Методичне забезпечення вивчення теми "Метали" в 9 клас

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Чернігівський державний педагогічний університет імені Т.Г.Шевченка

Хіміко-біологічний факультет

Кафедра хімії

Дипломна робота

МЕТОДИЧНЕ ЗАБАЗПЕЧЕННЯ ВИВЧЕННЯ ТЕМИ „МЕТАЛИ” В 9 КЛАСІ

МАНЧЕНКО ОЛЕНА СЕРГІЇВНА

Науковий керівник:

к.т.н., доц. кафедри хімії

Замай Жанна Василівна

ЧЕРНІГІВ - 2007 р.

ЗМІСТ

ВСТУП
РОЗДІЛ 1. Загальні властивості металів. Сплави

1.1 Загальна характеристика металів
1.2 Фізичні властивості металів
1.3 Хімічні властивості металів
1.4 Природні сполуки металів. Добування металів
1.5 Сплави

РОЗДІЛ 2. Форми організації навчання при вивченні теми „Метали” в шкільному курсі хімії

2.1 Традиційна форма організації навчального процесу
2.2 Нетрадиційні форми організації навчальної діяльності

РОЗДІЛ 3. Методичні забезпечення проведення уроків з теми „Метали”

3.1 Тематичне планування теми „Метали”
3.2 Методична розробка нетрадиційного уроку з теми „Загальні відомості про метали”
3.3 Методична розробка традиційного уроку з теми „Ферум: його сполуки, властивості та застосування”
3.4 Методична розробка уроку з використанням лабораторних робіт на тему „Хімічні властивості металів. Електрохімічний ряд напруг металів”
3.5 Розробка узагальнюючого уроку

ВИСНОВКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Урок є основною формою організації навчально-виховної роботи вчителя з класом - постійним, однорідним за віком та підготовкою колективом дітей - за державною програмою, твердим розкладом і в шкільному приміщенні. На уроках учні під керівництвом учителя систематично і послідовно відповідно до програми набувають теоретичних знань і практичних вмінь і навичок, а також елементів всебічного розвитку особи. На уроках закладається фундамент світогляду молодого покоління. Основний навчальним матеріал вивчається під час уроку, з ним пов`язані інші форми викладання хімії.

Останнім часом у практику роботи вчителя впроваджуються нетрадиційні форми організації навчально-виховного процесу. Як свідчать результати досліджень та практичний досвід, їх запровадження забезпечує підвищення активності навчально-пізнавальної діяльності учнів, формування самостійності мислення, розвиток творчості.

Метали - основа матеріальної культури людства, основний конструкційний матеріал в машино-, апарато- і приладобудуванні. Всі вони мають загальні, так звані металічні властивості, але серед них виокремлюють близькі між собою типи (родини) металів відповідно до подібності електричних структур їхніх атомів і, отже, їх положення в періодичній системі.

Актуальність. Метали є складовою частиною як живих об`єктів, так і продуктів промисловості. Знання властивостей металів сприяє розширенню загального світогляду школярів та дає знання щодо використання металевих предметів за призначенням, тому підвищення ефективності засвоєння знань учнів з теми „Метали” за рахунок застосування нетрадиційних форм організації навчального процесу є актуальним.

Об`єкт дослідження - навчально-виховний процес в 9 класі при вивченні теми „Метали”.

Предмет дослідження - методичні підходи до вивчення теми.

Мета дослідження: розробити методичне забезпечення вивчення теми „Метали” при вивченні хімії в 9 класі.

У відповідності з поставленою метою ставляться такі завдання:

1) проаналізувати науково-методичну літературу з питання щодо властивостей металів та їх сплавів;

2) проаналізувати різні методичні підходи до вивчення теми;

3) розробити плани-конспекти нетрадиційного, традиційного уроків та уроку з використанням лабораторних робіт.

