Мир металлов глазами химика, физика и биолога
Задача, выпадающая на долю
преподавателя физики-химии,
занимающихся, кроме передачи
полезных сведений, еще
в упражнении способностей ума.
Цель:
Обобщение и классификация сведений о металлах из химии, физики и
биологии. Установление связей между общеобразовательными и
специальными занятиями учащихся 9 классов.
Степень интегрирования содержания – средняя.
Особенность: Предметом анализа выступают многоплановые объекты информации, о сущности которых содержится в различных учебных дисциплинах (химия, физика, биология). Сохраняется самостоятельность каждого предмета со своими целями, задачами, программой. Повышение уровня знаний учащегося, который достигается благодаря многогранной интерпретации с использованием сведений из различных наук.
Оформление кабинета:
1. Таблица: «Классификация металлов в технике».
Легкие – алюминий, магний.
Тяжелые – медь, свинец.
Тугоплавкие – ванадий, молибден.
Благородные – золото, платина.
Рассеянные – гафний, тантал.
Редкоземельные – лантан, лантаноиды.
Радиоактивные – радий, уран.
Черные – железо и его сплавы.
Цветные – остальные металлы и их сплавы.
2. Газета: «Знаете ли Вы?».
3. Плакаты:
«Ни едино художество, ни едино ремесло простое употребления металлов миновать не может». М.В. Ломоносов.
«Люди гибнут за металл». В.Гете.
4. Коллекция монет и изделий из металла.
5. Запись колокольного звона.
Оборудование: на столе у учителя:
1. Набор металлов (железо, медь, алюминий): алюминиевая фольга, гвоздь железный, спиртовка, спички, зеркало, елочная игрушка, штатив, весы, 2 цилиндра с равным объемом.
2. Реактивы: Аl (SO ), NаОН, КОН, NСl, индикатор фенофталеин.
На столе у учащихся:
Металлы: Ре, Си, Мg, раствор НС1.
1. Стеклянные пластины (2 шт.), вода с пипеткой, «Набор по электричеству», таблицы № 2, № 3. Методическое пособие по проверке электропроводности металлов.
ХОД РАБОТЫ
Постановка цели перед учащимися:
1. Раскрыть причину особых физических свойств металлов.
2. Углубление знаний о применении металлов, их значение в жизни человека.
3.
Формирование целостного представления о взаимосвязи химических,
биологических, физических процессов.
Тема: 1. Общие свойства металлов.
ПЛАН
1. Общие свойства металлов:
а) строение;
б) физические свойства
в) химические свойства.
2. Нахождение металлов в природе.
3. Применение металлов.
4. Значение металлов для живых организмов.
Внимательно осмотритесь вокруг. Где бы вы ни были: дома или в школе, на улице или в транспорте – вы увидите, какое множество металлов трудится вокруг нас и для нас.
Нажали кнопку звонка – и звонкая медь отозвалась заливистым голосом, дав начало или окончание уроку. Повернули выключатель – и тончайшая пружинка из вольфрама наполнила комнату светом. Всего не перечесть, ведь нас окружают десятки металлов. Вот мы и поговорим о них.
Сегодня у нас интегрированный урок. Вы расширите свои знания о физических и химических свойствах металлов, об их биологической роли.
Матросова Л С.
Алхимики считали, что «семь металлов создал свет по числу семи планет». Назовите эти элементы и соответствующие им планеты. (Золото символизировало Солнце, серебро – Луну, медь – Венеру, железо – Марс (Марс – бог войны), олово – Юпитер, свинец – Сатурн, ртуть за необычайную подвижность наградили символом Меркурия – самого подвижного, ловкого и деятельного римского божества.)
Выслушав ответы, Зозуля А.А. читает отрывок из записок алхимика (перевод Н. Морозова):
Семь металлов создал свет
По числу семи планет:
Дал нам космос на добро
Медь, железо, серебро,
Злато, олово, свинец...
Сын мой! Сера их отец!
И спеши, мой сын, узнать:
Всем им ртуть – родная мать!
