Методическая разработка урока по теме “Нахождение алюминия в природе, его получение и свойства. Новокузнецкий алюминиевый завод”

Цели урока:
Обучающие:

• познакомить учащихся с природными соединениями алюминия;
• дать представление об электролизе как окислительно-восстановительном процессе, противоположном тому, который протекает в гальваническом элементе;
• обобщить и систематизировать знания о физических свойствах алюминия;
• познакомить с историей возникновения Новокузнецкого алюминиевого завода и технологией электролиза на нем.

Развивающие: развитие речи (обогащение и усложнение словарного запаса), умения слушать, анализировать, вырабатывать свою точку зрения.
Воспитательные:воспитание любви к своей малой Родине, чувства гордости за свой родной район и его знаменитых горожан и земляков.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Оборудование: таблицы по теме; фотографии алюминиевого завода, портрет первого директора Новокузнецкого алюминиевого завода Бугарева Л.А., образцы природных соединений алюминия.

Ход урока.

I. Организационный момент.

Позволяет почувствовать пульс класса, подготовить учащихся к занятию, обеспечить нормальную обстановку для работы.

II. Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.

Учитель. В ходе урока мы должны вместе с вами познакомиться с природными соединениями алюминия и получением его на производстве. Кроме того, мы узнаем об истории возникновения Новокузнецкого алюминиевого завода и технологией электролиза на нем.

III. Этап усвоения новых знаний

1. Положение алюминия в Периодической системе, строение атома.
Учитель объясняет, что из элементов III группы изучается только алюминий.
Самостоятельная работа учащихся. Учащиеся характеризуют положение элемента в ПСХЭ, составляют электронную формулу (3 период, III порядковый номер 13. заряд ядра +13, 13 протонов, 14 нейтронов, 13 электронов. Электроны расположены на трех уровнях: 1s²2s²2р⁶3s²3р¹)

2. Алюминий в природе.
Учитель. В земной коре содержится 8,8% алюминия. Это третий по распространению элемент в земной коре после кислорода и кремния. В природе он встречается только в соединениях.
Учащийся. Посмотрите на схему: «Важнейшие природные соединения алюминия».

(учащийся демонстрирует образцы полевого шпата, боксита, глинозема).
Из соединений алюминия важное значение имеет оксид алюминия AL2О3. Этой формулой выражается состав и глинозема, и очень твердого минерала корунда. Прозрачные кристаллы корунда, окрашенные примесями в синий цвет, называют сапфиром (демонстрация образца), в красный – рубином (демонстрация образца).

3. Физические свойства алюминия.
Самостоятельная работа учащихся с образцами алюминия по инструктивной карточке.
Инструктивная карточка.
Определение физических свойств алюминия.
1. Агрегатное состояние.
2. Цвет и блеск.
3. Плотность алюминия.
Навеску из 3 г. алюминия опустите в цилиндр с водой. Определите объем вытесненной воды. Вычислите плотность алюминия, разделив массу алюминия на объем вытесненной воды. Сравните с табличными данными.
4. Твердость алюминия.
Испытайте твердость алюминия экспериментальным путем: режется ли ножом, можно ли нанести царапины ножом.
Пользуясь табличными данными, определите относительную твердость алюминия.
5. Пластичность алюминия.
Осуществите механическое воздействие на алюминиевую проволоку.
6. Прочность алюминия на изгиб.
Закрепите кусочки проволоки алюминия и меди в лапке штатива и, одинаково сгибая на определенный угол, посчитайте количество изгибаний до разлома каждой проволоки.
7. Теплопроводность.
Нагрейте в стакане воду до 80-70 градусов С. Опустите в нее одновременно пластины одинакового размера алюминия и меди, чтобы не касались друг друга. Какая из пластин нагревается в большей мере.
8. Магнитные свойства алюминия.
Испытайте действие магнита на алюминий.
9. Электропроводность алюминия.
Провести испытание на электропроводность, используя прибор для определения электропроводности.
10. Используя табличные данные, определите температуру плавления и алюминия кипения.
После выполнения самостоятельной работы учащиеся сообщают полученные данные.
Учитель обобщает. Алюминий легкий металл светло-серого цвета с металлическим блеском. Плотность – 2,70, твердость – 2,9, пластичный, обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью, не обладает магнитными свойствами, температура плавления – 600 градусов С, температура кипения 2060 градусов С.

4. Физ. минутка.
В работах профессора М. М. Кольцевой доказано, что тренировки тонких дифференцированных движений пальцев является стимулом для развития речи, мышления, и мощным тонизирующим фактором для коры головного мозга в целом.

