ОТКРЫТЫЙ УРОК ПО ХИМИИ "АЛЮМИНИЙ"
методическая разработка по химии (9 класс) на тему

Тема урока: «Алюминий»

Цели урока:

1. Изучить строения атома алюминия, его химических свойств, выявить взаимосвязь между физическими свойствами и областями использования данного металла, выяснить способ его получения на основе имеющихся  у суворовцев знаний.

2 .Развить у суворовцев умение на основе частных примеров делать общие выводы, выявлять закономерности и зависимость между строением атома и свойствами простого вещества, между свойствами и применением; развивать у детей умение работать с реактивами и химическим оборудованием, обращая особое внимание на правила техники безопасности при работе в химическом кабинете.

3.Воспитать чувство коллективизма и взаимовыручки, активизировать познавательный интерес и творческую активность каждого СУВОРОВЦА; воспитать чувство ответственности перед собой и товарищами.

Оборудование и материалы:

На столах: банки из-под газированной воды, алюминиевые ложки, вилки, фольга от шоколада, банка из – под кофе, кусочки провода, тюбики с кремом и зубной пастой, модель машины и самолета.

Реактивы: раствор соляной кислоты (HCl), раствор гидроксида натрия (NaOH), раствор хлорида меди (CuCl2), ацетон.

Оборудование: пробирки, алюминиевая проволока, наждачная бумага, фильтровальная бумага, химический стакан с водой.

Для демонстрации: посуда домашнего хозяйства, коллекция изделий из алюминия; концентрированная азотная кислота (HNO3),  раствор соляной кислоты (HCl), раствор гидроксида натрия (NaOH), раствор нитрата ртути (HgNO3), ацетон

           Ход урока.

Организационный  момент.

Постановка цели урока: познакомиться со строением атома, свойствами, областями применения и получением одного из собратьев – металлов.

Работа осуществляется в группах постоянного состава, отобранных заранее по психологической и творческой совместимости (результаты тестов и письменных работ).

Знакомство с новым материалом.

Задача № 1: определить металл «Х».

Для определения темы урока на столах расположены предметы, изготовленные из определенного металла, которые должны навести учащихся на мысль о названии его. Помимо этого, для определения изучаемого металла «Х» на столах имеются характеристики строения атома и расположения элемента в периодической системе Д. И. Менделеева разного уровня сложности. Суворовцы в течении 3 – х минут должны определить название элемента, изучив подсказки в карточках.

I. Атом данного элемента «Х» содержит в своем ядре 13 протонов и 14 нейтронов. Его 13 электронов располагаются на трех энергетических уровнях.

Определите его заряд ядра.

II. На третьем (внешнем) уровне атома металла «Х» содержится 3 электрона.

Составьте схему строения атома данного элемента.

III. Краткая электронная формула атома металла «Х»: 3s2 3p1.

Составьте его краткую графическую формулу.

IV. Данный металл «Х» третьего периода в окислительно – восстановительных реакциях всегда является восстановителем и легко отдает 3 электрона.

Определите его степень окисления.

По ответам на доске составляется краткая запись, которая переносится учащимися в тетрадь и делается вывод.

Вывод: металл «Х» - алюминий. (Тема открывается на доске)

Учитель: Название алюминий происходит от латинского слова «алюмен» - квасцы, сульфат калия – алюминия KAl(SO4)2. Эту соль люди начали использовать задолго до нашей эры. Сначала в качестве протравы для окрашивания тканей, потом в медицинских целях в качестве кровоостанавливающего средства. Описание этого вещества есть и у Плиния Старшего, и у Геродота – самых авторитетных древних историков. Среди русских химиков XIX века бытовало название «глиноземий» и даже «Глиний», которые потом были благополучно забыты.

Свойства простого вещества

Плотность: 2,7 г \ см3

Температура плавления 660 ˚С

Температура кипения 2470 ˚С

Задача № 2: знакомство с распространением алюминия в природе и способом его получения.

Вопрос: как вы можете определить активность металла алюминия исходя из строения его атома и расположения в электрохимическом ряду напряжения?

На внешнем уровне атома алюминия содержится один неспаренный  р – электрон, что свидетельствует об его активности. В э/х ряду напряжения металлов алюминий располагается вначале, что так же свидетельствует об его активности.

Вопрос: определите взаимосвязь между активностью металла и его нахождением в природе.

Судя по расположению алюминия в э \ х ряду напряжения, в природе он должен встречаться в виде солей и оксидов.

Учитель: Содержание алюминия в земной коре (8%) превышает содержание любого другого металла (схема 1).  Однако большая его часть входит в состав силикатов и оксидов, из которых не так – то легко извлечь. 

