План-конспект урока

Тема урока: «Физико-химические свойства неорганических веществ».

Дата: Группа:

Цели:

Образовательные:

ознакомить с атомно-кристаллическим строением металлов, типами

кристаллических решеток; физическими и химическими свойствами металлов; выяснить основные

причины появления коррозии и знать основные методы защиты.

Развивающие: развить умение добывать знания, используя интернет ресурсы; работать в

группах: наблюдать, обобщать, анализировать и делать выводы; качества личности; объективность в

оценках и самооценке.

Воспитательные:

Воспитывать настойчивость и упорство в достижении цели,

интерес к

предмету;

воспитание познавательного интереса к выбранной профессии и развить высокий

профессионализм.

Образовательные результаты:

ОК 01. Выбирать способы решения задач профессиональной деятельности применительно к

различным контекстам.

ОК 02. Использовать современные средства поиска, анализа и интерпретации информации и

информационные технологии для выполнения задач профессиональной деятельности.

ОК 03. Планировать и реализовывать собственное профессиональное и личностное развитие,

предпринимательскую деятельность в профессиональной сфере, использовать знания по финансовой

грамотности в различных жизненных ситуациях.

ОК 04. Эффективно взаимодействовать и работать в коллективе и команде.

Тип урока: получение и систематизация новых знаний с использованием Интернет-ресурсов.

Учебное оборудование: ТСО, презентация, раздаточный материал.

Методы и приемы работы: частично-поисковый, исследовательский.

Учебно-методическое обеспечение:

1. Учебное пособие О.С. Габриелян, И.Г.Остроумов, «Химия», Профобразование. Москва.

Издательский центр «Академия» С 2018г.

Время реализации занятия: 80 мин.

1. Классификация металлов.

2. Кристаллическое строение металлов .

3. Кубическая объемно-центрированная решетка .

4. Кубическая гранецентрированная решетка.

5. Гексагональная плотноупакованная решетка.

6. Физические свойства металлов.

7. Химические свойства металлов.

План занятий:

Организационный момент- 5 минут;

Постановка цели -5 минут;

Основная часть - 60-65 минут;

Заключительная часть -5 минут.

1. Оргмомент - введение структуру строения металлов, использование для этой цели

презентации, созданной в среде Power Point.

2. Постановка цели урока.

3. Основная часть - Работа с компьютерной презентацией. Работа с видео фрагментами на тему.

4. Заключительная часть - подведение итогов урока.

Ход урока:

1. Организационный момент (проверка посещаемости, готовность к уроку).

2. Сообщение цели урока.

Преподаватель ставит перед студентами цель: освоить тему «Физико-химические свойства

неорганических веществ» и по результатам полученных знаний выполнить письменные тестовые

задания.

3. Основная часть урока.

Преподаватель химии.

Добрый день, дорогие ребята.

Преподаватель химии:

Металлы в основном располагаются в левой и нижней

части периодической системы (т.е. в основном в I, II и III

группах), а неметаллы – в правой части наверху.

У атомов металлов на наружном энергетическом

уровне обычно находится от 1 до 3 электронов. Их атомы

обладают, как правило, большим радиусом. Атомы металлов

в отличие от атомов неметаллов легко отдают наружные

электроны, т.е. являются сильными восстановителями.

Поэтому атомы металлов превращаются в положительно

заряженные ионы. Оторвавшиеся от атомов электроны

относительно свободно перемещаются между положительно

заряженными ионами металлов. Между этими частицами

возникает связь, т.е. электроны как бы цементируют

отдельные слои положительно заряженных ионов, которые

находятся в узлах кристаллических решеток. Так как

электроны находятся в непрерывном движении, то при их

столкновении

с

положительно

заряженными

ионами

последние превращаются в нейтральные атомы, а затем

вновь в ионы и т.д.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся положительно заряженные ионы и

некоторое

число

нейтральных

атомов,

между

которыми

передвигаются

относительно

свободные

электроны,

называют

металлическими.

Связь,

которую

осуществляют

эти

относительно свободные электроны между ионами металлов, образующих кристаллическую

решетку, называют металлической.

ВИДЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЕТОК

Существуют три основных типа атомно-кристаллического строения металлов: кубическая

объемно-центрированная

решётка

ОЦК,

кубическая

гранецентрированная

решётка

ГЦК и

гексагональная плотноупакованная решётка ГПУ.

Каждый из этих типов атомно-кристаллического строения имеет свои особенности и влияет на

физические свойства металла, такие как плотность, теплопроводность и электропроводность,

химические, механические (твердость, прочность, упругость, пластичность, ударная вязкость).

