Урок химии в 9 классе по теме: "Металлы в природе. Общие способы получения металлов."

Тема: Металлы в природе. Общие способы получения металлов.

Цель:

Образовательная

познакомить с природными соединениями металлов и с самородными металлами; дать понятие о рудах и металлургии, рассмотреть такие ее разновидности, как пиро–, гидро–, электрометаллургия, термическое разложение соединений металлов, продемонстрировать лабораторные способы получения металлов и с помощью фрагментов медиалекции ознакомить с промышленным производством металлов.

Развивающая

• Развивать умение учащихся анализировать, сравнивать, обобщать и делать выводы на основании уже имеющихся и вновь полученных знаний как по химии, так и по другим дисциплинам. Прививать навыки поисковой и самостоятельной работы. Продолжить работу над формированием навыков по применению знаний при решении теоретических и практических задач (формирование предметной компетентности).

Воспитательная

• Содействовать в ходе урока формированию научного мировоззрения, коммуникативной и информационной компетенции.

Тип урока: Урок усвоения новых знаний.

Метод: эвристическая беседа

Оборудование: мультимедийное оборудование, диск с записью презентации, электронное пособие по теме «Металлы».

  

Вся история человечества неразрывно связана с использованием  металлов и неслучайно важнейшие этапы в развитии человеческого общества получили название по применению металлов: медный, бронзовый, железный.

   Благодаря физическим свойствам  (каким) металлы широко применяются в технике – это важнейшие конструкционные материалы.  Металл нужен всюду: металл – это машины, каркасы промышленных корпусов, мостов, плотин, электродвигателей. Металл – это трубы газ нефтепроводов. Чем больше машин производится в стране, тем быстрее развиваются её промышленность, транспорт и сельское хозяйство, тем выше производительность труда.

     2. Основная часть.

Цели нашего  урока:

1.  Выяснить в каком состоянии металлы  встречаются в природе  и от  чего  это зависит?

2.   Познакомиться с основными способами  получения металлов  в промышленности.

3.  Ответить на вопрос от чего зависит выбор способа получения металла?

Нахождение металлов в природе

Исторические сведения

Уже в глубокой древности человеку были известны семь металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо и ртуть. Из этих металлов человек вначале познакомился с теми, которые в природе встречаются в самородном виде. Это золото, серебро и медь. Остальные четыре металла вошли в жизнь человека после того, как он научился добывать их из руд с помощью огня.

Часы истории человечества стали отсчитывать время быстрее, когда в его жизнь вошли металлы и их сплавы. Век каменный сменился веком медным, потом - бронзовым, а затем веком железным.

Именно ковкость и пластичность металлов были важнейшими свойствами, благодаря которым металлы начали активно использоваться человеком.

Первые сведения использования металлов в хозяйственной деятельности людей относятся к 4-3 тыс. до н.э. Это время называют медным веком или энеолитом (от лат. аeneus – медный и греч. lithos – камень)

Основное занятие населения - мотыжное земледелие, скотоводство и охота. В это время помимо каменных орудий появляются медные орудия.

Скажите, а в чем преимущество медных орудий труда перед каменными?

Историки считают медный век переходным периодом от каменного к бронзовому веку ( конец 4 начало 3 тыс. до н.э.)

В чем причина того, что постепенно бронза заменила чистую медь и именно из этого сплава начали изготавливать орудия труда и оружие?

Но со временем и бронза отошла на второй план. Сейчас бронзу используют для производства пружин, шестерней, часовых механизмов, художественных изделий. Бронза – это один из основных материалов скульпторов. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол также отлиты из сплава меди с оловом.

А вот когда человек научился получать температуру более 1500 С наступила эпоха изделий из железа и его сплавов – чугуна и стали. Это время стали называть железным веком, начало которого датируют с середины 1 тыс. до н.э.

А когда закончился железный век?

Наверное, условно можно сказать, что железный век продолжается и по сей день. Ведь примерно 9/10 из всех используемых металлов и сплавов – это сплавы на основе железа.

Ни одна сторона человеческой жизни не обходится на сегодняшний день без использования металлов и сплавов из них. В современном мире используют практически все известные металлы. О применении некоторых металлов мы говорили на прошлом уроке.

Учитывая большую значимость металлов, мы должны знать, как же их получают.

Многие металлы широко распространены в природе.

Содержание некоторых металлов в земной коре (%) отображено на диаграмме.

Большое количество натрия и магния содержится в морской воде - 1,05% и 0,12% соответственно. 

