Интегрированный урок по географии и химии: Металлы в природе. Общие способы их получения

С.С. Мастюга – учитель географии, МБОУ СОШ № 17,
И.Дз. Ревазова – учитель химии, МБОУ СОШ № 17
Интегрированный урок по химии и географии
ТЕМА: «Металлы в природе. Общие способы их получения.» (ВРЕМЯ 80 МИН)
Цели урока: познакомить учащихся с природными соединениями металлов и с самородными металлами. Дать понятие о рудах и металлургии. Обеспеченность России металлами. Познакомить с географией цветных металлов, факторами размещения металлургических предприятий, экологическими проблемами цветной металлургии.
Оборудование: коллекция «Минералы и горные породы», стальная скрепка, раствор медного купороса, ряд активности металлов, демонстрационная карта цветной металлургии России, атласы, компьютер, проектор.ХОД УРОКА.
Организационный момент.
(Прежде, чем начать урок, мы в пробирку с раствором медного купороса голубого цвета поместим стальную скрепку и отставим в сторонку.)
Целеполагание и мотивация
УЧЕНИК. Издавна семь металлов известны человечеству: медь, железо, золото, серебро, олово, свинец, ртуть. С медью человек был знаком еще до железа, приблизительно 10 тысяч лет, а 9 тысячелетий назад каменный век на Переднем и Ближнем Востоке уступили место медному. Свинец был известен людям, живущим 7-9 тысяч лет назад. Металл легкоплавкий, поэтому оказался доступным человеку. Олово – второй металл, который стал применять человек (в сплавах с медью). Использование олова означало начало бронзового века. Самая отдаленная от нас нижняя временная граница его 6000 лет (Передний и Ближний Восток) Находки оловянных изделий в захоронениях Древнего Египта, позволяют говорить о том, что уже3800-3500 лет назад люди могли производить олово в чистом виде. Примерно около 5 тысяч лет назад в Вавилоне из сурьмы и ее сплавов делали сосуды. Материалы археологических раскопок утверждают, что 11-12 (а по некоторым данным 14) тысяч лет назад, т.е. за 8 тысячелетий до наступления бронзового века, женщины Африки, колыбели человечества, уже носили золотые бусы, подвески из расплющенных самородков. При раскопках захоронений египетской знати, обнаруживают большое количество разных изделий из золота. Из египетских папирусов сегодня известно, что 2150 лет назад в Египте добывалось как минимум 50 тонн золота в год. Ртуть известна людям еще с доисторических времен и использовалась в древней медицине. Греческий врач Диоскорид более 2000 лет назад дал этому металлу латинское название «гидраргирум» - в переводе «серебряная» вода. В конце 19 века никель относился еще к очень редким металлам. Из него изготовляли кулоны и браслеты. Когда никель считался «драгоценным» металлом (конец 19 века), были открыты крупные залежи его на вулканических и коралловых островах Тихого океана – Новой Каледонии. До 1990 г. никелевая промышленность Новой Каледонии занимала 1 место в мире.
В современном мире человек не может обойтись без металлов. Ежегодно добывается огромное количество различных металлов, которые используются во всех отраслях народного хозяйства.
Актуализация знаний.
ХИМИК. Учащимся предлагается ответить на вопросы:
1.В каком виде металлы встречаются в природе? (Большинство в виде соединений.)
2.Какие металлы встречаются в природе в самородном виде? (Благородные металлы. Здесь же уточняется, что они в электрохимическом ряду напряжений стоят в самом конце, т.е. они малоактивные. А если металлы находятся в самом начале ряда напряжений, то они очень активны, поэтому в природе могут встречаться только в виде соединений.)ГЕОГРАФ. Цветная металлургия является одной из старейших отраслей современной промышленности. Она включает добычу руд, их обогащение, выплавку черновых металлов и их рафинирование (очистку), производство сплавов и проката.