Что означает слово «металл»? Каков его смысл? (Слово «Металл» означает простое вещество и химический элемент).
Что такое химические элементы? (Вместе с учащимися составляем схему «Общие свойства металлов»).
Сколько электронов на внешнем электронном слое в атомах химических элементов главной подгруппы? Назовите элементы. Металлы это или неметаллы?
Как изменяется химическая активность металлов в подгруппе? Можно ли провести резко границу между металлами и
неметаллами? (Нет, т.к. есть переходные элементы).
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Переходим к изучению физических свойств простых веществ – металлов.
1) Великий русский ученый М.В. Ломоносов так говорил о металлах: «Металлом называется твердое непрозрачное и светлое тело, которое на огне плавить и холодное ковать можно».
О каких физических свойствах металлов идет речь?
Ковкость – способность к пластической деформации. Что такое деформация?
Характерная черта металлов – способность к пластическим деформациям. Под классической деформацией понимают изменениевнешней формы металла кристалла под воздействием внешней силы, не приводящей ни к разрушению на части, ни к изменению объема.
Если кристалл ковкого металла подвергается давлению в определенном направлении, то атомы в нем могут перемещаться параллельноодной из плоскостей. Это явление называют скольжением. Наибольшей способностью к пластическим деформациям обладают металлы со структурами типа меди и магния, в них легко осуществляется скольжение.
Чтобы понять это явление давайте его смоделируем.
Стеклянные пластинки будут играть роль слоев в кристаллической решетке. положите пластинки друг на друга, они легко разъединяются. Теперь нанесите пипеткой 2-3 капли воды на поверхность пластин. Пластины легко скользят, одна относительно другой, но плохо отрываются друг от друга.
Какова роль воды? Прослойка воды играет роль «Электронного газа»
Сообщение учащегося.
Золото – один из самых малополезных металлов.
За всю историю человечества его добыли около 90 тысяч тонн не так уж это много!
Но какими путями и способами добывали этот металл! Ради обладания им велись войны, порабощались государства, сын убивал отца, братья убивали сестер, дети – своих матерей, гибли народы, превращались в пустыни плодородные края, потоками лилась кровь и целыми реками – слезы и пот.
Сколько людей погибло и сколько еще погибнет в борьбе за обладание этим металлом, знает, наверное, один Бог. Всем известны куплеты Мефистофеля: «Люди гибнут за металл». Что же это за такой кровожадный
металл?
Это обыкновенное золото. Из 90 тыс. т. Чуть больше половины лежит в бетонированных подземных складах Национального банка США, расположенного на острове Нокс. Золото охраняется пулеметами и пушками, автоматической сигнализацией, над фортом Нокс патрулируют самолеты.
Золото – металл характерного желтого цвета, в чистом виде настолько мягкий, что легко царапается ногтем. В глубокой древности золото считали не очень подходящим материалом для чеканки монет. Золотые монеты быстро истирались, теряли свою массу, поэтому для производства монет стали использовать сплавы золота с медью. В зависимости от количества в них золота различают пробы: высшая проба – 96 – чистое золото, 92 – ювелирный металл, 88 – 72 – монетный сплав, 56 – 48 – сплав для ювелирных изделий, 36 – сплав для корпусов часов.
Золото – это очень пластичный металл. Из кусочка массой 1 г можно изготовить проволоку длиной 800 м или изготовить очень тонкий лист 200 раз тоньше человеческого волоса. Золото проявляет валентность+1 и +3. По химическим свойствам относится к инертным металлам. На золото не действует ни одна кислота. Исключением составляет смесь концентрированных кислот: одного объема азотной и трех объемов соляной, называемой царской водкой.
Золото – один из красивейших металлов. Древние народысравнивали его с утренней зарей.
Золото используется как валюта, денежный эквивалент труда Высшие награды государств – сделаны из золота. «Профессий» в современной технике у этого благородного металла множество.