РОЗДІЛ 1. ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ МЕТАЛІВ. СПЛАВИ

1.1 Загальна характеристика металів

Метали є досить важливими елементами живої природи. Більшість металів входять до складу клітин вищих живих організмів. Питанням вивчення властивостей металів та відкриттям нових займається багато вчених.

Всі періоди періодичної системи починаються з металів. Вздовж періодів поступово послаблюються металічні властивості елементів і посилюються неметалічні.

Атоми металів, як правило, мають у зовнішньому електронному шарі 1, 2 і значно рідше 3 або 4 електрони. Тут з усією очевидністю виявляється вплив зовнішнього електронного шару на властивості елементів. Атоми металів мають низькі значення потенціалів йонізації, тому легше віддають свої електрони, ніж приєднують їх, і перетворюються на позитивно заряджені йони [1-5].

Це означає, що ті елементи, атоми яких мають s2p6-конфігурацію електронів передостаннього енергетичного рівня і містять 1--2 електрони на останньому рівні, виявляють вищу металічну активність. У підгрупах активність таких металів зростає зі збільшенням протонного числа їхніх атомів.

Так, найактивнішими є метали головної підгрупи І групи, особливо Fr. Активними металами є також елементи головної підгрупи II групи, і серед них найактивніший метал -- радій.

Атоми металів побічних підгруп мають, як правило, у зовнішньому електронному шарі 1--2 електрони, а в передостанньому -- більше восьми. Значення потенціалів йонізації атомів цих металів вищі, а їх активність із збільшенням протонного числа зменшується. Так, найактивнішим металом побічної підгрупи І групи є мідь, найменш активним -- золото.

В атомах перехідних металів електрони заповнюють внутрішні енергетичні рівні, тому утримуються ядром сильніше, ніж електрони, розміщені на останньому енергетичному рівні. Цим і пояснюється той факт, що радіуси атомів елементів побічних підгруп менші, ніж передбачалися за аналогією з атомами металів головних підгруп за нормального заповнення електронних шарів. Тому й виникає різка зміна активностей металів головних і побічних підгруп.

1.2 Фізичні властивості металів

До фізичних властивостей металів належать електропровідність, теплопровідність, здатність деформуватися без руйнування. Завдяки пластичності метали можна кувати, вальцювати, витягувати, штампувати. Ця властивість металів має велике практичне значення.

Усі метали за винятком ртуті за звичайних умов -- тверді речовини. Найтвердішими є манган та хром, найм'якшим -- цезій.

Для металів характерне утворення кристалічних ґраток, у вузлах яких розміщуються переважно йонізовані атоми. Внутрішню будову кристалів визначають за допомогою рентгеноструктурного аналізу.

Кристалічні ґратки металів можуть бути різних типів. Найхарактернішими є три типи: кубічна об'ємноцентрована (лужні метали, хром, ванадій, б-залізо, в-титан, свинець, вольфрам тощо), кубічна гранецентрована (алюміній, мідь, срібло, золото, г-залізо, нікель, платина, паладій тощо), щільна гексагональна (магній, берилій, цинк, кадмій, а-титан). На рис. 1 подано елементарні комірки основних типів кристалічних ґраток металів.

Багатьом металам, особливо перехідним, властивий поліморфізм. Так, титан, цирконій, скандій, лантан, уран існують у двох алотропних видозмінах, стійких за різних температур, олово, кальцій, хром -- у трьох, манган -- у чотирьох, плутоній -- у шести алотропних видозмінах тощо.

Рис. 1. Основні типи кристалічних ґраток металів (елементарні комірки): а -- кубічна об'ємноцентрована; б -- кубічна гранецентрована;в -- гексагональна

Метали, йони яких мають інертногазову або псевдоінертногазову електронну оболонку, а також йони з конфігурацією зовнішнього шару електронів s2p6d10s2, діамагнітні. Винятком є лужні і лужноземельні метали, які внаслідок сильної делокалізації валентних електронів виявляють парамагнітні властивості.

