Методическая разработка интегративного урока "Черная металлургия" (химия + география)

Тема урока: Металлургия – отправная точка развития химии и геологии.

Черная металлургия в эпоху Николая II и в наши дни.

Время проведения: 90 минут

Форма урока: работа в группах

Тип урока: комбинированный.

Цель: познакомить учащихся с разницей в технологии получения чугуна и стали.

Задачи:

Предметные: 

-формировать элементарное представление о технологическом и химическом процессе получения черных металлов из металлических руд;

-способствовать формированию у учащихся понятий «технологический цикл» и «металлургическая база»;

- формировать знания о типологии металлургических предприятий;

- организовать деятельность учащихся по восприятию, осмыслению и первичному закреплению основных фактов о промышленном значении железа и металлургии;

- сформировать представление о факторах размещения предприятий чёрной металлургии в России;

-содействовать формированию умения работы с картами, таблицами, справочными материалами разного содержания;

Метапредметные:

- коррекция концентрации и устойчивости внимания;

- коррекция наглядно-образного мышления;

- развитие умения воспринимать информацию на слух, устанавливать причинно-следственные связи, анализировать и синтезировать информацию;

- развитие связной речи через умение отвечать на вопросы;

Надпредметные:

- содействовать воспитанию экологического мышления у школьников;

- продолжить развивать умение работать в группе;

- формировать навыки саморегуляции и самопределения.

Методы и приемы:

• словесные (рассказ учителя, беседа);

• наглядные (работа с учебными картами, учебное кино);

• практические методы (работа с рабочим листом, учебной коллекцией, анализ карт и таблиц, сравнение и сопоставление фотографий и данных);

• проблемные вопросы;

• мозговой штурм.

Оборудование: карта «Чёрная металлургия России», презентация, коллекция «Чёрная металлургия», схема доменной печи, историческая справка о процессе индустриализации в эпоху Николая II, рабочие листы.

1 урок

СЛАЙД 1

Д. Здравствуйте! Сегодня мы с вами окунёмся в волшебный мир одного интересного химического элемента…

Е. И интересной науки, которая явилась отправной точкой для развития таких важных научных областей как химия и геология!

Д. Без этой науки и этого химического элемента наша жизнь уже на протяжении веков просто немыслима!

Е. Но сначала несколько любопытных фактов об этом элементе: в чистом виде он почти не встречается, его находят чаще в виде полезных ископаемых – руд.

Д. В этих рудах зачастую он находится в виде оксидов. Его называют «небесный металл», хотя для производства летательных аппаратов он используется в небольшом объёме.

Е. А ещё о нём говорят, что он принесён в жертву «Рыжему дьяволу»

Д. Алхимики присвоили ему вот такой символ (символика Марса на доске). О каком металле идет речь?

У Железо

Е. Верно! В науке по производству металлов ЖЕЛЕЗУ выделено отдельное место.

Д. И зародилась эта наука в древнем Египте, тогда она называлась «схеме» – плавить, выплавлять. О какой науке идёт речь?

Подсказка: Что мы до сих пор выплавляем?

У. Металлы. А наука – металлургия!

Д. Итак, тема сегодняшнего урока – Металлургия, но выплавкой именно железа занимается…? Подсказка : железо черный или цветной металл?

У. Чёрная металлургия!

Д. Тема урока: «Чёрная металлургия» (запишите в рабочих листах).

СЛАЙД 2

Е. Почему железо называли «небесный металл»? (предположения учащихся) Человек впервые узнал о железе благодаря метеоритам, в них можно было найти много железа, отсюда и название – небесный металл, оно прямо падало с неба. Железо вокруг нас используется в большом количестве! Как вы думаете, хватило бы человечеству метеоритного железа?

У Нет

Е Значит, нужно использовать ресурсы нашей планеты. Вспоминаем, в каком виде железо встречается в природе?

У. В виде руды (оксидов железа).

Е. Верно! Обратимся к раздаточному материалу. Посмотрите, пожалуйста, в коллекции у вас на столах. В виде каких руд можно встретить железо? Продиктуйте, и мы вместе их запишем в столбик – я на доске, а вы в рабочих листах (показать рабочий лист). В ходе урока мы с вами должны заполнить все пробелы в данной технологической цепочке. Итак, из каких руд получают железо?