С конца ХХ в. Золото применяют в различных отраслях промышленности: электронной радиотехнике, производстве компьютеров (в качестве припоев) и т.д. Позолота предохраняет ценную аппаратуру (например, искусственные спутники Земли). Золото идет на «запасные части» для человека. Из них делают зубные протезы, электроды в кардиостимуляторах, Их вживляют в сердце больных стенокардией. Без золота не действует ни одна АЭС.
С золотом мы сталкиваемся повсюду: на земле, в воде, в воздухе. Известно, например, что в малых количествах оно содержится в виноградном соке, а из одной тонные осины можно выделить 3 мг золота. Только одна из наших рек – Амур – ежегодно выносит в Тихий океан до 8,5 т золота.
Учитель: Из 1 кг золота можно вытянуть до 2 км проволоки, а из образца размером в спичечную головку – прокатать лист площадью 50 м2. Такую тонкую золотую пластинку Эрнест Резерфорд бомбардировал в 1911 г. лучами и пришел к выводу планетарной модели атома.
В природе есть метал, обладающий таким же цветом, что и золото. Это – медь.
Сообщение ученика. Медь широко применялась и применяется для различных нужд. Еще древней Александрии люди чеканили фальшивые золотые деньги из меди.
В чистом виде медь – тягучий, вязкий металл светло-розового цвета с красноватым отливом. Исключительно хороший тепло- и электропроводник, уступает только серебру. Благодаря этому без меди нельзя представить себе электротехнику, машиностроение.
По химическим свойствам медь – довольно инертный металл: ни с водой, ни с разбавленными кислотами не реагирует. При нагревании легко окисляется на воздухе в оксид меди черного цвета, горит в парах серы и в хлоре. Медь легко восстанавливается.
Из представителей животного мира наибольшее количество меди содержат устрицы, осьминоги и некоторые моллюски. Медь входит в состав их дыхательного пигмента. Медь так же содержится в молоке.
Растворимые соединения меди (например, медный купорос) ядовиты. Их используют для борьбы с вредителями сельского хозяйства. Медь необходима также и растениям для процесса фотосинтеза.
Медные монеты, как уже слышали, в России начали чеканить по указу Петра 1, сначала их чеканили из чистой меди. Эти деньги не были удобными, они быстро изнашивались, надписи стирались. Стали искать заменители, более твердые, прочные и недорогие. /Демонстрируется коллекция монет/.
Учитель: В таблице Д.И.Менделеева трудно найти какой-либо иной элемент, с которым так неразрывно связывалась бы жизнь всего человечества. Нет в таблице другого такого элемента, при участии которого проливалось бы столько крови, терялось бы столько жизней, происходило бы столько несчастий. Это железо.
Сообщение ученика. Появление железа в человеческой цивилизации положило начало железному веку. Первое железо, с которым столкнулось человечество, было железом из метеоритов. Самым крупным железным метеоритом является найденный в 1920 г. в Юго-Западной Африке метеорит «Гоба» весом около 60 т.
Ученые предполагают, что страны Малой Азии, где проживали племена хеттов, были местом возникновения металлургии. Из стран Малой Азии «тайны» изготовления железа распространились в Египте, Ассирии, Палестине. В Европу железо пришло из Малой Азии уже в 1 тыс. году до н.э. Так в Европе начался железный век.
Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, вязкий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные примеси лишают его этих свойств: на земном шаре ежегодно «болеет» ржавчиной такое количество железа, которое равняется четверти его главной добычи. Чисто железо в отличие от всех других металлов обладает необычайно высокой склонностью к намагничиванию.
Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обуславливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится без малого 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – СО2 .
Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья.
Примерно 90% всех используемых человечеством металлов – это сплавы на основе железа. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны, дешевы. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.
2). Следующее свойство – твердость.
Наблюдение: гвоздь изогнуть руками нельзя, алюминиевую проволоку можно. Металлы бывают мягкие и твердые.
Какие металлы можно резать ножом? (Калий, натрий). Из хрома и вольфрама делают режущие инструменты и бурильные.