Растирание рук, массаж всех пальцев.
Надавливаем на суставы пальцев с боков, а также сверху – снизу.
Потирание рук
Способствует приливу крови и эмоциональной усталости.
Колечко
Поочередно и как можно быстрее учащиеся перебирают пальцы рук, соединяя в кольцо с большим пальцем последовательно указательный, средний, и т д в прямом и обратном порядке.

5. История получение алюминия.
Сообщение учащегося. Немецкий химик Ф. Велер в 1827 году получил алюминий при нагревании хлорида алюминия с щелочными металлами без доступа воздуха.
AlCl3 + 3K = 3KCl + Al
Но этот способ экономически невыгоден.
На парижской выставке в 1855 году алюминий демонстрировался как самый редкий металл. Он был тогда чуть ли не в десять раз дороже золота. Достаточно сказать, что из алюминия была сделана и торжественно преподнесена сыну Наполеона III погремушка и только очень богатые люди могли позволить себе есть из алюминиевой посуды. В 1883 г. его выработка во всем мире не достигла 3 тонн.
Выделить алюминий из природных соединений трудно, так как он очень крепко связан с кислородом и другими химическими элементами. В 1885 году американский студент-химик Чарльз Мартин Холл (1863-1914), услышав от своего учителя, с какими трудностями сопряжено получение алюминия из глиноземов и как, должно быть разбогатеет и прославится тот, кто откроет дешевый способ получения алюминия, решил заняться этим. В дровяном сарае он оборудовал лабораторию самодельными и взятыми на прокат аппаратами и довольно скоро открыл, что глинозем можно растворить при 950ОС в расплавленном криолите, а получив раствор оксида, можно путем электролиза выделить и сам алюминий. В 1855 году американец француз Поль Эру разработал тот же метод получения алюминия. Метод Холла – Эру сделал возможным промышленное получение алюминия.

6. Электрохимический способ получения алюминия.
Учитель. В настоящее время алюминий получают электрохимическим путем. Электролитом служит раствор окиси алюминия в криолите. Первым этапом в переработке руды является очистка глинозема от примесей, вторым – тщательное обезвоживание окиси алюминия.
Электролиз ведут при температуре 950 градусов С в железных электрических ваннах (электролизеры). Катодом служит теплоизоляционный материал из угля, наполняющий ванну снизу и с боков. Аноды, изготовленные из угля, монтируются таким образом, что опускаются по мере сгорания. (Посмотрите на таблицу).
Уравнение реакции следующее:
Al2O3 = 2Al + 3О
Задание учащимся: Проставьте над знаками соответствующих химических элементов степени их окисления и покажите переход электронов (самостоятельно)
Al ³⁺ + 3е = Al⁰ на катоде,
O ^2- - 2 е = О⁰ на аноде,
Аl₂O₃ = 3Al + 3О
Выделяющийся на анодеде кислород вступает во взаимодействие с угольным анодом:
О + С = СО,
2О +С = СО2.
Обобщение учителя.
Электролит, заполняющий ванну диссоциирует. Катионы направляются к катоду, захватывают от него электроны, то есть восстанавливаются, превращаясь в электронейтральные атомы. Анионы движутся к аноду, отдают электроны, окисляются и также превращаются в нейтральные атомы.
Расплавленный алюминий спускается в ковши, разливается в формы и после охлаждения транспортируется в железных бочках.

7. Просмотр фрагмента видеофильма о производстве алюминия. (5 – 6 минут)

8. Новокузнецкий алюминиевый завод.
А. .История возникновения завода.
Сообщение учащихся.
Заводы первенцы алюминиевой промышленности:
Волховский – начало строительства в 1932 году
Днепровский – 1933 г
Уральский – 1939 г.
Указом президиума Верховного Совета СССР от 22июня 1941 года «О военном положении» по всей стране были введены в действие мобилизационные производственные планы. Оборудование и кадры Днепропетровского и Волховского алюминиевых заводов были эвакуированы в г. Сталинск. Это была, пожалуй, равнозначная боевым действиям операция по сохранению экономического потенциала страны. На новом месте необходимо было в кротчайшие сроки развернуть производство алюминия.в августе 1942 года Леонида Александровича Бугарева назначают директором строящегося алюминиевого завода. Стройка начиналась в неимоверно сложных условиях: на строительство было отпущено всего 4 месяца. В январе 1942 года был дан первый алюминий. Это внесло большой вклад в развитие Кузнецкого района. Под руководством Бугарева выросли многоэтажные дома от Советской площади до ул. Метелкина, застраивался малоэтажный поселок. Он был инициатором прокладки трамвайного пути в Кузнецком районе, при его участии заложен фундамент больницы № 22, проектирован ДК НКАЗА. В 1951 году Бугарева перевели на работу в г. Москву начальником Главалюминстроя. До последних дней своей жизни он поддерживал связь с заводом.

