Урок химии "Силикатная промышленность" (9-й класс)

Тип урока: изучение нового материала.

Цели:

• дать понятие о силикатной промышленности; химизме производства; составе различных сортов стекла, их практическом значении и применении; составе керамики, фарфора, цемента, его применении.
• воспитывать у учащихся бережное отношение к стеклу, уважительное отношение к труду стеклодува, рабочего силикатной промышленности.
• развивать творческие способности, речь учащихся, умение работать с дополнительной литературой; развивать интерес к декоративно- прикладному искусству (керамика, фарфор, художественное стекло).

Оборудование: компьютер, мультимедиапроектор, экран, школьная коллекция “Стекло”, коллекция посуды из различного сорта стекла, керамики, фарфора (собранная учащимися).

Метод: лекция с элементами беседы, беседа с активизацией учащихся, самостоятельный поиск учащихся информации при направляющей роли преподавателя.

Структура урока:

1. Мотивационный этап.
2. Информационно-поисковый этап:

• стекло (производство стекла; сорта стекла);
• керамика (фаянс; фарфор);
• цемент.

3. Обобщение и систематизация.
4. Домашнее задание.

Ход урока

1. Мотивационный этап.

На протяжении многих уроков мы изучаем неметаллы, на прошлом уроке мы изучали кремний и его соединения. На дом вам был §30 до применения кремния, упр. 4.

Сегодня же нам предстоит изучить основы производства силикатной промышленности, познакомиться с продуктами силикатной промышленности их практическом значении и применении (посмотрите, сколько различных продуктов этой промышленности, собранных учащимися параллели 9-х классов на демонстрационном столе). Выяснить, почему эта промышленность называется силикатной? Узнать о родине фарфора, цемента из сообщений, посмотреть презентации, составленные обучающимися (записывают тему урока)  

2. Информационно-поисковый этап:

1. Стекло.

“Пою перед Тобой в восторге похвалу
Не камням дорогим, ни злату, но стеклу”
М.В. Ломоносов

Учитель: в природе существует стекло вулканического происхождения – обсидиан. Открыто стекло очень давно. Достоверно известно, что еще в IV тысячелетии до н. э. в некоторых странах Востока умели выплавлять стекло. Имя его открывателя, естественно, неизвестно.

Популярна легенда о случайности этого открытия: о моряках, обложивших комками соды разведенный на песке костер, и найденных на этом месте блестящих камушках – каплях, образовавшихся из сплавившихся песка и соды. Доля истины в легенде есть. Стекло действительно варят из нескольких компонентов. Основа – песок и сода (либо поташ).

Какова формула речного песка, соды, поташа? Составим уравнения реакций, лежащих в основе производства стекла (учащийся записывает на доске формулы исходных веществ, уравнения реакций при помощи учителя)

Сырье: смесь исходных веществ (шихта): песок SiO₂ , сода Na₂CO₃ (либо поташ - K₂CO₃), известняк CaCO₃ .

Химизм производства:

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂
CaCO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂

Охарактеризуйте данные реакции (реакции гетерогенные, необратимые, эндотермические).

Образовавшиеся силикаты натрия и кальция сплавляют с песком, который берут в избытке.

Na₂SiO₃ + CaSiO₃ + 4 SiO₂ = Na₂O · CaO · 6SiO_2.

Варят стекло в течение нескольких часов в ванных печах непрерывного действия. Размер “ванны” таков, что самому крупному киту было бы в ней просторно. Процесс варки стеклоделы делят на три стадии: провар шихты, осветление (удаление мелких пузырьков газа), студка – осторожное охлаждение.

Расплавленное стекло при охлаждении твердеет не сразу, а постепенно, образуя вязкую послушную массу. Благодаря этому свойству стекло подвергается формовке. Для формовки стеклянных изделий применяют: выдувание (ручным способом или стеклодувные машины), (посмотрите на эту вазу, изготовленную ручным способом на Первомайском стекольном заводе); прессование (пуговицы, тарелки); прокатка (зеркальное стекло); вытягивание (листовое стекло). Важным шагом на пути разработки механизированного способа было изобретение бельгийца Фурко (демонстрация слайда Презентации 1). Он предложил положить на поверхность расплавленной массы керамический брус (“лодочку”) с продольной щелью. Керамика легче расплавленной стеклянной массы, и поэтому “лодочка” плавает на поверхности. Если нажать на нее, то расплавленная масса выдавливается из щели. На нее опускают “приманку” и тянут вверх. Толщина листа зависит от скорости подъема и скорости охлаждения листа.