СЛАЙД 3

У. Диктуют: Гематит, лимонит, магнетит, сидерит.

Д. Хорошо! (пишем на доске и в рабочие листы) Но меня, как химика, интересует их состав: гематит – Fe₂O₃, лимонит – это кристаллогидрат, его формула Fe₂O₃·nH₂O, магнетит – Fe₂O₃·FeO и сидерит – FeCO₃.

Е. Итак, с чего стоит начать получение железа?

СЛАЙД 4

У. Поиск и добыча железных руд.

Е. Верно - руды нужно отыскать и добыть. Это называется геологоразведка и добыча. Обратите внимание, как эти два процесса происходили в начале 20 века и как происходят сейчас. СЛАЙД 5

А что с рудой потом нужно сделать?

У. Как-то из неё получить железо.

Е. Подсказка: при добыче помимо полезной руды в экскаваторы и вагонетки попадает только полезная порода? Внимательно посмотрите на слайд. СЛАЙД 6

Процесс подготовки руды к переработке в начале 20 века во времена правления Николая II, как и сейчас, происходит на горно-обогатительных предприятиях и называется обогащение, что включает в себя измельчение(дробление) и удаление пустой породы (запишите в рабочие листы).

Д. Найдите в ваших коллекциях, какие два основных сплава железа, которые получают в металлургии и запишите их в ваши рабочие листы.

У. Чугун и сталь.

Д. Верно! Основные сплавы – это чугун (96%Fe и 4%C) и сталь (99%Fe и 1%C) (пишем на доске и в рабочих листах). За последние сто лет технология получения этих сплавов принципиально не менялась, менялись только способы.

Е. Россия в настоящее время входит в семерку лидеров по производству чугуна и стали. Используя данные таблицы, проранжируйте страны по объему производства чугуна в 2019 году

СЛАЙД 7 Работа со статистическим материалом.

Проверяем! На каком месте Россия?

У. на 4 месте СЛАЙД 8

А как дело обстояло с объемами получения чугуна в эпоху Николая II?

Обратимся к исторической справке на ваших столах, о чем там сообщается?

СЛАЙД 9

У. О росте индустриализации и увеличении объемов производства металлургии.

Е: Россия и тогда входила в семерку лидеров по выплавке чугуна. Определите на каком она была месте?

СЛАЙД 10 Работа со статистическим материалом. Проверяем!

У. Тоже на 4-ом.

Как вы думаете, почему Николай II такое внимание в отраслевой структуре страны уделял именно черной металлургии?

СЛАЙД 11

Подсказка:

Д. А помните, каким символом алхимики обозначали железо? Какому древнеримскому богу соответствовал этот символ? (символика Марса)

У. Марсу, богу войны.

Д. Верно. Железо ещё называют металл войны. В XX веке было две больших военных трагедии. Какие?

У. Первая и Вторая мировые войны.

Д. Действительно, и в ожидании Первой мировой войны при Николае II производство железа резко возросло. Николай лично посещал заводы и следил за объёмами чугунного и сталелитейного производства.

СЛАЙД 12

Е. А разве железо не могло тогда использоваться и в мирных целях?

Подсказка: Российская Империя и современная Россия отличаются огромными размерами территории, нужно как-то связывать города друг с другом. На что ещё делался упор? Что активно строили при Николае II с использованием железа?

У. Железные дороги!

Е. Верно! Какая великая железная дорога строилась тогда?

У Транссибирская магистраль.

Д Давайте проследим как изменились способы получения чугуна и стали за последние сто лет!

СЛАЙД 13

Итак, переработка руды начинается с производства чугуна, как 100 лет назад, так и на многих предприятиях сейчас это происходит в доменных печах. Объяснить весь технологический процесс производства чугуна вы сможете самостоятельно, опираясь на коллекцию «Чугун и сталь» и схему строения доменной печь.

СЛАЙД 14

Изучите, пожалуйста, коллекции и схему строения доменной печи, и через 2 минуты расскажите о нем.

У. Изучают 1-2 минуты, после чего одна из групп пытается объяснить весь технологический процесс.

Е. Итак, в каком аппарате получают чугун?

У. В доменной печи!

Д. Доменные печи известны с XIV века и практически не изменились. Что мы туда помещаем? Запишите в рабочие листы

У. Сначала руды, потом известняк, потом кокс, и снизу вдуваем воздух.

