Алюминий и его соединения
методическая разработка по химии (10 класс) по теме

Речная средняя школа Адамовского района

Оренбургской области

Учитель ОБЖ Зеленкова В.Д.

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

План-конспект открытого урока в 10-м классе

Цели урока:

1. Актуализировать знания по теме, полученные на предыдущих уроках
2. Показать практическую направленность темы
3. Обеспечить условия для усвоения темы как в теоретическом так и в практическом плане
4. Показать логическую связь между основными вопросами темы
5. Провести промежуточный контроль по теме

Главные вопросы урока:

1. Электронное строение атома алюминия как ключ понимания образования различных видов химической связи
2. Амфотерность, способность к комплексообразованию, аквакомплексы, гидроксокомплексы
3. Оксиды и гидроксиды алюминия, их получение, физические и химические свойства, практическое значение
4. Использование и переработка природного алюминийсодержащего сырья

Планируемые результаты обучения:

1. Знание основных понятий и терминов
2. Закрепление навыков в умении правильно оформлять результаты химического эксперимента (записывать химические реакции, уравнивать их, определять признаки)
3. Умение выполнять задания на понимание и применение полученных знаний

Методы организации познавательной деятельности учащихся

1. Прослушивание лекционного материала и краткая его запись
2. Словарная работа над терминами
3. Практическая работа с энциклопедическими источниками и учебными текстами
4. Наблюдение химических опытов и оформление их результатов

Учебно-методическое сопровождение урока:

1. Набор обязательных таблиц к уроку (Периодическая система Д.И.Менделеева, ряд активности металлов, таблица электроотрицательности, таблица растворимости)
2. Конспект урока
3. Комплект учебников Л.С.Гузея, Р.П.Суровцевой «Химия, 10 класс»
4. Набор химических реактивов и химической посуды для опытов (хлорид алюминия, гидроксид натрия, гидрокарбонат натрия, соляная кислота, метиловый оранжевый, вода)
5. Раздаточный материал для учащихся:

• Природные соединения алюминия
• Историческая справка о применении алюминия и его соединений
• Основные термины и понятия по теме

6. Схема образования донорно-акцепторной связи в координационных соединениях алюминия
7. Комплект контрольных тестов по теме

Содержание раздаточного материала

        Историческая справка.

        …Древний историк Плиний Старший рассказывает об интересном событии, которое произошло почти два тысячелетия назад. Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он преподнес изготовленную им чашу из блестящего как серебро, но  чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому н неизвестный металл он сумел получить из глинистой земли. Должно быть чувство благодарности редко обременяло Тиберия, да и правителем он был недальновидным. Боясь, что новый металл с его прекрасными свойствами обесценит хранившиеся в казне золото и серебро, он отрубил изобретателю голову, а его мастерскую разрушил, чтобы никому не повадно было заниматься производством «опасного» металла.

        …Спустя полторы тысячи лет, в XVI веке, талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс, исследуя различные вещества и минералы, установил, что в состав некоторой минеральной породы, которую издревле применяли при крашении тканей и называли «алюмен» (вяжущая) входит окись неизвестного металла, названная впоследствии глиноземом. В Древней Руси эту породу называли «квасцы».

        В 1754г. немецкий химик и металлург А.Маргграф с помощью щелочи выделил из раствора квасцов «квасцовую землю», впоследствии названную алюминой (это и был оксид алюминия), и указал на ее особые свойства.

        В 1782г. А.Лавуазье предположил, что алюмина или глинозем является оксидом неизвестного элемента. В 1789г. алюмина была отнесена к «группе простых тел, солеобразующих и землистых».

        После нескольких неудачных попыток, выделить таинственный элемент из глинозема с помощью гальванического тока удалось датскому ученому Эрстеду в 1825г., однако это осталось почти незамеченным. И только другу Эрстеда немецкому химику Вёлеру удалось разработать метод получения нового металла. На это ему потребовалось 18 лет.

        В 1855г. на Всемирной выставке в Париже было представлено «серебро из глины», которое произвело большую сенсацию. Металл был весьма дорогим, и только членам монарших семей было доступным щеголять в камзолах с алюминиевыми пуговицами и есть алюминиевыми ложками и вилками. Интересно, что даже в 1889 году алюминий оставался главным образом ювелирным металлом. Именно тогда Д.И.Менделеву за его выдающиеся заслуги в развитии химии был преподнесен Лондонским королевским обществом подарок – весы, сделанные из золота и алюминия.

