Цель: усвоить один из общих законов природы — фундамент современной химии, охарактеризовать научное и практическое значение закона, изучить свойства биогенных элементов и их соединений, предложить наиболее экономически выгодные способы получения этих соединений с соблюдением экологических требований.
Оборудование: ПСХЭ, портрет Д.И. Менделеева, коллекции азотных и фосфорных удобрений, таблички — С, N, Р, О, S, Н, колба с водой, сера, условия практических заданий, химических элементы для монтажа на доске, химические элементы для учащихся, пластилин, плакаты с высказываниями Менделеева, современная формулировка ПЗ, музыка, пластинка с мелодичной тихой музыкой, уголь, имитация алмаза.
1. Организация урока.
- Сообщить тему и цель урока.
- Высказывание Д.И. Менделеева: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а лишь надстройки и развитие обещает».
Прочитав высказывание этого великого русского химика, первооткрывателя одного из общих законов природы, мы можем только восхищаться его гениальной проницательностью. Итак, настало то самое будущее, в котором закон Д.И. Менделеева стал развиваться. Нам с вами предстоит тернистый путь исследователей, чтобы доказать правоту нашего соотечественника.
1 марта 2008 года исполнилось 139 лет со дня открытия Менделеевым периодического закона. Открытию закона предшествовала длительная и напряжённая научная работа Менделеева в течение 15 лет, а дальнейшему углублению — ещё 25 лет.
Вопрос: Каковы же были предшественники Менделеева? Каков их вклад?
Ответ: Предшественники Менделеева (Доберейнер, Мейер, Ньюлендс) сделали много для подготовки открытия ПЗ. Но ни один из этих учёных не решился на основании периодичности предсказать новые химические элементы. Для них периодичность была лишь способом классификации, они не увидели фундаментального закона природы.
Приступая к чтению лекции по химии в Петербургском университете и перебрав все книги, Д.И. Менделеев не нашёл ничего, что можно было бы рекомендовать студентам в качестве учебного пособия. Поэтому, он решил написать новую книгу «Основы химии» (показать).
При жизни Менделеева «Основы химии» выдержали 8 изданий на русском языке и были переведены на немецкий, французский и английские языки. Менделеев писал: «Тут всё моё богатство. ... Эти «Основы химии» — любимое моё дитя. В них мой образ, мой опыт педагога и мои задушевные мысли. Тут много самостоятельного в мелочах, а главное — периодичность элементов, найденная именно при обработке «Основ химии».
17 февраля (1 марта) 1869 года был открыт периодический закон.
Это был триумф в химии, огромный труд учёного-гения. О себе он говорил: «Трудился всю жизнь, поэтому и гений» (указать на плакат). Ум учёного работал не только в дневное, но и в ночное время суток (включается тихая музыка).
Ученик:
То кружились, то мелькали,
То водили хоровод,
То взрывались, то пылали,
То шипели, то сверкали,
То в покое пребывали:
Алюминий, Натрий, Калий,
Фтор, Бериллий, Водород...
Перепутались все свойства,
Недалёко до беды.
Вдруг команда:
— Стройся войско! —
Стали строиться в ряды
(Учащиеся выстраиваются, образуя 2 период ПСХЭ)
— Во втором ряду волненье.
Все боятся окисленья.
Литий:
Поглядите! (показывает на F)
Фтор ужасный окислитель
Я не встану в этот ряд!
Пусть другие здесь горят!
Ведущий:
И Бериллий мрачно мыслит.
Бериллий:
(недовольной гримасой)
Кислород нас всех окислит!
И простите за повтор:
Как несносен этот Фтор! (показывает на фтор)
Ведущий:
Бор кивает головой,
Но не рвется сразу в бой!
И Азот не лезет в спор.
Фтор:
Но зато взорвался Фтор (вскакивает)
— Ах! Так мы для вас не пара?
Кислород, поддай им жару!
Окисляй! За мной! Вперёд! (толкает О)
Углерод: — Стойте!