В состав ничем не примечательного минерала – глина – кроме оксида натрия и калия, оксида кремния содержится оксид алюминия. Поэтому глину относят к минералам – алюмосиликатам (Al2O3 ∙ n SiO2 ∙ m (Na, K)2O). 

Боксит (Al2O3 ∙ nH2O) получил свое название от города Ле Бокс на юге Франции, где в 1821 году был обнаружен образец красной глинистой породы. Термин «бокситная руда» применим ко всем месторождениям, в которых содержится не менее 45% оксида алюминия и не более 20 % оксида железа.

Корунд (Al2O3 ) – очень твердая кристаллическая форма оксида алюминия. Он используется в качестве абразивного материала, по твердости уступает только алмазу. Крупные кристаллы корундов ценятся как драгоценные камни. Чистый корунд – бесцветен, небольшое количество примесей в нем d – металлов придает ему некоторую окраску: 

Cr3+ - красный рубин,

Co2+, Fe2+, Ti4+ - синий сапфир.

 (Демонстрация камней и минералов).

Вопрос: Как вы думаете, каким способом можно извлечь алюминий из его соединений?

Электролиз.

В XIX веке алюминий считался полудрагоценным металлом, хотя это и самый распространенный на земле металл. 6- ти футовая (2,5 кг) пирамидальная верхушка памятника Вашингтону на момент установки ее в 1884 году стоила столько же, сколько такая же масса серебра. Высокая цена алюминия была связана с трудностью его восстановления до металлического состояния.

Вопрос: почему, на ваш взгляд, не используется способ восстановления алюминия из его оксидов?

Ион алюминия Al3+ очень устойчив. Для него трудно найти восстановитель. Ни одно обычное вещество не может отдать ионам алюминия электроны достаточно легко, чтобы перевести его из соединений в простое вещество. Например, углерод, который прекрасно восстанавливает такие соединения, как оксид железа, сульфид меди до металла, просто не реагирует с соединениями алюминия.

В 1886 году Чарльз Мартин Холл разработал электролизный способ восстановления алюминия. Этот метод до сих пор широко используется в мировой практике (схема на доске).

Оксид алюминия (боксит) растворяется в расплавленном криолите при температуре 1000 ˚С (сам оксид имеет температуру плавления 2045 ˚С, поэтому его в чистом виде использовать неудобно) в большой стальной ванне, покрытой углеродом.  Это покрытие выполняет роль катода, который передает электроны ионам алюминия, восстанавливая его до металла. Расплавленный металл собирается на дне, откуда его периодически сливают. Далее он заливается в формы. 

Анод также изготовлен из углерода, который окисляется в процессе реакции. 

(Записывается на доске схема «2» получения алюминия, реакция в молекулярной форме составляется учащимися).

Вопрос: Как вы думаете, какие проблемы возникают при производстве алюминия?

Большое количество потребляемой энергии, загрязнение среды, доставка руды.

Из – за того, что алюминиевые заводы потребляют большое количество энергии, их часто строят рядом с гидроэлектростанциями. В России – Красноярский край (Братская ГЭС, ГЭС на Енисее, Ангаре).

Чтобы не перевозить руду, заводы строят рядом с местом добычи: Уральская: Каменск – уральский;

Центральная;  Сибирская: Аченск, Братск, Красноярск, Саяногорск.  По производству занимаем 2 место после Италии.

 Существует проблема загрязнения окружающей среды вблизи заводов фтором из – за потерь криолита.

Задача № 3: выяснить химические свойства алюминия и определить его активность.

Вопрос: Как вы думаете, какова активность алюминия?

Так как в э / х ряду напряжения алюминий находится сразу после щелочных и щелочно – земельных металлов, он должен обладать высокой химической активностью. Алюминий – довольно активный металл. Даже, пожалуй, слишком активный. Поэтому, пока не научились получать его сплавы с магнием и медью, особого стремления применять его на практике не наблюдалось.

Вопрос: Что мы наблюдаем на практике? Как же тогда из алюминия делают кухонную посуду?

На практике мы наблюдаем, что алюминий широко используется, но при этом не изменяется, то есть, является устойчивым к внешним воздействиям.

Вопрос: Какова причина данного явления?

Алюминий покрыт оксидной пленкой, которая предохраняет его от внешнего воздействия.

Вопрос: Как вы думаете, а легко ли удалить оксидную пленку с поверхности металла?

Нет. Потому что иначе алюминий не использовался так широко.

Преподаватель: Давайте проверим, что произойдет с алюминием при удалении с его поверхности оксидной пленки.

(Работа в группах).

Лабораторный опыт № 1.