        И только к концу XIX века работавший в России австрийский химик Байер создал и применил в заводских условиях оригинальную технологию получения глинозема, основного сырья для получения алюминия. Производство алюминия резко возросло, цены на него снизились в 1000 раз, и алюминий сразу приковал к себе внимание промышленного мира – электротехнической промышленности, машиностроения, автомобилестроения ….

        Природные соединения алюминия

Алюминий – третий по распространенности химический элемент в земной коре после кислорода и кремния

• Алюмосиликаты – обширная группа породообразующих минералов. Главным образом, это полевые шпаты и слюды, составляющие более половины массы земной коры. Ярким примером их практического применения являются ЦЕОЛИТЫ – природные адсорбенты, ионообменники и молекулярные сита.
• Глинистые минералы (в том числе бокситы и каолины, содержащие до 25-90% оксида алюминия) – продукты распада многих горных пород. Глины также проявляют адсорбирующие качества, что используется, например в медицине (грязелечение), для выведения из организма человека патогенных веществ и улучшения энергообмена.
• Кристаллические разновидности оксида алюминия – розовая шпинель, красный рубин, синий сапфир, относящиеся к классу драгоценных камней.
• Кристаллические и аморфные модификации гидроксида алюминия, применяемые для производства металлического алюминия.
• Криолит – AlF3 . 3NaF – запасы на Земле очень ограничены

Основные термины и понятия по теме

• Химическая связь – ковалентная связь, то есть межатомное взаимодействие, сопровождающееся перестройкой валентных электронных оболочек атомов и коллективизацией (обобществлением) валентных электронов – переход атома в валентное состояние.
• Число химических связей зависит, в первую очередь, от количества имеющихся в атоме неспаренных электронов и свободных электронных орбиталей. Н а внешней оболочке атома Al имеется 3 неспаренных электрона и 1 свободная орбиталь
• Ковалентная связь представляет собой двухэлектронную связь между ядрами двух атомов. Различают:

• неполярную ковалентную связь – между ядрами одинаковых атомов
• полярную ковалентную связь  - между ядрами различных атомов
• сильно полярную (ионную) связь - между ядрами с абсолютно противоположными свойствами (металл – неметалл)
• донорно-акцепторную связь (координационную), когда один атом (донор) предоставляет имеющуюся у него «готовую» пару электронов, а другой (акцептор) – свободную орбиталь
• металлическую связь – основанную на обобществлении валентных электронов, принадлежащих не двум, а практичеки всем атомам в кристалле

Атомы алюминия способны образовывать все перечисленные типы химических связей. Известны как относительно простые соединения алюминия так и комплексные.

• Комплексное соединение – соединение построенное на основе координационных связей: в центре молекулы находится атом или ион металла, вокруг него расположены атомы или их группы (лиганды), связанные с центральным атомом координационными связями.

• Аквакомплекс – координационное соединение, содержащее в качестве лигандов различное число молекул воды.

• Гидроксокомплекс – координационное соединение, в которых лигандами являются гидроксогруппы ОН
• Амфотерность – способность некоторых плохо растворимых оксидов и гидроксидов металлов проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от природы партнера по реакции.

Строение атома алюминия, его валентные возможности

+13Al 1s2) 2s2 2p6) 3s1 3p2 3d0)

        3s1         3p2                      3d0

__   __   __   __   __   __   __   __   __                        Al

                     6 свободных орбиталей

Наличие свободных орбиталей приводит к возможности образования ковалентных связей по донорно-акцепторному механизму, образованию полимерных молекул. Алюминий связан в них с атомами, имеющими на внешнем уровне неподеленную пару электронов (например, с О, N, S, P и т.д.)

Аквакомплексы

        [Al3+(H2O)6]3+     катион гексаакваалюминия   (к.ч. = 6)

Гидроксокомплексы

        [Al3+(ОН)6]3-       гексагидроксоалюминат – анион   (к.ч. = 6)

        [Al3+(ОН)4]-             тетрагидроксоалюминат – анион   (к.ч. = 4)

Оксиды алюминия

                            O                                                                                                O

                    Al                                                                Al   O    Al

                            O                                                                                                O

                    Al

                            O

         Кристаллическая разновидность                                     Аморфная разновидность

                     (корунд)                                                                                   (глинозем)

                 Al2O3                                                                                     Al(AlO3)

Гидроксиды алюминия

      O   H                                                              O

              Al        O   H                                                    Al      O    H

