Тема урока: "Железо в природе, общее представление и его свойства"

…Я не знаю, что будет со мною,
Может в новую жизнь не гожусь,
Но и все же хочу я стальною
Видеть бедную нищую Русь.

(С. Есенин)

Цели урока:

1. сформулировать общее представление об элементе железо, сформировать представление о физических и химических свойствах железа в зависимости от проявляемой им степени окисления и природы окислителя;
2. развивать навыки работы с реактивами, развивать понятийное мышление таких операций, как анализ, сравнение, обобщение, реализация принципа экологизации

Тип урока: изучение нового материала.

Реактивы и оборудование:

• железо (порошок, пластина, скрепка), сера, сульфат меди(II),
• кристаллическая решетка железа,
• физическая карта России,
• магнит,
• минералы, содержащие железо,
• пробирки, спиртовка, спички, ложка для сжигания горючих веществ,
• растворы KNCS, FeCl₃, K₃(Fe(CN)₆), K₄(Fe(CN)₆), CuSO₄, HCl, Fe, FeCl₂

Ход урока

Учитель. Нам известно, что в истории человеческого общества выделяют три эпохи: век каменный, медный и железный. Появление железа в человеческой цивилизации положило начало железному веку. Железо – это основа современной техники, машиностроения, средств связи, космических кораблей и вообще всей современной промышленности и цивилизации. Чугун и сталь – сплавы, основу которых составляет железо. Fe - это знак воина! Этот металл оказался не только созидателем - с ним связаны многие кровавые страницы истории человечества. Миллиардами снарядов и бомб обрушился этот металл на людей в годы первой и второй мировых войн.

Откуда же древние люди брали железо в то время, когда еще не умели добывать его из руды? Для этого давайте обратимся к исторической справке.

1. Из истории железа

Учитель. Вначале люди узнали метеоритное железо. В переводе со многих языков древнего мира оно означало “небесный металл”. Метеоритное железо всегда самородное. Оно сверх чистое и не поддается ковке в разогретом виде из-за небольшого количества примесей никеля, его можно ковать холодным. Чистое железо не ржавеет, примером этого служит колонна в Индии, которая стоит 1,5 тыс. лет несмотря на влажный и жаркий климат. Самым крупным железным метеоритом является метеорит, найденный в 1920 году на юго-западе Африки весом 60т. Ученые предполагают, что страны Малой Азии были местом возникновения черной металлургии уже в I тыс. до н. э. , так как в гробницах фараонов были найдены железные предметы. Самородное железо обнаружено на Марсе и на Луне. Алхимики обозначали железо символом планеты Марс кружком со стрелкой. Из Малой Азии железо пришло в Европу. Знаменитую булатную сталь делали на Востоке (IV в. до н. э. ). Почему же век железный наступил после медного? Наверное, железные руды не так заметны как медные. Второй причиной была высокая температура, необходимая для восстановления железа из руд. Век железный пришел на смену медному во втором тысячелетии до нашей эры и длится по сегодняшний день.

А теперь, используя знания географии, давайте вспомним минералы железа и их местонахождение (Учащиеся называют)

Учитель. (используется физическая карта России). Самое крупное скопление самородного железа было найдено на берегу острова Диско у берегов Гренландии. В отличии от метеоритного оно содержит не более 2% никеля, до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины. В природе железо встречается виде минералов (демонстрируется коллекция). По распространенности среди металлов железо занимает второе место, после алюминия. Состав, местонахождение и общая характеристика важнейших минералов железа представлены в таблице1 (таблица на доске).

Таблица 1

Гематит, или красный железняк – основная руда главного металла современности – железа. Содержание железа достигает в нем 70%. Гематит известен с давних пор. В Вавилоне и Древнем Египте он использовался в украшениях, для изготовления печатей, наряду с халцедоном служил излюбленным материалом в качестве резного камня. У Александра Македонского был перстень с вставкой из гематита, который, как он полагал, делал его неуязвимым в бою. В древности и в Средние века гематит слыл лекарством, останавливающим кровь.