Ведущий: Крикнул Углерод (показывает уголь и имитацию алмаза).
Углерод:
Я и уголь, и алмаз
И за них я, и за вас!
Я сражаться не горю,
Я вас лучше помирю!
Встану я посередине (расталкивает и встаёт)
Ведущий:
— Третий ряд!
Трубите спор!
Натрий!
Магний!
Алюминий!
Кремний!
Фосфор!
Сера!
Хлор! (выходят поочередно)
По порядку, по закону
Элементы стали в ряд
И выходит, что в колонну
Все похожие стоят!
Кремний стал под углеродом, (показывает)
Сера схожа с Кислородом,
Алюминий встал под Бор
— Замечательный подбор!
Ряд пристраивают к ряду,
А рядов-то десять к ряду,
Металлы под металлами,
Едкие под едкими,
Ковкие под ковкими
Идут своими клетками
Вот природы Алфавит!
(Учащиеся 2 и 3 периодов уходят в свои команды)
Учитель: Итак, мы с вами наяву увидели эту периодическую зависимость химических элементов. Каково же его физическое обоснование?
Ученик: Английский ученый Мозли установил, что заряды ядер изменяются в соответствии с порядковыми номерами элементов в ПС. Порядковый номер, или заряд ядра, становится важнейшей характеристикой атома.
Учитель: Как формулируется ПЗ? (учащиеся отвечают).
Учитель: Пусть зимний день с метелями
Не навивает грусть —
Таблицу Менделеева
Я знаю наизусть.
Зачем её я выучил?
Могу сказать зачем
В ней стройность и величие
Любимейших поэм.
Без многословья книжного
В ней смысла торжество
И элемента лишнего
В ней нет ни одного.
В ней пробужденье дерева
И вешних льдинок хруст
Таблицу Менделеева
Я знаю наизусть.
И, действительно, периодическая система и периодический закон дают возможность сформировать представление о единстве и целостности мира, более глубоко изучить химические элементы и их свойства, (обратить внимание на высказывание Менделеева: «Посев научный взойдет для жатвы народной!»).
Элементы в ПСХЭ и их свойства важны и необходимы, но сегодня мы с вами остановимся на биогенных элементах — шесть элементов первых трех периодов (Н, С, N, О, Р, S), на долю которых приходится 98% массы живого вещества, (указать их другим цветом на доске.).
Итак, сегодня будут работать пять команд исследователей:
- команда — команда «Углерода»
- команда — команда «Азота»
- команда — команда «Кислорода и Водорода»
- команда — команда «Сера»
- команда — команда «Фосфора»
Вам дается время — 3 мин., за которое вы должны рассказать нам о своих элементах, о их месте в ПСХЭ, их биологической роли в организмах, сравнить их свойства и свойства их аналогов, экономически обосновать существование этого элемента и его соединений, решить практические задания.
Прежде чем предоставить слово команде «Водород и Кислород» необходимо отметить, что эти два элемента, неразрывно связаны между собой и поэтому эта команда будет защищать два элемента.
Команда (Н+О): Наш девиз:
«Рождает воду водород,
Ну а теперь наоборот:
Вода рождает водород,
А за одно и кислород.»
Сегодня предметом нашего внимания будет О и Н.
Водород — элемент №1, самый распространенный во Вселенной более 90% атомов или примерно 70% её массы. На Земле Н по распространенности только девятое место, составляя 0.88% по массе. Как вы думаете, в состав каких веществ входит водород?
В состав воды, кроме того, он входит в состав нефти, газа.
Органические вещества: белки, жиры, углеводы — основа нашей пищи тоже содержит водород.
Что мы знаем о Н как о химическом элементе?
Заглянем в карточку-характеристику.
Атом Н: Z=l, 1р++ 0п°, 1е, Аг = 1
Графическая и электронная формулы: IS1 s-элемент, неметалл.