Техника безопасности: при работе с концентрированными растворами кислот и щелочей проявлять аккуратность. Использовать те количества, которые указаны в инструкции. Не допускать попадания веществ на одежду, руки и столы. 

Взаимодействие с кислородом и водой.

Два кусочка алюминиевой проволоки зачистить наждачной бумагой и опустить на несколько секунд в ацетон. Затем сполоснуть их водой и поместить в раствор хлорида меди (II). Снова сполоснуть проволоки и высушить их с помощью фильтровальной бумаги. Одну из проволочек поместить в воду, другую оставить на воздухе.

Учитель: Так как для проведения данного эксперимента требуется время, я провела опыт с обычной алюминиевой ложкой перед уроком. Посмотрите результат эксперимента. Металлическая ложка постепенно будет превращаться в белые пушистые хлопья, и вскоре от нее останется только невзрачная кучка «пепла».

Давайте объясним ход опыта. 

I группа: В растворе хлорида меди алюминий вытесняет металлическую медь (почему?).

2Al + 3CuCl2 = 3Cu + 2AlCl3

Преподаватель: На поверхности ложки появляется тонкий слой амальгамы – сплава алюминия и меди, а он – плохой защитник металла.

II группа: Если после раствора нитрата ртути металл поместить в воду, то на ее поверхности появятся пузырьки газа и чешуйки белого цвета.

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2

III группа: На воздухе при обычных условиях без защитной пленки алюминий окисляется до оксида.

4Al + 3O2 = 2Al2O3

(Оформить запись на доске).

IV группа: Запишите уравнения реакций, доказывающих, что алюминий является хорошим восстановителем. Составьте электронный баланс.

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

 2  Al0 – 3e →Al3+

 3  Cl2 + 2 e →2Cl-

2Al0+3Cl2 → 2Al3++6Cl-

2Al + 3S = Al2S3

2  Al0 – 3e → Al3+

3  S0 + 2e → S2-

2Al0 + 3S0 → 2Al3+ + 3S2-

Преподаватель: Давайте вспомним, какое очень важное применение алюминия основывается на его восстановительной активности?

Алюминотермия – восстановление металлов из их оксидов.

Пример на доске: 8Al + 3Fe3O4 = 4Al2O3 + 9Fe

                                Термит

Преподаватель: Продолжим наше исследование химических свойств алюминия.

Лабораторный опыт № 2.

Взаимодействие с растворами кислот и щелочей.

I группа: 

В две пробирки налить 7 капель растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Опустить в каждую из пробирок по кусочку алюминия. Следить за протеканием реакции.

Вопрос: Как вы думаете, какой газ выделяется в обоих случаях? (водород)

Сделайте вывод о свойствах алюминия.

Алюминий – элемент амфотерный. Поэтому он реагирует и с кислотами, и со щелочами, выделяя водород и превращаясь в соли. 

II группа: 

В две пробирки налейте 7 капель растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Опустить в каждую из пробирок - по кусочку алюминия. Следите за протеканием реакции.

Запишите уравнение реакции алюминия с соляной кислотой.

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑

III группа:

В две пробирки налейте 7 капель растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Опустить в каждую из пробирок - по кусочку алюминия. Следите за протеканием реакции.

Запишите уравнение реакции алюминия с гидроксидом натрия.

2Al + 6NaOH = 2Na3AlO3 + 3H2

Учитель: Обратите внимание на то, что в результате данного взаимодействия образуется комплексная соль. Поэтому точнее данную реакцию надо записывать следующим образом:

2Al + 6H2O + 2NaOH = 2Na [Al(OH)4] + 3H2↑

                               тетрагидроксоалюминат натрия

Вывод: 

У его соединений

И металла – молодца,

Как давно уже открыто,

В самом деле – два лица.

Гидроксид и кислота

Растворяет без труда.

Потому любой уверен:

Алюминий амфотерен!

IV группа:

Исследуйте кислотно – основные свойства алюминия.

Запишите уравнения наблюдаемых реакций.

Вопрос: почему в алюминиевой посуде нельзя хранить квашеную капусту, маринованные овощи и кислое молоко: в этих продуктах есть кислоты. К тому же такую посуду нельзя мыть щелочными средствами, например, содой.

Преподаватель: Интересно то, что алюминий иногда приобретает удивительную устойчивость к «нападающим» на него веществам. Неожиданной «защитницей» алюминия служит азотная кислота. Она пассивирует металл, вызывая появление на его поверхности оксидной пленки. Металл, обработанный таким способом становится безразличным к нападению «агрессора» соляной кислоты.

(Демонстрационный опыт с раствором соляной и концентрированной азотной кислотой).