Магнетит, или магнитный железняк – минерал, содержащий 72% железа. Это самая богатая железная руда. Замечательное в этом минерале его природный магнетизм – свойство, благодаря которому он был открыт. Как сообщал римский ученый Плиний, магнетит назван в честь греческого пастуха Магнеса. Магнес пас стадо возле холма над р. Хинду в Фессалии. Неожиданно посох с железным наконечником и подбитые гвоздями сандалии притянула к себе гора, сложенная сплошным серым камнем. Минерал магнетит дал в свою очередь название магниту.

Пирит – один из тех минералов, увидев который хочется воскликнуть: "Неужели это так и было?" Трудно поверить, что высший класс огранки и полировки, поражающий нас в рукотворных изделиях, в кристаллах пирита – щедрый дар природы. Пирит получил свое название от греческого слова "пирос" – огонь, что связано с его свойством искрить при ударе стальными предметами. Этот красивый минерал поражает золотистым цветом, ярким блеском на почти всегда четких гранях. Благодаря своим свойствам пирит известен с глубокой древности.

Учитель. Каковы физические свойства железа?

Ученик. Железо – серебристо-серый металл, температура плавления -1539⁰С

пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Учитель. Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02 -0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Железо имеет две формы кристаллических решеток - объемно-центрированный куб и гранецентрированный куб. В первом случае атомы железа расположены в вершинах куба и один в центре, во втором случае - в вершинах куба и в центре каждой грани. Химически чистое железо устойчиво к коррозии.

Учитель. Вспомните, что называется коррозией? Каковы ее последствия?
Ученик. Коррозия – это разрушение металла под действием окружающей среды. Образование ржавчины можно представить в следующем виде:

4Fe + 3О₂ + 6H₂O = 4Fe(OН)₃, (Демонстрация коррозионного гвоздя). Однако ничтожные доли примесей лишают железо этих драгоценных свойств.

Учитель. Давайте рассмотрим положение железа в ПСХЭМ

2. Положение железа в ПСХЭМ

Выясняем положение железа в ПСХЭМ, заряд ядра и распределение электронов в атоме.

Ученик. Железо- элемент побочной подгруппы VIII группы. Электронная формула атома железа следующая ₂₆Fe 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s^2.

Учитель. В атоме железа в возбужденном состоянии 6 неспаренных электронов, так как происходит распаривание s-электронов и один из них переходит на 4-р орбиталь, поэтому известны соединения железа со степенью окисления +6.

Например, феррат калия К₂FeO_4. Однако для железа более характерны соединения со степенью окисления +2 и +3- FeCO_3, Fe₂O_3.

3. Химические свойства железа

Учитель. Железо-таинственный и незаменимый элемент. Вам ребята предстоит вспомнить свойства металлов и разъяснить некоторые реакции.

На столах учащихся находятся реактивы и оборудование: пробирки, минералы, содержащие железо, пробирки, спиртовка, спички, ложка для сжигания горючих веществ, Fe(порошок), S , растворы KNCS, FeCl₃, K₃(Fe(CN)₆), K₄(Fe(CN)₆), CuSO₄, HCl, H₂SO₄(разб)_, FeCl_2, железный гвоздь

Исходя из знаний о химических свойствах металлов, как вы думаете, какими химическими свойствами будет обладать железо +2, +3 ? Проводится эксперимент.

Ученик. Взаимодействие с неметаллами.

Fe + S= FeS (при нагревании)(учащиеся проводят сами)

Учитель. Напишите уравнение реакции взаимодействия железа с галогеном, углеродом, азотом.

Ученик.