Кислород — самый распространенный химический элемент на Земле. Окружающий нас воздух — земная атмосфера содержит кислорода 23% по массе и 21% по объему. Ещё больше его содержится в земной коре — 47% по массе и 92 по объему. В целом массовая доля кислорода составляет около 30 % от массы Земли.
Что мы знаем о кислороде как о химическом элементе? Заглянем в карточку-характеристику.
Атом О: Z=8, 8p++ 8п°, 8е, Аг -16 Электронная формула: 1S22S22P4
р-элемент, неметалл.
Водород легко вступает в реакцию с кислородом, образуя воду: 2Н2+О2 —>2Н2О
В каком соотношении нужно взять эти газы, чтобы реакция прошла полностью? На 1 моль О2 взять 2 моль Н2, или на 1 объем О2 — 2 объема Н2. Смесь водорода и кислорода в объемном отложении 2:1 называется «гремучим» газом, потому что при этом высвобождается большое кол-во энергии, реакция протекает со взрывом.
Если бы перед вами стояла задача: Получить большое кол-во водорода, — какое экономически выгодное сырье вы выбрали бы и почему?
— Воду! Она доступна, её много и более экономически выгодно использовать, чем другое сырьё. Действительно, вода — самый доступный источник водорода. Водород является удобным энергоносителем, что послужило основой создания атомно-водородной энергетики.
Кислород участвует в процессах горения, сжигания, в результате которых выделяется большое количество теплоты. Но нужно беречь тепло, экономически и целесообразно его использовать, например, для обогрева теплиц, бытовых помещений и т.д.
Практическое задание: Стальной баллон для хранения сжатых газов наполнен жидким кислородом массой 8 кг. Какой объем займет этот кислород в газообразном состоянии (при н.у.)?
Учитель: Слово для защиты своего хим. элемента предоставляется команде «Углерод».
Девиз команды: «Наш элемент — царь живой природы».
Углерод известен человеку с древнейших времен. Этот элемент «без роду, без племени». Углерод — это элемент, который существует в природе в виде алмаза, известного всем драгоценного камня, либо в виде не менее известного графита.
Тот элемент в печной трубе
Находим в виде сажи,
И в простом карандаше
Его встречаем даже.
Что мы знаем об углероде как о химическом элементе? Заглянем в карточку-характеристику:
Атом С: Z=16, 6p++6n°, 6е, Аг=12 Электронная формула: 1S22S22P2
p-элемент, неметалл.
Элемент С растения получают из воздуха в виде углекислого газа — СО2 с помощью своих листьев. Ежегодно зеленые растения связывают и превращают в органические соединения 170 млрд. т. углерода. При таком интенсивном усвоении запас углекислого газа, из которого углерод снова возвращается в атмосферу. Например, 1м листьев подсолнуха за 1 час поглощает СО2 из З м3 воздуха, т.е. 900 см3 СОг-
В промышленности оксид углерода (IV) получают при обжиге известняка. Большие количества СО2 идут на соды и сухого льда.
При неполном окислении углерода (II) — СО (угарный газ). Его молекулы крайне прочны. При взаимодействии с хлором в присутствии катализатора образует фосген — ядовитый газ.
Из неорганических соединений С наиболее важны карбиды и карбонаты. Наиважнейший карбид — карбид железа. Чугун и сталь обязаны своей жизнеспособностью и прочностью именно этому карбиду.
Практическое задание: В теле человека по массе содержится, %: кислорода — 65%, углерода — 18%, водорода — 10%. Атомов какого элемента в теле человека больше?
Учитель: Слово для защиты своего хим. элемента предоставляется команде «Азот».
Девиз команды: «Он безжизненным зовется, но жизнь без него не создается».
Мир азота удивителен и разнообразен. Этот элемент необходим всему живому. В организме человека азота содержится около 3%. Наибольшая часть азота содержится в атмосфере: 75% по массе и 78% по объему. Биомасса суши содержит около 10 млрд. т. азота, биомасса гидросферы – 300 млн. т.