Вспомните, на какие группы делятся вещества по строению? (кристаллические и аморфные)

Молекулы в любой жидкости расположены беспорядочно. При охлаждении стекла, оно затвердевая, сохраняет эту неупорядоченную структуру, какая была в расплаве. Сточки зрения физика стекло – это “твердая жидкость”.

Итак, стекло это сплав каких веществ? Какого строения? (Na₂O · CaO · 6SiO_2., вещество аморфного строения)

Помимо “обычного” - силикатного стекла, изготовляют и многие другие сорта. Так, есть стекло на основе В₂О_3, Р₂О₅, GeО₂. Их называют боратными, фосфатными, германатными.

Сорта силикатного стекла (по назначению):

Учащиеся записывают в тетради

• Оконное (натриевое) стекло Na₂O·CaO·6SiO₂.

Мне хотелось бы обратить ваше внимание на оконное стекло в нашей школе, точнее на разбитое стекло окон школы, теплицы. Разбитое стекло – это впустую затраченные миллионы тонн добытого в карьерах песка и мела, полученной на химических заводах соды, огромное количество напрасно сожженного в стекольных печах топлива, даром израсходованной электроэнергии, пущенного на ветер драгоценного человеческого труда. Разбитое стекло – это и твердые бытовые отходы, засоряющие окружающую среду.

• Бутылочное или посудное стекло Na₂O·CaO·6SiO₂ с примесью Al₂O₃
• Химическое тугоплавкое K₂O·CaO·6SiO₂, твердое и не такое пластичное, но зато обладает сильным блеском.
• Медицинское кварцевое стекло (из чистого песка SiO₂). Посуду, изготовленную из него можно накалить добела, бросить в холодную воду и оно не потрескается, пропускает УФ лучи.

Где применяется такое стекло? (кварцевые лампы в медицине).

• Хрустальное стекло (свинцовое стекло) K₂O·PbO·6SiO₂ (весьма тяжелое, сильно преломляет свет и хорошо полируется). Красота хрустальных изделий зависит от мастерства их отделки (демонстрация хрустальной посуды, слайды Презентации 1).
• Оптическое стекло (состав такой же, как у хрустального) для изготовления линз и призм, в котором недопустимо пузырьков газа. Оптическое стекло – окно в мир. В макромир, во Вселенную вглядываются стеклянные глаза телескопов. В микромир можно заглянуть через глазок микроскопа.
• Фотохромное стекло (боросиликатные стекло В₂О₃ с равномерным включением кристалликов хлорида серебра, изменяет цвет и прозрачность в зависимости от освещения. Эффект потемнения и просветления вызван обратимым переходом ионов серебра в нейтральное состояние. Выделение атомарного серебра приводит к потемнению стекла) (демонстрация слайда Презентации 1).
• Защитное стекло (защищает от УФ, инфракрасных, чрезмерно ярких видимых лучей). Используется при сварочных работах, в металлургии.
• Зеркальное стекло (историю зеркального стекла узнаем из сообщения учащегося “Подсказка алхимиков”, “Привычные мелочи”; см. Приложение 4)
• Художественное цветное стекло. Цветное стекло, по словам М. В. Ломоносова, было главным его увлечением. Он сварил более четырех тысяч опытных стекол. Эти работы легли в основу заводских методов получения прозрачных и непрозрачных цветных стекол. В своей мастерской Ломоносов с помощниками создал около 40 мозаик (сохранились 23 мозаики), из которых наиболее знамениты: “Нерукотворный Спас”, портрет Петра I, “Полтавская баталия” (42м²) (демонстрация слайда Презентации 1), ныне находящиеся соответственно в Историческом музее, Эрмитаже и в Российской Академии наук.