\s
ХИМИК. В виде каких соединений металлы могут встречаться в природе? Металлы, стоящие в ряду напряжений до алюминия – это соли:
- хлориды – KCl – сильвин, NaCl – галит, или каменная соль, KCl∙NaCl – сильвинит;
- нитраты – NaNO3 – чилийская селитра;
- сульфаты – CaSO4∙2H2O – гипс, Na2SO4∙10H2O –глауберова соль;
- карбонаты – CaCO3 – мел, мрамор, известняк; MgCO3 –магнезит; CaCO3∙ MgCO3 – доломит;
- сульфиды – FeS2 – серный колчедан; ZnS – цинковая обманка;
- фосфаты – Ca3(PO4)3 – апатит;
Природные соединения других металлов – это оксиды: Al2O3, CuO, Fe2O3.
(Демонстрация коллекции минералов и горных пород). Природные минеральные соединения, из которых технологически возможно и экономически целесообразно извлекать металл, называют рудами.
ГЕОГРАФ.
Название металла Металлосодержащая руда Главные месторождения
Медь Самородная сера (100% меди); халькопирит, или медный колчедан; куприт; малахит; халькозин или медный блеск Красно Уральск (Свердловская область), Ревда (Свердловская область), Гай, Сибай, Баймак.
 Талнахское (север Красноярского края).
Удоканское в Читинской области.
Свинец Галенит, или свинцовый блеск (сульфид, содержит до 86%), церрусит, англезит  Красноярский, Алтайский, Приморский края и о. Новая Земля (Архангельская обл.), Горевском (Красноярский край), Республика Бурятия.
Цинк Сфалерит, цинкит Садонское (Северная Осетия), Салаир (Кемеровская область)
Нерчинские месторождения (Читинская область)
Дальнегорское (Приморский край)
Алюминий Бокситы, нефелины, алуниты бокситы – Бокситогорск (Ленинградская область), Северо-Онежское - Плесецк (Архангельская область), Североуральск (север Свердловской) области)нефелины и апатиты в Хибинах (Кольский полуостров), Горячегорск (у г. Ужур), Шалтырское месторождение – Кия (юг Красноярского края)
Олово Касситерит (диоксид олова, содержит 78% металла), станнин (сульфид меди, железа и олова, содержит 27% металла) Шерловая гора (Читинская область)
Хабчеранга (Читинская область)
ЭСЕ-Хайя – в бассейне р. Лена (республика Саха)
Облучия (Еврейская автономная область)
Солнечный (Комсомольск-на-Амуре)
Кавалерово (Хрустальное) – Приморский край
Никель Железо-никелевый колчедан, никелин (красный никелевый колчедан), нумеит. Европейский Север, Оренбургская область, север Сибири
ХИМИК. Руды являются основным сырьем металлургии – отрасли промышленности, производящей металлы. Для извлечения металлов используют руды, содержащие металл в достаточном количестве в виде соединений, доступных для химических превращений. При этом учитывается также распространенность металла в природе. Так, титан извлекают из руд с массовой долей TiO2 6-30%. В производстве вольфрама применяют руды, которые содержат 0,14-0,5% WO3.
ГЕОГРАФ. На размещение предприятий цветной металлургии оказывают влияние особенности используемых руд. На размещение предприятий, производящих тяжелые цветные металлы, основное влияние оказывает низкое содержание металла в руде (например, в медной руде лишь около 1%). Низкое содержание металла в руде требует обязательного ее обогащения, обычно флотационным способом.
Процесс флотации, основанный на различной степени смачиваемости металла и породы, заключается в том, что специальный сосуд заполняется смесью из воды и измельченной руды (пульпа), в которую, для создания прочной флотационной пены, добавляют специальные вещества (сосновое масло и другие). Кроме того в пульпу падают воздух. В результате частицы, содержащие металл и плохо смачивающиеся водой, прилипают к пленке пенообразователя и вместе с пузырьками воздуха, которые увлекают их вверх, всплывают на поверхность пульпы в виде пены. Собранные и обезвоженные, они образуют концентрат. Частицы пустой породы, смоченные водой, опускаются на дно фильтрационного аппарата.