      O   H

                 Al(OH)3                                                                       HАlO2

     Ортогидроксид алюминия                                      Метагидроксид алюминия    

Контрольный тест №1  

1. Химическая связь, основанная на обобществлении электронов, принадлежащих атомам с резко различающейся электроотрицательностью, называется: а) ковалентная неполярная  б) ионная    в) металлическая    г) координационная
2. В основе построения комплексного соединения могут находиться следующие виды связей: а) ковалентная полярная и ковалентная неполярная   б) донорно-акцепторная и ковалентная неполярная   в) донорно-акцепторная и ковалентная полярная    г) донорно-акцепторная и металлическая
3. Координационное число алюминия в криолите Na3Al F6 равно: а) 1   б) 3    в) 6   г) этот вопрос не имеет смысла

Ключ: 1. б)   2. в)   3. в)

        Контрольный тест №2  

1. Водный раствор алюмината натрия Na[Al(OH)4] имеет среду: а) щелочную   б) кислую   в) очень кислую   г) нейтральную
2. Водный раствор сульфата алюминия Al2(SO4)3 имеет среду: а) щелочную   б) сильно щелочную   в) нейтральную    г) кислую
3. Из приведенных формул выберите формулу хлорида гексаакваалюминия: а) [Al (H2O)6]Cl3          б) AlCl3   в)  [Al ОН(H2O)5]Cl2    г) НАlO2

Ключ: 1. а)   2. г)   3. а)

Организация работы на уроке

        1 этап – Организационный:

Знакомство с темой и целями урока; знакомство с присутствующими на уроке; система оценки результатов.

        2 этап – Вводный - актуализация знаний, полученных на предыдущих уроках:

Учащимся предлагается ознакомиться с раздаточным материалом (Исторической справкой и Природными соединениями алюминия), прослушать сообщение учителя и сделать краткий устный вывод. Пока учащиеся знакомятся с материалом, учитель на доске изображает электронную формулу атома алюминия и структурные формулы его оксида и гидрооксида.

Учитель: Вам был предложен материал, с которым вы, конечно, уже знакомы. Нам необходимо сделать один краткий, но очень важный вывод: алюминий является 3-им по распространенности элементом земной коры, его соединения использовались с древнейших времен в самых различных областях, начиная со строительных материалов и заканчивая формацевтикой, но как металл он известен сравнительно недавно и его промышленная ценность возрастает с каждым годом.

Сегодня нам предстоит познакомиться с его важнейшими соединениями, понять их химическое строение и на основе этого объяснить, как извлечь из них металл алюминий.

3 этап –Словарная работа – мотивационно-ориентировочная деятельность учащихся.

Учитель предлагает учащимся ознакомиться с основными терминами и понятиями, которые им встретятся в дальнейшей работе. Учащиеся получают распечатку. Термины предлагается не переписывать, так как они им уже знакомы, а просто вспомнить и осмыслить в применении к сегодняшней теме.

Далее, на примере предложенной на доске схемы строения атома алюминия и его соединений повторяем опорные понятия урока и записываем формулы важнейших соединений: Al2O3, Al(OH)3 – ортогидроксид алюминия, НАlO2 – метагидроксид алюминия, тетрагидроксоалюминат-анион [Al(OH)4]--, катион гексаакваалюминия [Al(H2O)6]+3. Обращаем внимание, что гидроксокомплексы ведут себя как основания, а аквакомплексы – как кислоты.

Закрепление мотивационно-ориентировочного этапа проводим на основе контрольного теста №1.

4 этап – Экспериментальный. Изучение физических и химических свойств оксида и гидроксида алюминия.

Учащимся предлагается проанализировать опыты, продемонстрированные учителем

 Учитель: Как мы знаем, оксид алюминия – широко распространенное  в природе вещество, следовательно можно сделать вывод о его специфических химических свойствах – инертность при обычных условиях. Действительно, оксид алюминия (обратите внимание на характер и прочность химических связей) огнеупорен, является абразивным материалом, нерастворим в воде, с кислотами, щелочами и солями реагирует либо при кипячении, либо при сплавлении.

Al2O3 + 2 KOH = 2 KAlO2 + H2O

     Al2O3 + K2CO3 = 2 KAlO2 + CO2  - при этом получают метааллюминаты.

   Al2O3 + 2 KOH + 3 H2O = 2 K[Al(OH)4],

   Al2O3 + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3 H2O.