Для окрашивания стекла в стекломассу вводят различные оксиды, так FeO, Cr₂O₃ придают стеклу зеленый цвет (дем. цветной посуды, собранной учащимися), CoO – синий, MnO₂ - фиолетовый, соединения золота и меди, которые в процессе варки стекла восстанавливаются до металлов, красный цвет (рубиновое стекло Кремлевских звезд) (демонстрация слайда Презентации 1).

• Армированное стекло, внутри которого металлическая сетка (дем. школьной коллекции).

Как вы считаете, каково значение этой сетки? (Это безопасное стекло, при ударе не рассыпается, обладает противопожарной безопасностью, так как от пламени такие стекла не высыпаются из рамы, а растрескиваются. В результате нет сквозняков раздувающих огонь).

• Стекловолокно (как это ни странно, хрупкое стекло становится гибким и прочным, когда его превращают в тонкую нить), стекловата и стеклоткань (несгораемая ткань для пошива одежды пожарных и электросварщиков, театральных занавесей, драпировок, декораций, тепло и электроизоляционные ленты)
• Стеклопластик (стекло + пластмасс). Триплекс – лист пластичной пленки с двумя листами стекла, прочно соединенных склеивающим составом. При ударе на триплексе образуются многочисленные радиальные и концентрические трещины, но не осколки.

Где используется это стекло, и какое значение имеет то, что при ударе не образуются осколки? (Используется для остекления автомобилей. Это резко снижает возможность ранения осколками стекла пассажиров).

• Пеностекло – пористый строительный материал, представляющий собой стеклянную массу, пронизанную многочисленными пустотами. Оно обладает тепло- и звукоизоляционными свойствами, небольшой плотностью (не тонет в воде), высокой прочностью, сравнимой с бетоном. Для изготовления пеностекла используют стеклянный бой и различные отходы стекольного производства.

И это далеко не весь список используемых сортов стекла.

2. Керамика.

Что является сырьем для керамических изделий? (глина nAl₂O₃·mSiO₂).

И действительно, керамика от греческого “керамос” - глиняная посуда. Керамическая промышленность одна из самых древних на Земле (гончарное ремесло). Еще в глубокой древности (с эпохи неолита – 8-3 тысячелетия до н. э.) было обнаружено свойство глины, приобретать твердость и прочность после обжига в огне. Керамические изделия делятся на грубые (строительные материалы – кирпич, облицовочные плиты, черепица; канализационные и дренажные трубы) и тонкие (предметы быта – посуда и фаянс).

Основные стадии: смешение глины и воды (тесто); формирование предмета; сушка; обжиг в печах.

Кирпич – ровесник цивилизации. Его изготовляли и использовали для строительства еще в Древнем Египте и Вавилоне.

Когда-то изготовление кирпича было очень тяжелой работой. Сначала босыми ногами месили глину, потом вручную придавали ей форму кирпича и обжигали в печах при высокой температуре. Производство кирпича в наше время механизировано. Какие вы знаете виды кирпича?

Виды кирпича:

• Красный глиняный кирпич. Красная окраска обусловлена наличием в глине оксида Fe₂O₃.
• Пустотелый кирпич, т.е. имеющий внутри полости определенной формы. Не теряя свои теплоизоляционные свойства, такой кирпич позволяет уменьшить массу жилого здания на 30-40%.
• Силикатный кирпич (светло-серого цвета). Сырьем для него служат известь и кварцевый песок. Этот кирпич обладает меньшей морозостойкостью, не выдерживает длительного воздействия высоких t? (нельзя для кладки печей). Используется в качестве стенового материала для возведения надземных частей зданий.

К ценным керамическим материалам относят и фаянс. Чем же фаянс отличается от фарфора, узнаем из сообщения учащегося (см. Приложение 4)

Фарфор.

Фарфор – самая благородная керамика. Это материал, состоящий из глины, кварца и полевого шпата. Изделия отличаются высокой прочностью, тонкостью, белизной (хотя существует и черный фарфор, а совсем недавно освоена технология получения цветного фарфора – голубого и розового), просвечиваемостью (прозрачностью), долговечностью, химической стойкостью, яркостью росписей (обратите внимание на фарфоровую чашечку 1935г. из семейной коллекции учащейся 8 кл. Усовой А.). Фарфор – изобретение китайцев. Первые изделия из фарфора относятся к VII веку. В средние века китайские мастера делали славящиеся на весь мир фарфоровые фонари, которые светились, если внутри зажечь огонь.