Пассивация алюминия.

Алюминиевую проволоку опустить в раствор хлороводородной кислоты. Отметить протекание реакции. Вынуть проволоку, обмыть водой и на несколько секунд поместить в концентрированную азотную кислоту. Затем вынуть, промыть и еще раз поместить в первую пробирку.

Задача № 4: выявить взаимосвязь между свойствами алюминия и его областями применения.

Преподаватель: «Этому металлу суждено великое будущее. Перед вами, друзья, металл социализма!» (Н. Г. Чернышевский. «Что делать?»). Почему Чернышевский связывал социализм со всесторонним использованием алюминия? На этот вопрос нам предстоит сейчас ответить, поработав с вопросами следующих карточек.

(Работа в группах)

I группа:

Почему алюминий устойчив к действию воды и кислорода? Где применяется это свойство?

Как известно, алюминий не токсичный металл. Где, на ваш взгляд, используется данное свойство? 

Устойчив к коррозии. Используют для производства устойчивых сплавов: дюралюминий – магний, марганец, медь; магналий – магний, кальций.

2. Отсутствие у алюминия токсичных свойств позволяет использовать его для изготовления оборудования пищевой и пивоваренной промышленности, а так же материалов для упаковки пищевых продуктов.)

II группа:

Развитие промышленности требует большого использования редких металлов (тантал, молибден, вольфрам, ванадий). Какова роль алюминия в производстве этих металлов?

Как известно, алюминий прочный, но легкий металл. Отношение прочности к массе у алюминиевых сплавов выше, чем у любых других технических сплавов.

Где используется данное свойство металла?

Алюминий используется в промышленности в качестве восстановителя металлов из оксидов – алюминотермия.

2. 2/3 корпуса самолета  и 3/4 двигателя состоит из алюминия; создание легких несущих конструкций, корпуса автомобиля и т. д.)

III группа:

Какие свойства алюминия позволяют широко использовать его в электротехнике?

Как известно, алюминий хорошо поддается механической обработке. Где, на ваш взгляд, используется данное свойство?

Прекрасный проводник электрического тока; он легкий, следовательно, из него удобно изготавливать линии электропередач.

Он имеет высокую ковкость и тягучесть, его можно прокатывать, вытягивать в проволоку, прессовать или штамповать, придавая изделиям любую форму.)

IV группа:

Какое свойство алюминия сыграло важную роль при расширении географии производства азотной кислоты?

Поверхность алюминия, как известно, обладает высокой отражательной способностью. Как вы думаете, где используется данная особенность алюминия?

В азотной кислоте алюминий пассивируется, что дает возможность перевозить ее в алюминиевых цистернах.

2. Способность хорошо отражать лучистую энергию используется для   

изготовления кровельных покрытий, эффективно изолирующих здание в  

жарких странах от перегревания. Алюминиевая фольга благодаря этим же   

свойствам используется для создания помех при радиолокации.)

Преподаватель: кроме всего названного, алюминий – немагнитный материал, и это позволяет использовать его для изготовления навигационного оборудования.

Он обладает высокой теплопроводностью. Из – за этого его используют для изготовления теплообменников в химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

В России алюминий используют очень широко. Это второй по распространению металл после железа. Давайте вместе с вами составим схему использования данного металла в России (схема 4).

Учитель: по всей вероятности, данный металл следует использовать более аккуратно, так как он относится к невозобновимым ресурсам.

На пример, в России в год выбрасывается около 50 миллиардов алюминиевых банок.

Давайте постараемся ответить с вами на ряд вопросов. Которые, возможно, приблизят нас к ответу на вопрос: «Как уменьшить потребление алюминия?»

(Работа в группах)

Назовите одну или несколько областей, в которых алюминий можно использовать повторно без переработки.

Назовите одну или несколько областей, где можно использовать алюминий  

     после вторичной переработки.

Назовите области применения данного металла, приводящие к наибольшим потерям данного металла.

Назовите одну или несколько областей, в которых возможна замена данного металла на другие материалы с подходящими свойствами (другой металл, пластмасса, сплав, керамика).

4. Выводы по уроку.

1. Каковы особенности строения атома алюминия?

2. Какова активность данного металла?

3. Каковы свойства алюминия?

4. Какое свойство дает возможность широко использовать алюминий не смотря на его химическую активность?

Служу на кухне я без срока – 

Мне все задачи по плечу.

Вполне справляюсь с силой тока,

Легко по воздуху лечу.

Как древний из металлов,

Горжусь своим я именем:

Имею много сплавов.

Зовусь я алюминием.

Задание на самоподготовку :

«Алюминий и его свойства»