Атоми перехідних металів, що мають незавершені d- або f-рівні, парамагнітні. Чотири метали (залізо, кобальт, нікель, гадоліній) -- феромагнітні, тобто коефіцієнт їх магнітної сприйнятливості >> 1.

Майже всі метали мають високі температури плавлення. За найвищої температури плавляться вольфрам, реній, тантал, за найнижчої-- ртуть, галій, цезій.

За густиною всі метали поділяються на важкі та легкі. До легких належать метали, густина яких менша 6 г/см3 (лужні, лужноземельні, магній, берилій, скандій, титан, алюміній, ітрій тощо), до важких,-- густина яких перевищує 6 г/см3. Найлегшим металом є літій (0,53 г/см3), найважчим -- осмій (22,5 г/cм3).

Механічні властивості металів визначаються будовою їхніх кристалічних ґраток. Висока міцність металів забезпечується створенням умов для досягнення ідеально впорядкованих структур кристалів.

Загальні фізичні і хімічні властивості металів зумовлені подібністю будови їхніх атомів і природи їхніх кристалічних ґраток.

Атоми металів виявляють спорідненість до електрона близьку до нуля або негативну. Саме тому метали є відновниками, оскільки вони легко віддають електрони.

Для пояснення загальних властивостей металів учені А. Зоммерфельд, Е. Фермі, Ф. Блох, Л. Брілюен [6] та інші розробили теорію металічного стану. Згідно з цією теорією [6] у кристалі металу валентні електрони перебувають в іншому стані, ніж у вільних атомах. Під час взаємодії однакових атомів замість енергетично рівноцінних вихідних атомних орбіталей утворюються молекулярні орбіталі, що відповідають різним рівням енергії. Ці молекулярні орбіталі делокалізовані, вони однаковою мірою належать усім атомам, що взаємодіють. У міру збільшення числа таких атомів додавання кожного з них приводить до утворення ще одного енергетичного рівня; число енергетичних рівнів дорівнює числу атомів, що взаємодіють.

Із зростанням числа атомів зростає число дозволених енергетичних станів і зменшуються відстані між сусідніми енергетичними рівнями. У разі великого числа атомів N сусідні рівні відрізняються настільки мало, що утворюється практично суцільна енергетична зона. Електрон, що перебуває на даному рівні, може поводити себе як вільний, якщо найближчий енергетичний рівень не зайнятий електронами. Внаслідок делокалізації орбіталей цей «вільний» електрон може переміщуватися у кристалі під впливом яких завгодно малих енергій. Молекулярні орбіталі, що становлять енергетичну зону, заповнюються електронами в міру зростання енергії, і, згідно з принципом Паулі, на кожній молекулярній орбіталі можуть розміщуватися два електрони. Для прикладу зіставимо значення енергетичних рівнів електронів в ізольованому атомі та в компактному кристалі якого-небудь лужного металу, наприклад натрію. Для ізольованого атома порівняно з кристалом металу відмінність окремих рівнів і підрівнів енергії зовнішніх електронів виявляється різкіше.

Електропровідність металів залежить від кількості електронів, яким відповідають незаповнені енергетичні рівні з низькою енергією. Так, мідь, золото, срібло мають високу електропровідність тому, що для них у кристалі, що містить N атомів, енергетична зона може вмістити 2N електронів, а їх всього N.

Якщо в кристалі всі рівні енергетичної зони заповнені електронами, то через нього струм проходити не може (наприклад, у речовинах з атомними кристалічними ґратками).

Отже, і електро-, і теплопровідність металів зумовлені здатністю валентних електронів вільно перемішуватися по кристалу з верхніх рівнів валентної зони на нижні рівні зони провідності.

З підвищенням температури електропровідність типових металів падає. Це пояснюється тим, що під час нагрівання атоми металу починають інтенсивніше коливатись біля положень їх рівноваги, що утруднює переміщення електронів. Електропровідність напівпровідників під час нагрівання зростає, оскільки інтенсивніше відбувається перехід електронів з валентної зони у юну провідності.