Что мы знаем об азоте как о химическом элементе? Заглянем в карточку-характеристику:
Атом N: Z=7, 7р++7п°, 7е, Аг=14
Эл. Формула— 1S22S22P3
р-элемент, неметалл.
Вы, конечно, читали замечательную книгу Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера». Она полна любопытных приключений и историй, и может быть, вы помните, как автор устами мудрого короля лапутян высказал мысль о том, что человек, который вырастит два колоска там, где рос один, окажет людям неоценимую услугу. А ведь, действительно, это сокровенная старинная мечта земледельца — вырастить, вместо одного, значит — удвоить урожай. А если много зерна, много хлеба, много мяса, молока и шерсти.
Итак, нам необходимо поговорить об удобрениях. Каков же их состав?
Ученые давно установили, что в их основе должны быть элементы: азот, калий и фосфор, прежде всего необходимые растениям, так же как человеку хлеб, мясо, молоко. Но, кроме того, человек нуждается, например, в витаминах, и растениям для нормального роста и развития требуются микроудобрения — незначительные добавки цинка, марганца, меди и других элементов. Однако наиболее ценными удобрениями считаются те, которые содержат азот.
Получение азотных удобрений из воздуха — большая победа химической науки. Однако проблему связывания молекулярного азота нельзя считать полностью решенной, поскольку технология данного производства сложна и энергоёмка, что, в свою очередь, влияет на себестоимость продукции.
Между тем в природе эффективно трудятся «химики-невидимки», которые способны в обычных условиях превращать азот воздуха в удобрения. Я имею в виду так называемые клубеньковые бактерии. Кстати, об экологических проблемах использования азотных удобрений мне бы хотелось поговорить особо. Наверняка, многие из нас задавали себе вопрос, стоило ли с таким трудом добиваться увеличения производства азотных удобрений, если повышенное содержание нитратов в продуктах питания наносит непоправимый вред здоровью человека? В связи с этим начинают ругать химию! А виновата ли химия? Ответ на этот вопрос можно найти в басне Крылова «Свинья под дубом».
Практическое задание: «В состав питательных смесей для комнатных растений входит 0.1%-ный раствор аммиачной селитры. Сколько селитры и воды потребуется для приготовления такого раствора массой 0.12 кг?
Какой можно сделать вывод?
— Мало иметь знаний, нужно ещё уметь применять их в процессе трудовой деятельности. Удобрять землю нужно с умом, химически грамотно, внеся в нее азотных удобрений не более, чем требуется для нормального роста и развития растений, не повредив ни самой земле, ни человеку.
Учитель: Слово для защиты своего химического элемента предоставляется команде «Фосфор».
«Наш девиз — элемент жизни и мысли».
Что мы знаем о фосфоре.
Более трехсот лет отделяют нас от того момента, когда гамбургский алхимик Бранд открыл новый элемент — фосфор. Фосфор обнаружен буквально во всех органах земных растений. В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Зубная эмаль — это тоже соединение фосфора.
Что мы знаем о Р как о химическом элементе?
Посмотрим в карточку-характеристику.
Атом Р: Z=15, 15р++16п°, 15е, Аг=31
Эл. формула: 1S22S22P63S23P3
р-элемент, неметалл.
Это вещество способно светиться в темноте. Вот что писал Конан Дойль.
«Да! Это была собака, огромная, черная, как смоль! Из её огромной пасти вырывалось пламя, глаза метали искры, по морде и загривку переливался мерцающий огонь... Я дотронулся до этой светящейся головы и, отняв руку, увидел, то мои пальцы тоже засветились в темноте. Фосфор, — сказал я».