Гидроксиды алюминия обладают амфотерными свойствами. Обе формы гидроксида алюминия: Al(OH)3 - ортогидроксид алюминия и HAlO2 - метагидроксид алюминия в воде малорастворимы.

Al2O3 не растворим в воде, и поэтому гидроксиды алюминия получают осаждением из растворимых солей алюминия действием щелочей или кислот:

Проверим характер среды хлорида алюминия: она кислая, следовательно соль представлена аквакомплексом: [Al (H2O)6]Cl3

   AlCl3 + 3 NaOH = Al(OH)3 + 3 NaCl.

При дальнейшем прибавлении NaOH выпавший белый осадок растворяется, следовательно гидроксид ведет себя как кислота:

   Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] – мы получили гидроксокомплекс.  Если к этой комплексной соли алюминия добавлять кислоту, то процесс пойдет в обратном порядке:

Na[Al(OH)4] + HCl = Al(OH)3 + NaCl +H2O.

При дальнейшем прибавлении HCl выпавший белый осадок растворится:

   Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O – значит гидроксид ведет себя как основание.

Ортогидроксид алюминия является очень слабой кислотой и его вытесняет из раствора его солей даже такая слабая кислота, как угольная:

Na[Al(OH)4] + H2CO3 = Al(OH)3 + NaHCO3 + H2O.

Дополнительное пропускание CO2 через такой раствор с осадком не приводит к растворению

гидроксида алюминия. Соли алюминия и слабых кислот в водных растворах полностью

гидролизуются:

Al2(CO3)3 + 6 H2O = 2Al(OH)3  + 3H2O + 3CO2

Этап 5 – Заключительный. 

Учащимся предлагается просмотреть записи в тетради и сделать вывод о характере оксида и гидроксида алюминия.

• Оксид алюминия при обычных условиях является достаточно инертным веществом и широко распространен в природе
• Оксид алюминия структурно можно представить в виде соли – алюмината алюминия, где наблюдаются различные типы ковалентной связи
• Гидроксид алюминия структурно можно представить как в виде основания, так и в виде кислоты

• Гидроксид алюминия получают из растворимых солей алюминия действием щелочей или кислот

• Нейтральный гидроксид не растворяется в воде и выпадает в осадок
• Гидроксид алюминия взаимодействует как с кислотами, так и с щелочами, образуя растворимые соли, следовательно проявляет амфотерные свойства
• Соли алюминия представляют собой комплексные соединения, где алюминий выполняет роль комплексообразователя (акцептора, предоставляющего свободную орбиталь)

Для проверки степени усвоения материала предлагается выполнить проверочный тест №2.

Этап 6 – Подведение итогов.

Учащимся предлагается поменяться результатами тестирования, учитель зачитывает правильные ответы, учащиеся выставляют друг другу оценки.

Подведение общего итога урока.

Список литературы

1. Программы для общеобразовательных учреждений, ХИМИЯ, 8 – 11 класс, Москва, Дрофа, 2001г.
2. Р.П.Суровцева и др., ХИМИЯ, методическое пособие 10 – 11 класс, Москва, Дрофа, 2000г.
3. Л.С.Гузей, Р.П.Суровцева, ХИМИЯ – учебники 9, 10 класс, Москва, Дрофа, 1998г.
4. Энциклопедический словарь юного химика, Москва, Педагогика, 1990г.
5. Школьная энциклопедия ХИМИЯ, Москва, Дрофа, 2000г.
6. Э.Т.Оганесян, Важнейшие понятия и термины в химии, Москва, Высшая школа, 1993г.
7. Э.Т.Оганесян, Руководство по химии поступающим в вузы, Москва, Высшая школа, 1991г.
8. С.И.Венецкий,Ю Рассказы о металлах, Москва, Металлургия, 1975г.
9. Е.К.Лазаренко, Курс минералогии, Москва, Высшая школа, 1971г.        
10. Н.Т. Усова , статья «Эти удивительные глины», журнал «Химия в школе», №3, 2003г.
11. Газеты «Химия», 1995г. -  №№ 16, 40, 46; 2000г. - №№ 20, 27 (Теория комплексных соединений, материалы по алюминию и его соединениям)
12. CD-диски: 1. Школьный курс химии от издательства «Седьмой Волк – Мультимедиа», 1999г.

2. Химия общая и неорганическая, лаборатория систем мультимедиа, МарГТУ, 2001г.

3. ХИМИЯ, 1С:Репетитор, фирма «1С», Москва 2001г.