Так как руды цветных металлов содержат много различных ценных компонентов, применяют многостадийную флотацию, последовательно выделяя каждый компонент. После обогащения содержание меди повышается в 10-15 раз и достигает 10-20%, а свинца и цинка – в 25-30 раз и достигает 55-60%. Обогащённая руда плавится в специальных печах и превращается в так называемый черновой металл, который подвергается очистке от вредных примесей. Обогатительные фабрики и производство черновых металлов размещаются в местах добычи сырья, а производство сплавов и проката тяготеет к центрам машиностроения.
Первичная проверка понимания.
УЧЕНИКАМ ПРЕДЛАГАЕТСЯ ПОПАРНО С ПОМОЩЬЮ КАРТЫ АТЛАСА (ИЗДАТЕЛЬСТВО ДИК ДРОФА – М. 2013) ЗАПОЛНИТЬ ТАБЛИЦУ (7 МИН), РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЬ С ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ ТАБЛИЦЕЙ
Название металла Центры производства
Медь Красно-Уральск Кировоград, Ревда, Медногорск, Карабаш,
Кыштым, Верхняя Пышма.
Свинец Горевск, Дальнегорск, Владикавказ
Цинк Дальнегорск, Владикавказ
Челябинск, Белово, Дальнегорск (Приморский край)
Алюминий Кандалакша (Кольский полуостров)
Надвоицы (Карелия),
Волхов (Ленинградская область)
Волгоград
Краснотурьинск (север Свердловской области)
Каменск-Уральский (юг Свердловской области)
Саяногорск, Красноярск,
Братск, ШелеховОлово Подольск, Кольчугино (север Владимирской области), Санкт- Петербург, Новосибирск.
Никель Мончегорск, Никель, Норильск, Орск
ХИМИК. Каким образом можно получить металлы из из руд? В основном – это процесс восстановления металлов из их соединений, суть которого можно выразить схемой:
Me+n + ne- → Me0
В зависимости от условий, в которых проводят процесс, различают пирометаллургические и гидрометаллургические методы.
Пирометаллургия – это процесс получения металлов восстановлением их соединений при высоких температурах. При этом в качестве восстановителей применяют углерод (в виде кокса и других видов угля) или оксид углерода (II) – это карботермия:
А) NiO + C → Ni + CO – реакция протекает при высокой температуре ˃ 1000оС; - (ученикам предлагается расставить степени окисления и показать переход электронов).
Б) Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2 – это наиболее дешевый способ, экологически грязный, получаемое железо содержит много примесей. - расставить степени окисления и показать переход электронов.
Другой распространенный восстановитель – водород – водородотермия – при помощи которого получают молибден, вольфрам, железо и др. металлы:
MoO3 + 3H2 → Mo + 3H2O - расставить степени окисления и показать переход электронов.Процесс восстановления соединений с помощью активных металлов (Al, Mg), называется металлотермией. Если в качестве металла-восстановителя используют алюминий, то соответствующий процесс восстановления называют алюмотермией. Этот метод получения металлов был предложен русским ученым Н.Н. Бекетовым. Этот метод используется для получения многих металлов, например, железа (видеоопыт http://www.youtube.com/watch?v=im7rbKBtFIk):
3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3 - расставить степени окисления и показать переход электронов.
Пирометаллургические процессы включают обжиг, при этом содержащиеся в рудах соединения металлов, в частности сульфиды, переводят в оксиды, например:
2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2 , - расставить степени окисления и показать переход электронов.
и плавку, при этом происходит восстановление металлов из их оксидов с помощью угля, водорода, оксида углерода (II), более активного металла:
PbO + CO → Pb + CO2 - расставить степени окисления и показать переход электронов.
