Железо: общее представление

Урок-путешествие

Цели. Сформулировать общее представление об элементе железо и о простом веществе железо, закрепить знания о химических свойствах металлов и переходных элементах; продолжать развивать речь учащихся, знакомить их со способами запоминания материала, учить работать с опорным конспектом, развивать навыки работы с реактивами, учить рассуждать и обобщать; составить представление о правильном питании, режиме и рационе питания, осуществлять межпредметные связи география – биология – химия.
Оборудование и реактивы. Физическая карта России, опорный конспект «Железо», таблица «Пищевые источники Fe», пробирки; минералы, содержащие железо, растворы KSCN, FeCl₃, FeCl₂, K₃[Fe(CN)₆], K₄[Fe(CN)₆], CuSO₄, HCl, KOH; Fe.

ХОД УРОКА

Учитель. Сегодня мы отправляемся в поход за знаниями об удивительном металле. Нам уже известно, что в истории химии металлов и человеческого общества выделяют три эпохи: медный, или бронзовый, век, железный век и век недоступных ранее металлов – алюминия, магния и др.
Железный век наступил тогда, когда человек смог поднять температуру пламени в печах до 1540 °С, т.е. до точки плавления железа. Железный век длится до сей поры, ведь все, начиная от швейной иглы до современного спутника связи, не может существовать без железа.

В путешествие обычно берут карту-путеводитель, фотопленку, хорошо бы пригласить экскурсовода. Все это у нас есть, но сначала проверим, прочен ли наш тыл. (актуализация опорных знаний.)
Итак, железо... Оно гармонично вошло в наш быт, часто можно услышать такие выражения: «железные нервы», «стальной характер». В эти метафоры вложено яркое представление о свойствах железа.
Первым двинется от начальной станции тот, кто даст характеристику железу как элементу, пользуясь периодической системой.
Самостоятельная работа в тетради. На уроке учащиеся пользуются планом-путеводителем. Они записывают согласно плану необходимые сведения в тетради.

ПЛАН-ПУТЕВОДИТЕЛЬ

Отличие сверхчистого железа от технически чистого.

Минералы, из которых извлекают железо (вписать в таблицу необходимое).

Биологическое значение железа.

Обнаружение в растворах ионов Fe²⁺ и Fe³⁺.

Продукты питания, содержащие железо.

Как на заводах получают сплавы железа – чугун и сталь?

Химические свойства железа как простого вещества.

Станция «Историческая»

Экскурсовод. Первое железо, попавшее в руки человека, очевидно, было небесного происхождения, т.е. метеоритное. Об этом говорит наличие изделий из железа у жителей Гренландии, не имевших никакого понятия о железной руде. В древности железо ценилось очень высоко. В документах древнегреческого оратора и поэта Страбона (90 г. до н.э.) сказано, что у африканских народов железо стоило в 20 раз дороже серебра и в 6400 раз дороже меди. Метеоритное железо всегда самородное. Оно относится к сверхчистому железу. Правда, из-за содержащейся примеси никеля почти не поддается ковке. Как ни странно, его следует обрабатывать только в холодном виде, а не в разогретом, как обычное железо.
Согласно легенде, оружейники, которые не знали этого секрета и не сумели отковать меч из «небесного камня», были безжалостно казнены. Только спустя много столетий эта загадка была разгадана. В ХVIII в. оружие из никелистого железа появилось у индийского раджи, сабли из уникального металла были у легендарного героя С.Боливара и у российского царя Александра I.
Интересно, что чистое железо не ржавеет. Классический пример – Кутубская колонна в Индии, которая стоит уже 1,5 тыс. лет и не разрушается, несмотря на влажный и жаркий климат. В гробницах египетских фараонов вместе с золотыми украшениями находят железные лезвия, кинжалы, бусы. Железо обнаружено даже на Марсе и на Луне, причем в лунном грунте оно присутствует также в самородном состоянии.
Алхимики обозначали железо символом планеты Марс – кружком со стрелкой (см. опорный конспект на с. 21).

Станция «Геологическая»

Экскурсовод. Земное железо чаще встречается в виде минералов. (демонстрация коллекции.) Магнетит Fe₃O₄ добывается на Урале, лимонит – в районе Курской магнитной аномалии (идет работа по физической карте), пирит FeS₂ – на Урале, у города Братска есть небольшое месторождение сидерита FeCO₃. Эти минералы часто называют по-другому: железный шпат FeCO₃, железный колчедан FeS₂, магнитный железняк Fe₃O₄, бурый железняк 2Fe₂O₃•3H₂O. По запасам в земной коре железо занимает четвертое место среди всех элементов после кислорода, кремния и алюминия. Ядро планеты, по мнению ученых, состоит из никеля и железа.
Редчайший каприз природы – самородное железо земного происхождения. Такое железо получается в уникальных геологических условиях – там, где потоки расплавленной лавы, богатой оксидом железа, на своем пути встречают пласты каменного угля. Уголь восстанавливает железо до очень чистого металла:

Великий И.В.Гете однажды сказал: «Просто знать еще не все, знания надо уметь использовать».

Станция «Практическая»

Экскурсовод. Рассказывая о свойствах и применении железа, нужно оговориться, о каком железе идет речь – о железе высшей чистоты или о технически чистом железе. Разница в их свойствах ощутимая. Высокочистое железо инертно, а технически чистое – металл средней активности, который используется в качестве конструкционного материала. Высокочистое железо слишком дорого для этого.
Без соединений железа мы не смогли бы прожить. Растениям этот элемент необходим для образования хлорофилла. Многие краски, какими обладает Земля, например, цвета минералов граната и нефрита (рис. 1, 2), зависят от присутствия в них окисленного железа.