Крім електропровідності і теплопровідності всі інші властивості металів і напівпровідників зумовлені наявністю делокалізованих валентних електронів [12].

1.3 Хімічні властивості металів

Характерною властивістю металів є їхня здатність лише віддавати електрони й утворювати вільні позитивно заряджені йони. Для металів не характерне утворення сполук, в яких вони мають негативний ступінь окиснення. Метали здатні заміщувати Гідроген у кислотах і утворювати солі. Отже, метали можуть бути тільки відновниками.

Найактивніші метали мають малі значення потенціалів йонізації. Атоми активних металів мають великі радіуси і незначну кількість електронів на зовнішньому енергетичному рівні. За величиною потенціала йонізації можна порівняти активність металів у розрідженому газовому середовищі. На повітрі, й особливо у воді, активність металів об'єктивніше характеризується стандартним електродним потенціалом, який визначає, наскільки легко утворюються позитивно заряджені йони з нейтральних атомів за наявності води. Стандартний потенціал -- це напруга, що виникає між металом і розчином його солі за активності йонів цього металу, що дорівнює одиниці. Величини стандартних потенціалів відносні. Здатність металів легко утворювати вільні позитивно заряджені йони виявляється в реакціях взаємного витіснення металів або під час взаємодії деяких із них з кислотами-неокисниками [17].

Ряд електрохімічних потенціалів ґрунтується на кількісних значеннях стандартних потенціалів. Всі активні метали, які здатні витісняти Гідроген з кислот-неокисників, стоять у ряду електрохімічних потенціалів до водню. Благородні метали мають позитивні значення стандартних потенціалів і розміщуються за воднем. Зіставивши величини стандартних потенціалів, можна зробити висновок, який з металів витіснятиме інший метал із розчину його солі.

Положення металу в ряду електрохімічних потенціалів характеризує його здатність до окисно-відновних перетворень за стандартних умов. Чим ближче метал розміщений до початку ряду електрохімічних потенціалів, тим сильніші відновні властивості його атомів і тим слабкіші окиснювальні властивості його йонів у водному розчині.

1.4 Природні сполуки металів. Добування металів

Більшість металів у земній корі перебуває у вигляді сполук з іншими елементами. У самородному стані трапляються тільки благородні метали, які характеризуються високими потенціалами йонізації (золото, платина, платинові метали, частково срібло, мідь і ртуть).

Мінерали або їх суміші, придатні для промислового добування металів, називаються рудами. Рудами є суміші благородного металу або його сполуки з різними силікатами. Пустою породою називаються домішки, що супроводжують метал або його сполуку в руді.

Найчастіше в земній корі трапляються малорозчинні у воді та стійкі проти окиснення мінерали.

Досить стійкими і малорозчинними є сульфіди багатьох металів. Іноді сульфіди трапляються разом з арсенідами (руди Co та Ni). Сульфідні руди, що містять цинк, свинець, срібло, мідь, бісмут з домішками рідкісних металів (германій, реній, індій), називаються поліметалічнимирудами.

Сульфідів активних металів у земній корі не виявлено, оскільки вони нестійкі [12].

Лужноземельні метали і рідкісноземельні елементи в природі трапляються у вигляді не розчинних у воді карбонатів, фторидів, фосфатів. Кальцій, стронцій і барій входять до складу сульфатних мінералів, лужні метали -- до складу подвійних силікатів. Для натрію і калію поширеними є хлоридні мінерали, які утворилися в результаті кристалізації розчинів під час висихання озер і морів.

Добуванням металів з руд займається галузь промисловості -- металургія.

Для збагачення руд застосовують методи магнітної та гравітаційної сепарації, пінної флотації. Магнітну сепарацію можна застосовувати лише тоді, коли потрібний компонент руди виявляє магнітні властивості, і руди, притягуючись до магніта, переносяться ним у збірник руди. Методом гравітаційної сепарації здійснюється відокремлення мінералу, який потрібно вилучити з руди, від домішок за допомогою важких розчинів, що мають проміжну густину (між густиною мінералу і домішок). Часточки легкого компонента спливають на поверхню.