Гидрометаллургия – получение металлов восстановлением их соединений в водных растворах. При этом переработанную руду обрабатывают подходящими реагентами для перевода соединения металла в раствор. В качестве растворителей используют воду, кислоты, растворы щелочей. Из раствора металл можно выделить с помощью другого металла или электрическим током. Например, при получении меди оксидные или карбонатные руды растворяют в серной кислоте:
CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O;
И затем медь вытесняют из раствора сульфата меди (II) железом:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
(лаб.опыт – «Взаимодействие стальных скрепок (Fe) с раствором медного купороса», пришло время посмотреть, что произошло в пробирке со скрепкой и медным купоросом.)
Электрометаллургия – способ получения металлов с помощью постоянного электрического тока (электролиза). Этим способом получают в основном легкие металлы: алюминий, щелочные и щелочноземельные металлы из расплавов их оксидов, гидроксидов и хлоридов.
УЧЕНИК. На Парижской выставке 1855 г. алюминий демонстрировался как самый редкий металл. Он был тогда чуть ли не в 10 раз дороже золота. В 1883 г. его выработка во всем мире не достигала и 3 т. В природных соединениях – глиноземах алюминий прочно связан с другими элементами, и его извлечение из минералов требовало больших затрат. Сто лет назад американский студент Чарльз Мартин Холл, услышав от своего учителя, с какими трудностями сопряжено восстановление оксида алюминия из глиноземов решил заняться этим. В дровяном сарае он оборудовал лабораторию самодельными и взятыми на прокат аппаратами и открыл, что глинозем можно растворить при 950оС в расплавленном минерале криолите, а получив раствор оксида, можно путем электролиза выделить и сам алюминий. Тогда же французский металлург Поль Эру разработал тот же метод получения алюминия. Метод Холла-Эру сделал возможным промышленное получение алюминия.
ЗАДАНИЕ. Предложить схему получения цинка из цинковой обманки ZnS составить уравнения реакций, расставить степени окисления и показать переход электронов:
ZnS → ZnO → Zn
2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2
ZnO + C → Zn + CO
Или 3ZnO + 2Al → 3Zn + Al2O3
ЗАДАЧА 1. В раствор, содержащий 16 г сульфата меди (II), поместили 4,8 г железных опилок. Какие вещества образовались и какова их масса?
Дано: Решение.
m(CuSO4) = 16 г 16 г 4,8г х г y г
m (Fe) = 4,8 г CuSO4 + Fe →FeSO4 + Cu
______________ 160 г 56 г 152 г 64 г
m1, m2 -?Находим избыток-недостаток по коэффициентам пропорциональности:
k(CuSO4) = 16г/160г = 0,1 избыток
k(Fe) = 4,8г/56г = 0,0857 недостаток
решаем по недостатку:
x = 4,8г∙152г/56г = 13,03 г (FeSO4)
у = 4,8г∙64г/56г= 5,49 г (Cu)
Ответ: m(FeSO4) = 13,03 г; m(Cu) = 5,49 г.
ЗАДАЧА 2. Концентрат титановой руды содержит TiO2 (массовая доля 40%). Определить массу титана, который может быть получен из 250 кг концентрата, если выход металла составляет 90% от теоретически возможного.
Для решения данной задачи класс делится на 3 варианта, которым предлагается получить титан разными способами, а затем сравнить полученные результаты.
Дано: Решение.
mсм = 250 кг TiO2 + 2H2 → Ti + 2H2O
ω(TiO2) = 0,4 m(TiO2) = mсм∙ω= 250кг∙0,4 = 100 кг
ɳ(Ti) = 0,9 n(TiO2) = m/M = 100 кг/80кг/кмоль = 1,25 кмоль____________ n(Ti) = n(TiO2) = 1,25 кмольmпр(Ti) - ? mт(Ti) = nM = 1,25кмоль∙48кг = 60 кг
mпр (Ti) = mт∙ɳ = 60кг∙0,9 = 54 кг
Ответ: mпр (Ti) = 54 кг.