Биологическое значение Р в жизни организмов так же велико, как и азота. Основным источником фосфора для человека служит пища. Потребность взрослого человека в Р составляет 1.2 г. в день. Но в последнее время потребление рыбопродуктов в России на душу населения уменьшилось примерно на 9 кг. Значительно снизилось на нашем столе и количество столовой, охлажденной рыбы. При том, что в стране, Ставропольский край не исключение, велики площади внутренних пресноводных водоемов. А именно: 20 млн. га озер, более 150 тыс. га прудов, свыше 250 тыс. кв. м. Садковых и бассейновых рыбоводных хозяйств. Потенциал огромен. Выход, считают специалисты, в первую очередь, в развитии переработки. Промышленный потенциал имеется, чтобы удовлетворить потребительский рынок. Фосфор — один из элементов минеральных удобрений. Производство фосфорных удобрений — основное производство агрохимии. Наиболее распространенные фосфорные удобрения — суперфосфат, преципитат и фосфорная мука.
Практическое задание: Ортофосфорную кислоту для производства удобрений легко получить по следующей схеме:
ЗР + 5HNO3 + 2Н2О —> ЗН3РО4 +5NO
Рассчитать, сколько получится необходимой кислоты (в л.), если взять фосфор массой 9,3 г.
Вывод: необходимо обратить внимание на экономическое обоснование этих процессов — главным является не просто получение конечного продукта, но и получение продукта при минимальных затратах
ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капиталовложений плюс минимальный ущерб для человека и окружающей среды.
Учитель: слово для защиты своего химического элемента предоставляется команде «Сера».
Наш девиз: «Хоть многие вещества превращает «в яд», в химии достойна всяческих наград».
В таблице Менделеева давно уже
Живу с соседями на третьем этаже,
В 16-й квартире, в подъезде номер 6. Общаюсь я со всеми - друзей не перечесть.
Являюсь неметаллом, вхожу в состав белков,
Ещё я существую во многих веществах:
В оксидах и сульфидах, а также и в солях. Сама я очень нежная, точнее я хрупка,
По цвету светло-желтая, но запах у меня... (делает недовольную гримасу)
С огнем я очень дружная
В воде всплываю я,
И в химии, и в жизни, конечно, я важна.
Из такого вот хвалебного рассказа о себе, можно всё знать о сере.
Среди вещей, окружающих нас, мало таких, для изготовления которых не нужны были бы сера и её соединения. Бумага и резина, эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, взрывчатка и краска, удобрения и ядохимикаты — вот далеко не полный перечень вещей и веществ, для производства которых нужна сера. Для того, чтобы изготовить, например, автомобиль, нужно израсходовать около 14 кг серы. Примерно половина добываемой в мире серы — это сероводород H2S. В последнее время решается вопрос об использовании сероводорода как сырья для получения дешевого водорода и серы одновременно.
Практическое задание: Известно, что реакция горения серы в кислороде сопровождалась выделением 297 кДж на количество вещества серы 1 моль. Рассчитать объем оксида углерода (IV), если выделится 594 кДж теплоты.
Итак, мы заслушали команды о защите химических элементов — биогенных элементов.
Подвести итог — заключение.
- Итог выступлениям команд, сделать вывод.
- Дать домашнее задание.
- Подвести к этому огромное значение ПЗ и выражение Д.И. Менделеева «Посев научный взойдет для жатвы народной».
- Отметить выступающих, оценить их.
- Что мы узнали на сегодняшнем уроке? Что кому не понравилось? Какие возникли вопросы?
- Завет детям Д.И. Менделеева:
«Главный секрет вот какой: один человек — нуль, вместе — только люди. Поэтому, живите для других, начиная с мамы, друг с друга, брата или сестры, затем для всех других... Сами трудитесь, трудясь, вы сделаете всё и для близких и для себя, а если при труде успеха не будет, будет неудача, не беда – попробуйте ещё, сохраните спокойствие, то внутреннее обладание, которое делает людей с волей, ясных и нужных другим. Иного завета, лучшего, дать не могу. С ним и живите. С ним завещайте».
Презентация «Значение периодического закона для современной науки и техники (связь химии с экономикой и экологией)»