Где и кем был открыт секрет производства фарфора в Европе, узнаем из сообщения учащегося “Саксонский фарфор” (см. Приложение 4)

А как производство фарфора началось в России? Об этом послушаем сообщение учащегося на тему: “Создатель русского фарфора” на следующем уроке (см. Приложение 4)

Различают две основные разновидности фарфора:

• Твердый фарфор – с небольшим содержанием полевого шпата (плавня) и обжигаемый при температуре 1380-1460^оС.
• Мягкий фарфор – с повышенным содержанием полевого шпата (плавня) и обжигаемый при температуре 1200-1280^оС. К мягкому фарфору относится костяной фарфор, непременной составной частью которого является зола костей крупного рогатого скота. Изготовленные из костяного фарфора изделия характеризуются высокой степенью белизны и просвечиваемости и большой декоративностью. В нашей стране изделия из костяного фарфора высокого качества выпускает фарфоровый завод им. М. В. Ломоносова в Санкт-Петербурге.

Фарфоровые изделия росписывают красками. Роспись бывает подглазурная (выдерживает t^о обжига, но палитра красок небольшая) и надглазурная (t^о обжига небольшая, палитра красок значительно шире, но они стираются с черепка при долгом употреблении) Полюбуемся иллюстрациями изысканных фарфоровых изделий, хранящихся в Государственном Эрмитаже (демонстрация Презентации 2)

3. Цемент (хлеб строительства).

Слово “цемент” происходит от латинского “цементум”, что означает битый камень. Цемент – собирательное название различных порошкообразных вяжущих веществ, способных при смешении с водой образовывать пластическую массу, приобретающую со временем камневидное состояние.

Первый цемент был открыт во времена Римской империи. Примерно в это же время жители Древней Руси заметили, что устойчивость к воде придает извести измельченная обожженная глина.

Одним из наиболее распространенных промышленных цементов является портландцемент. Послушаем сообщение учащегося и посмотрим Презентацию 3 по этой теме.

3. Обобщение и систематизация.

Вопросы:

1. Почему промышленность называется силикатной? (стекло, цемент, кирпич, бетон бывают, весьма различны, по составу, но их важной составной частью служит кремний).
2. Перечислите способы формовки стеклянных изделий?
3. Каков состав хрустального стекла?

Внимание вопрос на сообразительность!

4. В каком органе человека содержится больше всего кремнезема? (стекловидное тело глаза).
5. На какие группы делятся керамические изделия?
6. Объясните происхождение слова “фаянс”.
7. Чем фарфор отличается от фаянса?
8. Какую марку имеет саксонский фарфор и почему?
9. Что такое цек старинных фаянсовых изделий?

А сейчас выполните тест по вариантам, лежащий на вашем столе.

4. Домашнее задание: § 30 полностью, записи в тетрадях.

Список литературы:

1. Александров В. Н. “История русского искусства” Минск “Харвест” 2007.
2. Алимарин И. П. Неорганическая химия. Энциклопедия школьника. Гл. ред. И. П. Алимарин. М., “Советская Энциклопедия”, 1975.
3. Крицман В. А. Книга для чтения по неорганической химии. Ч. II. Учеб. Пособие для учащихся 9 кл./Сост. В. А. Крицман. -2-еизд., перераб., доп. – М.: Просвещение, 1984.
4. Савина Л. А. Я познаю мир: Детская энциклопедия: Химия/Авт.-сост. Л. А. Савина. М.: ООО “Издательство АСТ-ЛТД”, 1998.
5. Таубе П. Р., Руденко Е. И. “От водорода до … нобелия?”, Государственное издательство “Высшая школа”, Москва 1961
6. Познавательный журнал для девочек и мальчиков “Детская энциклопедия” №12 2004 “Таинственный мир зеркал”; учредитель – ЗАО “Аргументы и факты”
7. Журнал “Химия и Жизнь” №7 1970 г.