Д. А теперь давайте поговорим о химических процессах, которые при этом протекают и запишем их в рабочих листах внутри схематичного рисунка доменной печи (для удобства лист можно повернуть):

Зачем добавляют коксующийся уголь (кокс)?

У. Нам нужно много тепловой энергии.

Д. Кокс (углерод) сгорает под воздействием кислорода

C + O₂ → CO₂ + 402 кДж много тепловой энергии!

Поднимается вверх, а там углекислый газ встречает еще углерод – кокс:

CO₂ + C → 2CO

А образовавшийся угарный газ восстанавливает железо, допустим, из гематита:

3CO + Fe₂O₃ → 3CO₂ + 2Fe

А что же мы получаем на выходе?

У. Чугун, шлак и доменные газы (СО и СО₂ ).

Д. Верно (запишите это в рабочие листы). Найдите в коллекции чугун и шлак, посмотрите, как они выглядят. В чугуне помимо углерода в присутствуют и другие примеси – сера, кремний и даже фосфор. Поэтому чугун тяжёлый, хрупкий, его неудобно обрабатывать. Нужен другой сплав! Какой?

У. Сталь!

Д. Верно! Но о нём речь пойдет на следующем уроке.

СЛАЙД 15

2 урок

Е. Посмотрите, сколько процентов углерода в чугуне и стали? Как чугун превратить в сталь?

У. Чугун (96%Fe и 4%C) и сталь (99%Fe и 1%C). Добавить железо и убрать лишние примеси!

СЛАЙД 16

Е. Верно! Сталь получают вот в таком устройстве – конвертере. С его помощью можно добавить железо и убрать лишние примеси!

Видео про конвертор

Д. Какие примеси убираем в конвертере?

У. Углерод, серу, кремний, фосфор (на доске в столбик прописываются эти примеси: C, S, Si, P).

Д. Самый лучший способ – сжечь! Чем?

У. Кислородом!

Д. Запишите в рабочие листы (в конвертер по мимо чугуна и железного лома подают кислород) Но здесь есть подводные камни этого процесса. Будем осторожны! Здесь процессы будут отличаться от классической неорганики. Итак, помечаем в рабочих листах процессы внутри рисунка конвертера! Диктуйте:

(учащиеся диктуют уравнения реакций, учитель записывает на доске, учащиеся на месте рисунка конвертера)

2C + O_2(нед.) → 2CO (газ)

S + O₂ → SO₂ (газ)

Si + O₂ → SiO₂ (тв.)

4P + 5O₂ → 2P₂O₅ (тв.)

И железо будет окисляться!

2Fe + O₂ → 2FeO

Однако потом оксид железа (II) тоже будет окислителем для примесей:

C + FeO → Fe + CO (газ)

Si + 2FeO → 2Fe + SiO₂ (тв.)

2P + 5FeO → 5Fe + P₂O₅ (тв.)

Твёрдые примеси остались?

У. Да!

Д. А для удаления твёрдых примесей используют что? Вспоминаем видео!

У. Известь – CaO!

Д. Допишите в ваши схемы «известь» и уравнение реакции, как твёрдые примеси реагируют с известью – оксидом кальция.

У. Диктуют уравнения реакций:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

3CaO + P₂O₅ → Ca₃(PO₄)₂

Д. Итак, какое сырьё нам потребуется для конвертера?

У. Чугун, железный лом, известь, кислород

Е. Проверьте указаны ли у вас в рабочих листах все виды сырья, которые помещают в конвертер.

Д. Но это современный способ! А в начале XX века широко использовались мартеновские печи (СЛАЙД 17 картинка с мартеновской печью). Однако с середины XX века начали широко использовать кислородный конвертер. Как вы думаете, почему он к настоящему времени полностью вытеснил мартеновскую печь из производства стали?

У. Наверное, это связано с тем, что сто лет назад мы ещё не умели получать много чистого кислорода…

Д. Да! Во времена Николая II человек ещё не умел получать кислород в больших количествах, поэтому кислородный конвертер не мог найти широкого применения и использовались мартеновские печи.