Б. Технология электролиза на НКАЗе в разные годы.
Сообщение учащегося № 1.
В первые годы работы завода (1943-1946) электролизеры на силу тока 45КА из-за конструктивных недостатков, перебоев с электроэнергией, дефицита глинозема, работали неустойчиво. Контроль технологического процесса был периодическим и несовершенным и осуществлялся по рабочему вольтметру, установленному на электролизере, и характеру возникающих «вспышек». Периодически требовалось проверка междуполюсного зазора. Для этого, пробив корку, выполняли очистку электролита от угольной пены, удаление кусков анода и глиноземного осадка вручную кочергой, скребком, шумовкой буквально на ощупь в условиях сильной загазованности и высокой температуры. Загрузка глинозема затем на кору производилась ведрами, бочками на «глазок» без учета технологической потребности электролизера. В результате на подине электролизера образовывались большие глиноземные осадки, подовые «настыли» («коржи»), вызывающие серьезные технологические расстройства.

Сообщение учащегося № 2.
С пуском компрессионной станции появилась возможность вместо примитивных зубил и кувалд применять отбойные пневмомолотки ОМПС, но все равно пробивка корки электролита во время «вспышки» оставалось тяжелой операцией. Рабочий по-прежнему во время обработки электролизера находился в опасной зоне: сильная загазованность, высокая температура расплава, опасность ожогов от выплесков электролита, металла. Решению проблемы механизации пробивки корки электролита помогло создание самоходной машинки, работающей на сжатом воздухе. Первую машину на базе электропогрузчика (авторы Баранов Н. М.0, Макарский П. И.) испытали в 1957 году, а в 1958 году по чертежам «Гипроалюминия» изготовили и успешно испытали в корпусе. С 1959 года начался массовый выпуск самоходных машинок МПК и их применение во всех корпусах.

Сообщение учащегося № 3.
С переходом обработки электролизеров на самоходные машинки МПК и самотечные бункера создалась возможность добавлять глинозем в электролит не дожидаясь «вспышек», т е вести регламентированную поточную схему обработки электролизеров в корпусах с предупреждением анодных эффектов.
Дальнейшим шагом в совершенствовании технологии электролиза является освоение систем автоматического питания ванн глиноземом. Системы АПГ испытывались в ЭМЦ-1 в 70 – е годы. Непрерывное автоматическое питание глиноземом обеспечивает минимальное изменение концентрации глинозема в электролите, что в свою очередь, создает условия высокопроизводительной работы электролизера с минимальным количеством «вспышек», а в перспективе и с полным их отсутствием.

Сообщение учащегося № 4.
В 1962 году на I серии электролиза были сданы в эксплуатацию первая автоматическая система регулирования электролизеров КУА – 670, а затем в последующие годы все электролизные серии завода были оснащены современными системами «Алюминий». Автоматизированные системы позволили не только регулировать технологический процесс электролизеров, но и вести оперативную диспетчеризацию производства на заводе, поднять дисциплину и ответственность персонала на рабочих местах. Системы продолжают совершенствоваться и модернизироваться. Разрабатываются и внедряются принципиально новые системы «Тролль», позволяющие расширить контролируемые параметры, что дает возможность повышать технолого-экономические показатели электролизного производства.
Производственные показатели ОАО «НКАЗа» в 2000-2004 гг.

IV. Этап закрепления знаний

Учитель. А сейчас мы проведем викторину. Класс разбивается на две команды. Задача членов команды дать правильные ответы в письменном виде на задаваемые вопросы.

1. Викторина.
1. Какой ученый получил алюминий при нагревании хлорида алюминия со щелочными металлами при отсутствии воздуха? (Велер, 1827 год)
2. Какой «обходной маневр» нашли американец Ч. Холл и француз Р. Эру для снижения температуры плавления оксида алюминия? (Глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите. Этот расплав подвергается электролизу при температуре 950 градусов С).
3. Кто был первым директором Новокузнецкого алюминиевого завода? (Л. А. Бугарев)
4. В каком году был выпущен первый алюминий на НКАЗе? (январь 1943)

2. Работа по карточкам.
Найдите в таблице клетки, соответствующие обусловленности применения алюминия его свойствам. Из букв, соответствующих правильным ответам, вы составите название основного из природных соединений алюминия. Подумайте, почему в некоторых клетках стоят *.

Ответ: глинозем

V. Подведение итогов урока.
VI. Домашнее задание.