В природе металлы встречаются в различном виде:

В свободном виде встречаются самые неактивные металлы (благородные) золото, платина.  Такие металлы, как серебро, медь, ртуть, встречаются в природе, как в самородном состоянии, так и в виде соединений с другими элементами. Все остальные металлы находятся в природе только в виде соединений с другими элементами: очень активные -  в виде солей (галит, сильвин); средней активности- в виде оксидов (бокситы, магнитный железняк, красный железняк) и сульфидов (галенит- сульфид свинца,  сфалерит- цинковая обманка)

В самородном состоянии: медь, золото, серебро, платина, иногда ртуть

Все металлы, которые в ряду напряжений находятся до олова, встречаются только в виде соединений. Чаще всего металлы в природе встречаются в виде солей неорганических кислот:

В виде оксидов: магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂О₃ и др.

Смешанные оксиды: каолин Аl₂O₃•2SiO₂•2Н₂О, алунит (Na,K)₂O•Аl₂О₃•2SiO₂, др

Сульфиды: галенит PbS, киноварь НgS, серный колчедан FeS₂

Хлориды: сильвин (KCl), галит (NaCl) и сильвинит (КСl•NаСl), карналлит КСl•МgСl₂•6Н₂О

Сульфаты: глауберова соль Nа₂SO₄•2Н₂О, гипс CaSO₄•2H₂O, барит ВaSO₄

Карбонаты: мел, мрамор, известняк СаСО₃, магнезит МgСО₃

Фосфаты: апатит Са₃(РО₄)₂

Многие металлы часто сопутствуют основным природным минералам: скандий входит в состав оловянных, вольфрамовых руд, кадмий — в качестве примеси в цинковые руды, ниобий и тантал — в оловянные.

Железным рудам всегда сопутствуют марганец, никель, кобальт, молибден, титан, германий, ванадий.

Как  вы думаете, какой металл занимает первое место по распространенности  в природе?

Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. За ним следует железо, кальций, натрий, калий, магний.

Благодаря физическим свойствам  (каким) металлы широко применяются в технике – это важнейшие конструкционные материалы.

Большинство металлов в природе встречается преимущественно в виде соединений. Эти природные соединения называются минералами.

Природные минеральные соединения, из которых технологически возможно и экономически целесообразно добывать металлы, называют рудами.

В состав руды, кроме полезных минералов, входит еще пустая порода.

В зависимости от того, какие соединения металлов содержатся в руде, различают:

а) оксидные руды - Fe₃O₄, Аl₂О₃;

б) сульфидные руды - FeS₂, MoS₂;

в) хлоридные руды - NaCl, MgCl₂;

г) карбонатные - СаСО₃, FeCO₃.

Металлические руды — это основное сырье металлургии, отрасли промышленности, добывающей металлы.

В Украине имеются большие железорудные бассейны - Криворожский и Керченский. Открыты также новые залежи железной руды в Полтавской и Запорожской областях. Есть также залежи цветных металлов (алюминия, магния, титана, цинка, ртути, золота и др.)

Известно много различных способов получения металлов, однако можно назвать несколько наиболее важных общих способов переработки руд на металлы.

Чаще всего содержание металлов в рудах (кроме железных) невысокое. Это требует предварительной обработки их для удаления пустой породы.

Обработка руды, в результате которой увеличивается содержание полезного соединения металла, называется обогащением руды, а полученный после обогащения продукт - концентратом.

Металлы, содержащиеся в рудном концентрате, восстанавливают различными способами.

Получением металлов из руд занимается металлургия.

1. Оксидные руды чаще всего восстанавливают коксом или карбон(II) оксидом, реже –водородом:

NiO + С = Ni + СО ↑

Fe₃O₄ + 4CO = 3Fe + 4CO₂ ↑

MoO₃ + 3H₂ = Mo + 3H₂O

CuO + H₂ = Cu + H₂O

Сульфидные руды сначала обжигают:

2PbS + ЗО₂ = 2РЬО + 2SO₂ ↑

а затем полученный оксид металла восстанавливают углем (коксом):

РЬО + С = РЬ + СО ↑

3. Металлы можно восстанавливать из их оксидов и галогенидов другими, более активными металлами при высокой температуре. Этот процесс называется – металлотермия.

а). Магнийтермия

2Mg + UF₄ = 2MgF₂ + U

б). Алюминотермия

2Аl + Fe₂O₃ = Аl₂О₃ + 2Fe

4. Металлы можно восстанавливать и с помощью некоторых неметаллов.

а. Силикотермия

Si + 2MgO = SiO₂ + 2Mg.

   Поскольку металлы в соединениях имеют «+»ст.ок., то получение их в свободном виде сводится к процессу восстановления: Ме ^+х   +  х ē   =   Ме ^о   (восстановление, окислитель)

Для осуществления процесса нужен восстановитель. (Презентация слайд 5)

   В качестве  восстановителей в металлургии   применяют уголь, угарный газ, активные металлы, а также водород.  Все эти процессы протекают при высоких температурах и называются пирометаллургическими. (Презентация слайд 6)

   Самый дешевый из них – карботермия (от лат «сarboneum»). Этим способом  получают сплавы железа: чугун- сплав железа с углеродом 2-4% и сталь 0,3-2%). В машиностроении ни их долю приходится более 90% от общей массы применяемых сплавов металлов.