3). Посмотрите в зеркало, какое свойство металлов используют при изготовлении зеркал, елочных игрушек? Способность отражать свет. Металлический блеск и непрозрачность. Какой металл? – Серебро!
4). Очень
важное свойство металлов – электропроводность, широко используется в
электротехнике.
Лабораторная работа: Исследование свойства электропроводности
металлов.
5). Теплопроводность
6). Посмотрите на весы. Как объяснить такой факт, что при одинаковых объемах цилиндров равновесие нарушено?
(Различная плотность.)
7). Нагреем железный гвоздь, алюминиевую проволоку, оловянную проволоку. Почему фольга изменяет форму, а гвоздь нет?
Почему стекают капельки металла из оловянной проволоки, а не из алюминиевой?
(Температура плавления различна. Металлы бывают легкоплавкие и
тугоплавкие.)
Чем обусловлены общие свойства металлов?
Рассмотрите таблицу №2.
Вывод 1: Большему межатомному расстоянию соответствуют более низкие температуры плавления, кипения и меньшая прочность. Большие межатомные расстояния – значит менее прочная связь.
Рассмотрите таблицу № 3.
Вывод 2: Возрастание числа валентных электронов в металле влияет на физические свойства так же, как и изменение межатомного расстояния.
Общий вывод: Причиной общих физических свойств металлов являются различное число электронов и прочность связей между атомами.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Какие химические свойства характерны для металлов и их соединений? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо охарактеризовать строение атомов металлов. (У доски 3 человека. Характеризуют металлы по их положению в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.( Nа, Мg, А1).)
Пока учащиеся готовятся, с классом продолжается беседа.
1. Сколько электронов на внешнем слое в атомах химических элементов главной и побочной подгрупп? (По группам: 1 гр., П гр., III гр.) Назовите их, металлы это или неметаллы?
2. Как связаны свойства металлов с особенностями их электронного строения? (Металлы легко отдают валентные электроны и проявляют свойства восстановления). Подчеркиваем, что резкой границы между металлами и неметаллами нет.
Выслушиваем ответы у доски.
3. Как соединены атомы между собой? Демонстрируем модели кристаллических решеток металлов, об их особенностях рассказываем учащимся.
В этот момент учащиеся проводят эксперимент у доски:
1. Получить гидроксид алюминия и доказать его (амфотерный)характер.
2. NаОН. К какому соединению относится? Доказать его характер. Затем эксперимент выполняют все учащиеся:
Даны три металла. Как определить их химическую активность с кислотой.
НАХОЖДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ В ПРИРОДЕ
Читаем стихотворение Ефима Ефимовского: "Металл – это точность".
Металл – прочность,
Скорость, высота,
Блеск и красота.
Не сразу в дом пришел металл,
Не сразу ложкой, вилкой стал.
Не сразу стал он кружкой
И заводской игрушкой.
И каждый вложит труд в металл,
Чтобы металл трудиться стал.
Он в проводах несет нам свет,
Металл – коньки, велосипед,
Метро, трамвай, будильник,
Утюг и холодильник.
Учитель: Лет 60 назад электрическая лампочка считалась чудом. Это и впрямь чудо, ведь в обыкновенную лампочку входят 9 металлов, каждый со своими свойствами.
Где применяются металлы, их значение мы сейчас рассмотрим.
Ученик: В организме человека находятся 81 химический элемент из 92 встречающихся в природе. Человеческий организм – сложная химическая лаборатория. Трудно себе представить, но ежедневно наше самочувствие, настроение и даже аппетит могут зависеть от минеральных веществ. Без них бесполезными оказываются витамины, невозможны синтез и распад белков, жиров и углеводов.
Рассмотрим биологическую роль некоторых металлов в организме человека.
ЗОЛОТО
Средневековые алхимики считали золото совершенством, а остальные металлы – ошибкой в акте творения и, как известно, прикладывали большие усилия для ликвидации этой ошибки. Идею введения золота в медицинскую практику приписывают Парацельсу, который провозгласил,
что целью химии должно быть не превращение металлов в золото, а приготовление лекарств. Лекарственные препараты из золота и его соединений пытались применять при многих заболеваниях. Им лечили проказу, волчанку, туберкулез. У людей, чувствительных к золоту, оно может вызывать нарушение состава крови, реакцию со стороны почек, печени, влиять на настроение, рост зубов, волос.