ГЕОГРАФ. Россия занимает 3 место в мире по производству цветных металлов. На долю России приходится 3% мирового производства меди, 40% - палладия, 20% - никеля. Обеспеченность нашей страны разными видами сырья составляет: бокситами, свинцом, цинком – 100 лет; оловом, вольфрамом – 50-60 лет; медью, никелем – 70-90 лет; молибденом – 130 лет. Цветная металлургия России развивается в основном на собственном сырье.
Название металла Свойства Использование
Медь Металл красного цвета, ковкий, тягучий, хорошо сплавляется с другими металлами, легкоплавкий, электропроводный.
Электротехника, средства связи, авиационная промышленность, приборостроение, химическая промышленность, автомобилестроение.
Свинец Белый металл, мягкий, ковкий, имеет низкую температуру плавления, химически стоек, не пропускает рентгеновские лучи, сплавляется с другими твердыми металлами. Производство аккумуляторов, красок, кабеля, дроби, фольги, защитных экранов от радиоактивного излучения.
Цинк Белый металл, обладающий низкой температурой плавления, устойчив против коррозии, способен давать сплавы Производство латуни, бронзы, мельхиора, антифрикционного металла, типографского сплава, аккумуляторных батарей.
Алюминий Металл серебристо - белого цвета легкий, его температура плавления 660 градусов Цельсия. Металл характеризуется высокой электропроводностью, теплопроводностью, хорошей пластичностью, механической прочностью, антикоррозийностью. Авиационная и автомобильная промышленность; производство вагонов, автоцистерн, речных и морских судов, ЛЭП, трубопроводов, стрел подъемных кранов, нефтяных и буровых вышек.
Олово Серебристо-белый металл,
имеет низкую температуру плавления и высокую температуру кипения. Он очень мягкий и ковкий, химически устойчивый по отношению к воде, кислороду, кислороду, органическим кислотам. Безвредность солей олова для здоровья человека и способность раскатываться в тонкие листы, или фольгу, обеспечивают широкое применение металла в пищевой промышленности. Олово используется в автомобильной промышленности, самолетостроении, в атомной промышленности, для изготовления полупроводников в радиотехнике.
Никель Серебристо-белый тугоплавкий металл. Он тверд, гибок, ковок, тягуч, хорошо поддается полировке, химически малоактивен Никелевая сталь идет на производство брони, орудийных стволов, используется в машиностроении, судостроении, авиастроении (особенно в реактивной авиации), ракетостроении, приборостроении, в химической и пищевой промышленности. Он широко используется для никелирования изделий (улучшает внешний вид, предохраняет от коррозии). Сейчас известно более 3000 никелевых сплавов.
УЧЕНИК. Одной из острейших проблем на современном этапе развития металлургического комплекса России являются рациональное природопользование и охрана окружающей среды. По уровню выбросов вредных веществ в атмосферу и водоёмы, образованию твёрдых отходов металлургия превосходит все сырьевые отрасли промышленности, создавая высокую экологическую опасность её производства. На ее долю приходится 20% всех промышленных выбросов. Ежегодно металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу 10 млн. тонн вредных веществ, среди которых гигантское количество разнообразных металлов, только один медеплавильный завод, производящий в год 125 тыс. тонн меди, выбрасывает в атмосферу 2 млрд. м 3 газов и 43 тыс. тонн пыли. При этом теряются 6 тыс. тонн меди и сера, которой хватило бы для приготовления 650 тыс. тонн серной кислоты. При открытой добыче руд из хозяйственного оборота изымаются десятки тысяч гектаров земли. Суммарный ущерб, наносимый металлургическим комплексом природе, оценивается 500 млрд. рублей в год.
ГЕОГРАФ. Загрязнение окружающей среды предприятиями металлургического комплекса является одной из наиболее важных проблем, стоящих перед нашей республикой. В экономике РСО-А металлургический комплекс занимает важное место. Современный металлургический комплекс Северной Осетии состоит из Садонского свинцов-цинкового комбината, заводов «Электроцинк», «Победит», «Кристалл», «Магнит», а также предприятий, занимающихся сбором, переработкой лома и отходов цветных и черных металлов.