2Fe +3Cl₂ = 2FeCl₃

3Fe +С = Fe₃С-цементит

2Fe +N₂= 2FeN

Учитель. На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая ржавлению

3Fe + 2О₂ = Fe₃O₄(Fe₂O₃ ^. FeO) - феррит железа

С разбавленными кислотами HCl и H₂SO₄

Fe + 2HCl= FeCl₂ + H₂

Fe +H₂SO₄= FeSO₄+ H₂

Концентрированные H₂SO₄ и HNO₃ пассивируют железо на холоде, а при нагревании взаимодействуют с ним

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

3Fe + 10HNO₃ (конц. )=3Fe(NO₃)₃ + NO + 3H₂O

С солями, если металл соли находится в ряду активности правее железа

Ученик. Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu (учащиеся опускают привязанный на нитке гвоздь в водный р-р CuSO₄)

Учитель. С водой

3 Fe + 4H₂O (пары) = Fe₃O₄ + 4H₂при температуре 700-900^оС

Качественные реакции на Fe³⁺и Fe⁺²

С целью обнаружения ионов Fe³⁺ в растворе пользуются желтой кровяной солью 4[Fe(CN)6], которая в присутствии Fe³⁺ дает синее вещество – берлинскую лазурь.

4FeCl₃+3K₄ (Fe(CN)₆)= Fe₄ (Fe(CN)₆)₃+12KCl, в сокращенном ионном виде:

4Fe³⁺+3(Fe(CN)₆)^4- = Fe₄ (Fe(CN)₆)₃ Другая реакция обнаружения ионов Fe³⁺ в растворе – это взаимодействие с KNCS раствор окрашен в интенсивно-красный цвет

FeCl₃+ 3KNCS Fe(NCS)₃+3KCl, в сокращенном ионном виде:

Fe³⁺+ 3NCSFe(NCS)₃

Качественная реакция на Fe⁺² - реакция с красной кровяной солью, при этом получается турнбулева синь. 3FeCl₂+ 2K₃(Fe(CN)₆)= Fe₃ (Fe(CN)₆)₂ +6KCl, в сокращенном ионном виде: 3Fe²⁺ + 2(Fe(CN)₆)^2-= Fe₃ (Fe(CN)₆)₂

(Демонстрация опытов)

4. Роль железа в жизни человека и растений

Учитель. – Какова роль железа в жизни человека и растений?

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Железо обусловливает красную окраску гемоглобина, от которого зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO₂. 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. Если белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, то 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.

В организм железо поступает вместе с пищей. В пищевых продуктах содержится трехвалентное железо. А клетки кишечника пропускают только двухвалентное. Попав в кишечник, Fe⁺³ восстанавливается в Fe⁺². Если человек плохо пережевывает пищу, Fe⁺³ не восстанавливается и остается недоступным. На усвоение влияет и состав пищи. В присутствии витамина С и фруктозы способствуют растворению и усвоению Fe. Но есть враги железа – это чай, кофе, яичные желтки. В их присутствии железо образует труднорастворимые соединения. У человека, страдающего недостатком железа, развивается малокровие.

Таблица2

Содержание железа в продуктах питания

---

Сообщая учащимся информацию о биологической роли железа для организма человека – реализуется принцип экологизации.

5. Закрепление изученного материала

Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

Fe FeCl₂ Fe(OH)₂ FeO

Fe FeCl₃ Fe(OH)₃ Fe₂O₃

Выберите правильные ответы

1. Железо – это активный щелочной металл.

2. Железо легко куется.

3. Железо взаимодействует с разбавленными кислотами.

4. Железо не подвергается коррозии.

5. Температура плавления железа - 1539⁰С.

6. Железо взаимодействует с концентрированными кислотами H₂SO₄ и HNO₃ при нагревании.

7. Атомы железа проявляют окислительные свойства.

8. Железо не обладает способностью намагничиваться.

9. Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна без малейшего пятнышка ржавчины, хотя ее возраст почти 2800 лет.

10. Чистое железо не подвергается коррозии.

11. Охарактеризуйте железо как химический элемент, основываясь на его положении в ПСХЭМ. Отметьте заряд ядра, число электронных облаков, число электронов на последнем электронном слое.

Задание к лабораторному опыту: В 2-х пробирках находятся растворы Fe⁺³и Fe⁺².

Как распознать их?

6. Итоги урока

Комментирование ответов

1) В беседе на вопросы при закреплении.

2) Самый эрудированный при выполнении задания на данном этапе и самый активный ученик на уроке.

7. Домашнее задание. Составьте кроссворд по теме “Железо и его соединения”.

Учебник §14 О. С. Габриелян.