МЕДЬ
В человеческом организме наибольшее количество меди содержится в мозге и печени, и одно это обстоятельство указывает на ее важность в жизнедеятельности. Обнаружено, что при болях повышается концентрация меди в крови и спинномозговой жидкости. В Сирии и Египте новорожденным для профилактики рахита и эпилепсии надевают медные браслеты.
АЛЮМИНИЙ
Алюминиевую посуду называют посудой бедняков, так как этот металл способствует развитию старческого атеросклероза. При приготовлении пищи в такой посуде алюминий частично переходит в организм, где и накапливается.
Учитель: В Интернете в 1995 году появилось сообщение, что у студентки Пекинского университета внезапно начались головокружения, сильные кишечные спазмы, жгучие боли в ладонях и ступнях. Затем у нее прядями стали выпадать волосы. Родители срочно отправили ее в больницу, но девушка погрузилась в кому. По мнению врачей головокружения и боли в ладонях и ступнях, а также в суставах указывали на серьезное невралгическое расстройство. Однако пункция позвоночника не выявила никаких отклонений. Анализы на отравление мышьяком и свинцом оказались отрицательными. Действие какого металла на организм человека связано с выпадением волос? (Таллия).
Что произойдет с организмом при действии на него цинка?
Какие последствия для человеческого организма может иметь удаление из него всех металлов?
Рассмотрим таблицу.
Затем учащиеся проводят лабораторный опыт, цель которого – экспериментально доказать действие солей некоторых металлов на белок. Они смешивают белок с растворами щелочи и медного купороса и наблюдают выпадение фиолетового осадка. Делают вывод о разрушении белка.
Рассматриваем далее значение металлов для человека. Обращаем внимание учащихся на картофельный клубень. В таблице приведены сведения о содержании металлов в картофеле. Поскольку картофель мы съедаем, то все металлы, содержащиеся в нем, попадают в наш организм.
Мы часто говорим об охране растений, животных. А надо ли охранять человека?
Человек – он ведь тоже природа.
Он ведь тоже закат и восход.
И четыре в нем времени года.
И особый в нем музыки ход.
И особое таинство цвета,
То с жестоким, то с добрым огнем.
Человек – он зима. Или лето.
Или осень. С грозой и дождем.
Все вместил в себя – версты и время,
И от атомных бурь он ослеп.
Человек – он и почка, и семя.
И сорняк среди поля. И хлеб.
И какая в нем брезжит погода?
Сколько в нем одиночества? Встреч?
Человек – он ведь тоже природа...
Так давайте природу беречь!
Делаем вывод об огромной роли металлов в организме человека и природе.
Рассказ учителя.
Вы познакомились с тремя металлами. Мы не сравнивали их между собой по важности. Их сравнивал великий русский
поэт. Мне хочется напомнить слова А.( .Пушкина, написанные им 1826 году:
«Все мое», – сказало злато;
«Все мое», - сказал булат.
«Все куплю», - сказало злато;
«Все возьму», - сказал булат.
«Золото и булат»
Заключительная часть
Задание на дом слушайте внимательно:
Перемена, перемена
Заливается звонок.
Наконец-то он закончен,
Надоедливый урок!
Дернув серу за косичку,
Мимо магний пробежал.
Иод из класса испарился,
Будто вовсе не бывал.
Фтор поджег случайно воду,
Хлор чужую книжку съел
Углерод вдруг с водородом
Невидимкой стать успел.
Калий, бром в углу дерутся:
Не поделят е.
Кислород – шалун на хроме
Мимо проскакал верхом.
Домашнее задание: Составить уравнение реакций, которые возможны, используя простые вещества и их соединения, прозвучавшие в этом стихотворении.