Особое место в металлургическом комплексе республики принадлежит заводу «Электроцинк», основная продукция которого – свинец, цинк, кадмий, индий, серная кислота, медный купорос.
Тяжелые металлы и их соединения, сернистый ангидрид и другие вещества вызывают деградацию среды обитания и наносят непоправимый вред здоровью населения.
Так, аэрозоли соединений свинца могут приводить к отставанию физического развития детей.
УЧЕНИК. Свинец токсичен для нервной системы, печени, почек и органов кроветворения. Симптомы отравления свинцом проявляются в виде повышенной возбудимости, депрессии и раздражительности.
Ионы цинка, попадая в организм, нарушают нормальный газовый обмен, что приводит к развитию кислородного голодания. Аэрозоли и соли серной кислоты приводят к раздражению верхних дыхательных путей, учащению приступов астмы, повышению смертности при хронических заболеваниях легких.
Лица, контактирующие с кадмием, страдают дисфункцией почек и эмфиземой легких. Кадмий способствует образованию камней в почках, малокровию, вызывает заболевание нервной системы и костных тканей.
Нельзя использовать посуду из цинка для приготовления пищи и даже для хранения воды, так как цинк вызывает онкологические заболевания и болезни костно-мышечной системы
УЧЕНИК. Отравление свинцом (сатурнизм) – представляет собой пример наиболее частого заболевания, обусловленного воздействием окружающей среды. В большинстве случаев речь идет о поглощении малых доз и накопление их в организме, пока его концентрация не достигнет критического уровня необходимого для токсического проявления. Острые свинцовые отравления встречаются редко. Их симптомы – слюнотечение, рвота, кишечные колики, острая форма отказа почек, поражение мозга. В тяжёлых случаях – смерть через несколько дней.
Экологическая ситуация усугубляется тем, что г. Владикавказ расположен в котловине, окаймленной горами. Это ограничивает процесс воздухообмена и, соответственно, самоочищения воздушного бассейна города. По количеству отходов на единицу вырабатываемой продукции цветная металлургия занимает ведущее положение. Всего на промышленных площадках заводов «Электроцинк» и «Победит», а также на Мизурском хвостохранилищем Садонского свинцово-цинкового комбината скопилось 6 млн. тонн отходов. Эти отходы становятся основным источником загрязнения окружающей среды, тогда как их можно было бы использовать в качестве вторичного сырья.
РЕФЛЕКСИЯ. Современная металлургия– «ЗА» и «ПРОТИВ».
1. Кто «ЗА» то, что металлургия имеет большое значение в хозяйстве?
2. Кто «ЗА» то, что металлургия – очень вредное производство?
3. Быть или не быть металлургии – вот в чем вопрос.
4. металлургический комплекс для РСО-А больше зло, или благо?
МЕТАЛЛУРГИЯ – ЭТО НАШЕ ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ. А БУДУЩЕЕ?..
Домашнее задание. География § 9, на контурной карте отметить металлургические базы страны;
Химия - § 12, стр. 80 № 1-6.
Используемая литература:
М.Д. Бадов, М.Р. Дреев – География Республики Северная Осетия – Алания: учебник для 8-9 кл – Владикавказ, Ир, 2003г – 208с
В.Д. Войлошников, Н.А. Войлошникова - «Книга о полезных ископаемых», Москва «Недра», 1991 г
Е.А. Таможняя, С.Г. Толкунова - География, Издательский центр «Вентана-Граф», 2009
О.С. Габриелян – Химия. 9 кл. - Москва, Дрофа, 2013
О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов – Настольная книга учителя. Химия 9 класс. – Москва, Дрофа, 2002
О.С. Габриелян, Г.Г. Лысова, А.Г. Введенская – Настольная книга учителя. Химия 11 класс, часть 2. – Москва, Дрофа, 2003
Ф.Г. Фельдман, Г.Е. Рудзитис – Химия 9 класс – Москва, Просвещение, 1994
И.Г. Хомченко – Общая химия – Москва, Химия, 1987
Интернет-ресурсы