Основная масса железа, содержащегося в организме человека, находится в крови – в эритроцитах – и определяет цвет крови (табл. 1).

Таблица 1

Распределение железа в организме человека, %

Примечание. За 100% принимается масса всего железа в организме человека.

У здорового человека каждые сутки вырабатывается 200 млрд эритроцитов, а за жизнь – 5•10²³, масса которых 500 кг. Чтобы приготовить 0,5 т эритроцитов нужно 0,5 кг железа. В организм железо поступает с пищей (табл. 2). В пищевых продуктах содержится трехвалентное железо, а клетки кишечника пропускают только двухвалентное. Минуя пищевод и попав в кишечник, восстанавливается в . Усваивается 2–20% железа, причем из продуктов растительного происхождения – 2–8%. Если человек плохо пережевывает пищу, не восстанавливается и остается недоступным. На усвоение влияет и состав пищи. в присутствии витамина С и фруктозы легко растворяется и усваивается. Но есть враги железа – это чай, кофе, яичные желтки. В их присутствии железо образует труднорастворимые соединения. У человека, страдающего недостатком железа, развивается малокровие, или железодефицитная анемия.

Таблица 2

Содержание железа в продуктах питания

Экспериментально доказано, что у здоровых мужчин и женщин однократный прием умеренной дозы алкоголя вызывает усиленное выделение через кишечник железа, алюминия, цинка, что приводит к дефициту этих металлов в организме.
Как можно искусственным путем получить кровь? Для этого возьмем два прозрачных раствора и сольем их. Конечно, это кровь ненастоящая и непригодна для операций, зато так можно определять наличие в растворах ионов Fе³⁺ (рис. 3):

Рис. 3. Цветная реакция образования роданида железа(III)

Также с целью обнаружения ионов Fe³⁺ в растворе пользуются желтой кровяной солью
K₄[Fe(CN)₆], которая в присутствии Fe³⁺   дает синее вещество – берлинскую лазурь.
Ионы Fe²⁺  можно обнаружить другим комплексным соединением – красной кровяной солью, при этом получается турнбулева синь. (Демонстрация опытов:

(см.: «Химия», 2003, № 20, с. 15).)
Эти вещества долгое время широко применялись в качестве красителей тканей и волокон.
Железо – это основа современной техники, машиностроения, средств связи, космических кораблей и вообще всей современной промышленности и цивилизации. Чугун и сталь – сплавы, основу которых составляет железо. Чугун получают из железной руды в доменных печах. Это башня высотой с девятиэтажный дом, расширенная книзу. Стены изнутри выложены огнеупорным кирпичом, а снаружи обшиты стальными листами. Загрузочное устройство имеется на верху доменной печи. Жидкий чугун удаляется через отверствия горна нижней части доменной печи (рис. 4).

Рис. 4. Схема доменной печи в разрезе

В доменном процессе главная задача – восстановление железа из руды коксом, поэтому в чугуне содержатся довольно большие количества углерода (4%), кремния (2–3%), серы и фосфора (до 0,03%). Сера придает сплаву красноломкость, фосфор – хладноломкость. Процесс удаления этих элементов, а также уменьшения количества углерода и кремния приводит к получению стали. Во второй половине XIX в. английский инженер Генри Бессемер изобрел аппарат для превращения чугуна в сталь – конвертер (рис. 5). В 1864 г. французский металлург Пьер Мартен изобрел другой способ выплавки стали – мартеновский.

Рис. 5. Бессемеровский конвертер

Станция «Химическая»

Учитель. Поистине железо – таинственный и незаменимый элемент. Последняя на сегодня – станция «Химическая». Она непрестанно строится, и здесь всегда нужны специалисты. Вам, ребята, потребуется вспомнить общие свойства металлов и разъяснить некоторые результаты реакций.
На столах учащихся находятся реактивы: Fe, растворы CuSO₄, FeCl₂, НСl, КОН. Проводится лабораторный эксперимент, учащиеся осуществляют следующие реакции:

Fe + СuSO₄ = FeSO₄ + Сu,

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂,

FeCl₂ + 2KOH = Fe(OH)₂ + 2KCl.

Учитель. Какие химические свойства железа как металла вы можете еще назвать?
Учащиеся пишут уравнения реакций:

3Fe + 4H₂O = Fe3O₄ + 4H₂,

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃.

ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ

Учитель. В завершении путешествия поделитесь своими впечатлениями. Для этого допишите предложения, посвященные сегодняшнему дню.

Сегодня я узнал … .
Я удивился … .
Теперь я умею … .
Я хотел бы … .

Учитель (обращается к опорному конспекту (рис. 6)). Вот такая общая «фотография» получилась у нас сегодня. Чтобы повторить и лучше запомнить главные моменты урока, прокомментируем ее.

Рис. 6. Опорный конспект «Железо»

ЛИТЕРАТУРА

Габриелян О.С. Химия. 9 класс. М.: Блик-Плюс, 1997;
Аликберова Л.Ю. Занимательная химия. М.: Аст-пресс, 1999;
Ивченко Л.А., Макареня А.А. Железо и здоровье человека. Химия (ИД «Первое сентября»),
2000, № 26, с. 4–12;
Энциклопедический словарь юного химика. Сост. В.А.Крицман, В.В.Станцо. 2-е изд., испр.
М.: Педагогика, 1990, с. 81–83.

Т.Н.НОВИКОВА,
учитель химии
(с. Старый Урюп,
Тяжинский р-н,
Кемеровская обл.)