знания в жизни?

Свое отношение к уроку выразите с помощью цветовых сигналов:

красный квадрат - урок понравился, усвоил весь материал,

синий – урок не очень понравился, материал усвоил частично.

 

Если какие-то вопросы вызвали у вас затруднения, обратитесь к тексту учебника и выполните письменно задания после параграфа.

Учитель выставляет оценки учащимся.

 

Домашнее задание

§14 (до соединений железа), вопросы №5,6

 

Задание (по желанию)

Прочитать рассказ о железе. О каких химических превращениях идет речь? Написать соответствующие химические реакции. (Учащимся выдается распечатка)

 

Приключение с господином Ферром.

Уставший господин Ферр пришел домой. Не успел он стряхнуть с себя металлическую пыль, как неожиданно к нему влетел Кисли и предложил создать совместное предприятие. Зная его коварный нрав, Ферр категорически отказался вступать с ним в контакт, но тут явилась очаровательная Аква и настолько легко вошла в доверие к Ферру, притупив его бдительность и осторожность, что Ферр не заметил, как Кисли вместе с Аквой овладели ситуацией. Ферр стал покрываться бурым налетом и выпадать в осадок. Так бы и пропал наивный Ферр, если бы на помощь не пришел Верный Газ, который заставил Ферра как следует прогреться, а затем постепенно восстановил его до прежнего состояния.

 

ЛИТЕРАТУРА И ССЫЛКИ

 

Л.Ю. Аликберова, Занимательная химия, Москва, АСТ-ПРЕСС, 2009 г.

Л.И. Лагунова и др., Познавательные тексты по химии, Тверь, ТОИУУ, 2003 г.

Электронная энциклопедия Википедия, http://www.wikipedia.org

Электронная мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия, http://www. megabook.ru

11