Флотація ґрунтується на різній змочуваності водою пустої породи і мінералу. Часточки компонента, який змочується водою, поглинаються, а часточки, що не змочуються, спливають на поверхню.

Для добування металу з його сполуки, що міститься у руді, потрібно його відновити.

Найважливішим методом добування металів із руд є відновлення їхніх оксидів вуглецем або оксидом карбону (ІІ).

Відновлення металів із руд вуглецем і оксидом карбону (II) відбувається за високих температур, тому цей метод добування металів належить до пірометалургійних.

Для металів, які не відновлюються вуглецем і оксидом карбону(ІІ) (активні метали), застосовують сильніші відновники: водень, магній, алюміній, силіцій. Метод відновлення оксиду одного металу іншим металом називається металотермією (якщо відновником є алюміній -- алюмотермією). Метало-термічним методом виплавляють титан, цирконій, рідкісноземельні метали, уран, хром тощо.

Для добування металів застосовують також гідрометалургійний метод, тобто електроліз водних розчинів солей та витіснення металів з їхніх розчинів іншими металами. Гідрометалургійним методом добувають золото (витіснення його з ціанідних розчинів за допомогою цинку) [17].

Електропірометалургійним методом добувають лужні, лужноземельні метали, алюміній, титан, торій, ніобій, тантал. Суть цього методу полягає в електролізі розплавлених солей. За цим методом добувають дуже активні метали, які не можна добути, використовуючи звичайні відновники.

1.5 Сплави

У рідкому стані більшість металів розчиняється один в одному, утворюючи рідкий сплав. Сплавами називаються гомогенні суміші металів у розплавленому і затверділому станах. Затверділі сплави мають різну природу: вони можуть виявляти характер твердих розчинів, хімічних сполук, бути гетерогенними.

Щоб визначити природу сплаву, поверхню досліджують мікроскопічним методом, а також піддають його рентгеноструктурному аналізу. Проте найчастіше сплави досліджують, проводячи фізико-хімічний аналіз [17].

Про взаємодію між металами можна судити на підставі вимірювання питомої електропровідності систем (електропровідність окремих металів вища за електропровідність утворених ними інтерметалідів). Внаслідок взаємодії металів змінюється їхня твердість, магнітна сприйнятливість. Склад утвореного металіду можна визначити, не виділяючи його в чистому вигляді, якщо вивчати зміну однієї з названих властивостей.

Нині фізико-хімічний аналіз є основним методом вивчення природи різних сплавів. Розділ фізико-хімічного аналізу, що досліджує перетворення в системі за зміною температури її плавлення або тверднення залежно від складу, називається термічним аналізом. Діаграми температура плавлення -- склад називаються діаграмами стану, або діаграмами плавлення системи. Термічний аналіз до вивчення сплавів вперше застосував у 1868 р. Д. К. Чернов, а в 1900 р. видатний російський вчений М. С. Курнаков розробив метод встановлення складу сполук у сплавах за допомогою термічного аналізу.

Для того щоб побудувати діаграму стану, досліджують експериментально криві охолодження. Розплавлений чистий метал поступово охолоджують, вимірюючи зміну температури сплаву з часом. На діаграмі температура -- час дістають горизонтальну лінію, що відповідає температурі плавлення металу (затримка в охолодженні металу зумовлена виділенням прихованої теплоти кристалізації). Якщо до металу А додати метал В, то в разі поступового охолодження рідкого сплаву кристали металу А осідатимуть за нижчої температури, ніж коли б це був чистий метал. Якщо ж до чистого металу В додати метал А, спостерігатиметься аналогічна картина. Щоб побудувати діаграму стану для двохкомпонентної системи, виготовляють суміші двох чистих металів із різним їх кількісним складом, розплавляють їх і визначають температури початку кристалізації як зупинки на діаграмах температура -- час (рис. 2).

Страницы: 1, 2

В соцсетях