  Чугун получают из железных руд в доменных печах. В доменную печь сверху последовательно загружают шихтой: железной рудой, коксом… Снизу вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом; кокс сгорает, образуется угарный газ.

Так получают  такие металлы, как железо, олово, свинец, цинк, кадмий и др.

Почему такие металлы, как хром, молибден, титан и некоторые другие нельзя получить более дешевым способом- карботермией? Они образуют прочные соединения с углеродом.

   Эти металлы получают восстанавливая из оксидов более активными металлами, такими как алюминий, магний и способ получил название – металлотермия, алюмотермия. Смесь порошкообразного алюминия и оксидов железа называется термитом. При горении термит развивает температуру порядка 2500 – 2700*С. Его используют для снаряжения зажигательных авиабомб и других боеприпасов.

   Иногда металлы восстанавливают ещё более дорогим способом- водородотермией (восстановление водородом).

Как вы думаете, с какой целью используют этот способ?  Для получения очень чистых металлов.

    Наиболее активные металлы  можно получить только электрометаллургическим способом-    выделение  металлов из    расплавов их  соединений   под действием электрического тока. Таким способом получают алюминий на КАЗе.

   На Парижской выставке 1855 году алюминий демонстрировался как самый редкий металл. Он был тогда чуть ли не в 10 раз дороже золота. Даже после того как французский химик Анри Девиль разработал приемлемый способ получения довольно дорогого алюминия. Достаточно сказать, что из алюминия была сделана и торжественно преподнесена сыну Николая третьего погремушка и только богатые люди могли позволить себе есть из алюминиевых тарелок.

   Электролиз - это окислительно-восстановительный  процесс, протекающий на электродах при пропускании электрического тока  через расплав или раствор электролита.

    3. Закрепление

На каком процессе основано получение металлов из их соединений?

Какими способами получают металлы из руд?

Почему титан не получают восстановлением углеродом?

Приведите уравнения реакций

    а) восстановления водородом оксида железа (II)

          б) восстановления углем оксида цинка

          в) кальциетермического получения ванадия из оксида ванадия (V)

Д/з  выучить записи в тетради  § 35 упр. 5-7 с.112

Выполнить тестовые задания:

1. В каком ряду приведены символы соответственно самого твердого и самого тугоплавкого металлов? а) W, Ti; б) Cr, Hg; в) Cr, W; г) W, Cr,

2. Укажите символы металлов, которые можно окислить ионами Н⁺ в водном растворе кислоты: а) Cu; б) Zn; в) Fe; г) Ag.

3. А теперь обратите внимание на следующие уравнения химических реакций:

(1) FeO + H ₂ = Fe + H ₂ O _(ж) – 21 кДж

(2) 3 FeO+2Al = 3Fe+Al₂O₃ - 882 кДж

ток

(3) 2 FeCl₃ (расплав) = 2 Fe+3Cl₂↑-Q

(4) 2 FeO + C = 2Fe + CO₂↑+137 кДж

(5) FeO + CO = Fe + CO₂↑ - 19 кДж

Подумайте и скажите, какой из способов может быть использован для получения железа в промышленности?

(1) способ – это электрометаллургический способ. Он достаточно дорогой. (2) способ – алюминотермия и (3) способ -водородотермия – также дорогие, т.к. получение восстановителей связано с большими экономическими затратами.

(4) – карботермия (восстановление углеродом). Используется редко, т.к. углерод взаимодействует с железом, образуя карбиды различного состава. (5) – также карботермический способ, но восстановителем является углерода (II). Именно этот способ лежит в основе производства чугуна. С экологической точки зрения процесс не является чистым, да и железо получается в виде сплава с углеродом, кремнием. Но этот способ наиболее дешевый.

1. К рудам не относится:

а) мрамор;

б) магнитит;

в) галенит;

г) лимонит.

1. Среди минералов не встречаются:

а) оксиды металлов;

б) сульфиды металлов;

в) гидриды металлов;

г) силикаты металлов

1. Металлический марганец получают алюминотермией из оксида марганца (IV)/ Составьте уравнение реакции. Сумма коэффициентов в правой части уравнения равна:

а) 4;

б) 5;

в) 6;

г) 7.

1. В настоящее время для получения хрома в качестве восстановителя чаще всего используется:

а) медь;

б) натрий;

в) хлор;

г) алюминий

1. Укажите самый легкий металл:

а) Li;                          в) Al;

б) Ca;                         г)  Fe.

Укажите самый распространенный в земной коре металл:

а) Li;                          в) Al;

б) Ca;                         г)  Fe;

. Для восстановления металлов из оксидов в промышленности используют:

а) Н₂0;                           в) Al;

б) СО₂;                          г)  О₂.