Кислородный конвертер требует тщательного отслеживания содержания углерода, температуры расплава и отходящих газов. Совершенствование автоматики, лабораторной техники и измерительных приборов было таким же необходимым условием выплавки качественной конвертерной стали, как и получение нужных количеств кислорода. Использование таких технологий стало возможно лишь с середины XX века! По сравнению с мартеновской конвертерная плавка очень скоротечна (десятки минут против восьми часов), себестоимость стали, получаемой кислородно-конвертерным процессом, ниже на 25 %, а производительность выше на 25%! Используется ли сейчас мартеновский способ?

У. Нет.

Е. А какой вид энергии мы тоже научились получать в большом количестве только в XX веке?

У. Предлагают варианты ответов.

Е. Электрическую энергию! И для производства стали из чугуна сейчас широко используют дуговые сталеплавильные печи – ДСП, или просто электрические печи. Сырьё то же самое, но нагревание за счёт электрической дуги

СЛАЙД 18

Д. В таких электропечах можно получать сталь очень высокого качества. А можно ли было использовать эти печи сто лет назад?

У. Нет, мы ещё не умели получать так много электроэнергии!

Е. Верно! После того как мы получили сталь какую продукцию производят из нее?

СЛАЙД 19

У: Прокат, метизы, трубы

Е. По готовой конечной продукции все металлургические заводы делятся на несколько типов СЛАЙД 20

Используя карты, определите типы металлургических заводов в России.

У. Команды отвечают устно СЛАЙД 21 Проверяем!

Е. Посмотрите на карту России. Что влияет на размещение предприятий черной металлургии?

У Сырье (руда) и уголь

Е. Верно. Скопления металлургических заводов, использующих общую рудную или топливную базу называют - металлургической базой.

Какие металлургические базы есть в России?

У. изучают карту и предлагают варианты ответов:

1. Центральная

2. Уральская

3. Сибирская

4. Дальневосточная (формируется)

Е. Для размещения металлургических заводов полного цикла наиболее подходящими являются места, где одновременно сочетаются месторождения, как железной руды, так и каменного угля. Такие сочетание сырья и топлива встречаются не так уж часто. Найдите город Череповец. Он привязан к этим месторождениям?

У. Нет.

Е. А как же решается эта проблема?

У. Предлагают варианты ответов.

Е. Верно, предприятия размещают либо у сырья, либо у топлива, либо на пересечении транспортных путей для его поставок.

СЛАЙД 23

Д. У черной металлургии есть одна большая проблема: если вы посмотрите на уравнения реакций и технологическую цепочку, то увидите, что много отходов производства – выброс доменного газа, шлаков, фосфата и силиката кальция. Запишите их в рабочих листах . Эти отходы нужно перерабатывать (утилизировать). Как вы думаете, какой вид отходов для производства чего используется? (укажите стрелками в рабочих листах)

У. Доменный газ – получение пластмасс. Фосфат кальция и силикат кальция – удобрения. Шлаки – строительство. Проверяем!

Е. Доменные печи и конвертерное производство является достаточно современным, но весьма грязным процессом. Модной альтернативой становится прямое восстановление железа из руды водородом в электропечах. России эту технологию применяют на Оскольском металлургическом комбинате. А как процесс происходит с точки зрения химии расскажет Д.К.

Д. Технологически этот процесс непрост, однако описать его можно с помощью одного уравнения реакции. Допустим, мы взяли гематит. Его формула?

У. Fe₂O₃!

Д. А в качестве восстановителя используется просто водород (записываем на доске H₂). Продиктуйте уравнение реакции и продукты (учащиеся диктуют):

У 3H₂ + Fe₂O₃ → 2Fe + 3H₂O

Е. Действительно, мы здесь получаем железо и воду, с точки зрения экологии способ очень прогрессивен! Но у меня есть еще более свежие металлургические новости. Получение железа из сидерита (найдите его в коллекциях).

Видео про новый экспериментальный способ из сидерита

Е. А теперь пришло время подводить итоги. В ваших рабочих листах вам необходимо озаглавить получившуюся технологическую цепочку. Мы сегодня с вами рассматривали процесс получения чего?

У. Железа и его сплавов.

Е. Верно! Запишите. А теперь переверните рабочие листы, проанализируйте работу вашей группы. Кто сегодня какую роль исполнял в группе? Запишите всех участников группы согласно их вкладу в общую командную работу.

У. анализируют работу в своих группах

Д. И сдайте рабочие листы, которые мы с Е.О. проанализируем и сообщим вам оценки за работу на следующем уроке.

У. Сдают рабочие листы