- Какие химические элементы относятся к ОЦК, ГЦК и ГПУ?

ОЦК – 9. В ней содержится девять атомов (ионов) восемь расположены в вершинах куба и

один в геометрическом центре. Такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден, литий,

натрий, калий, рубидий, ниобий, тантал, железо.

ГЦК–14. В ней находится четырнадцать атомов, которые расположены в вершинах куба и в

центрах всех его граней. Такую решетку имеют никель, медь, алюминий, серебро, золото, платина,

кальций, церий, железо при высокой температуре.

ГПУ-17.

В ней содержится

семнадцать

атомов, которые

расположены в вершинах

шестиугольных оснований прямоугольной призмы, три из которых расположены в средней

плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, титан, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний,

осмий, железо в соединении с углеродом в виде карбида железа.

ОБЩИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Благодаря наличию свободных электронов (“электронного газа”) в кристаллической решетке

все металлы проявляют следующие характерные общие свойства:

1) Пластичность –

способность

легко

менять

форму,

вытягиваться

в

проволоку,

прокатываться в тонкие листы.

2) Металлический блеск и непрозрачность. Это связано со взаимодействием свободных

электронов с падающими на металл светом.

3) Электропроводность. Объясняется направленным движением свободных электронов от

отрицательного полюса к положительному под влиянием небольшой разности потенциалов. При

нагревании электропроводность уменьшается, т.к. с повышением температуры усиливаются

колебания атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что затрудняет направленное движение

“электронного газа”.

4) Теплопроводность.

Обусловлена

высокой

подвижностью

свободных

электронов,

благодаря чему происходит быстрое выравнивание температуры по массе металла. Наибольшая

теплопроводность – у висмута и ртути.

5) Твердость. Самый твердый – хром (режет стекло); самые мягкие – щелочные металлы –

калий, натрий, рубидий и цезий – режутся ножом.

6) Плотность. Она тем меньше, чем меньше атомная масса металла и больше радиус атома.

Самый легкий – литий (ρ=0,53 г/см

3

); самый тяжелый – осмий (ρ=22,6 г/см

3

). Металлы, имеющие

плотность менее 5 г/см

3

считаются “легкими металлами”.

7) Температуры плавления и кипения. Самый легкоплавкий металл – ртуть (т.пл. = -39°C),

самый тугоплавкий металл – вольфрам (t°пл. = 3390°C). Металлы с t°пл. выше 1000°C считаются

тугоплавкими, ниже – низкоплавкими.

Металлы делят на чёрные, к которым относятся железо и его сплавы, и цветные — все

остальные. Однако для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото окрашено в

жёлтый цвет, а медь — в красный. Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к

драгоценным металлам.

ОБЩИЕ ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Сильные восстановители: Me

0

– nē → Me

n+

Ряд

напряжений

характеризует

сравнительную

активность

металлов

в

окислительно-

восстановительных реакциях в водных растворах.

1. РЕАКЦИИ МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ

1) С кислородом:

2Mg + O

2

→ 2MgO

2) С серой:

Hg + S → HgS

3) С галогенами:

Ni + Cl

2

–

t°

→ NiCl

2

4) С азотом:

3Ca + N

2

–

t°

→ Ca

3

N

2

5) С фосфором:

3Ca + 2P –

t°

→ Ca

3

P

2

6)

С

водородом

(реагируют

только

щелочные

и

щелочноземельные

металлы):

2Li + H

2

→ 2LiH

Ca + H

2

→ CaH

2

2. РЕАКЦИИ МЕТАЛЛОВ С КИСЛОТАМИ

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-

неокислители до водорода:

Mg + 2HCl → MgCl

2

+ H

2

2Al+ 6HCl → 2AlCl

3

+ 3H

2

2) С кислотами-окислителями:

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с

металлами водород никогда не выделяется!

Zn + 2H

2

SO

4(К)

→ ZnSO

4

+ SO

2

+ 2H

2

O

3Zn + 4H

2

SO

4(К)

→ 3ZnSO

4

+ S + 4H

2

O

2H

2

SO

4(к)

+ Сu → Сu SO

4

+ SO

2

+ 2H

2

O

4HNO

3(к)

+ Сu → Сu (NO

3

)

2

+ 2NO

2

+ 2H

2

O

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание

(щелочь) и водород:

2Na + 2H

2

O → 2NaOH + H

2

Ca+ 2H

2

O → Ca(OH)

2

+ H

2

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

Zn + H

2

O –

t°

→ ZnO + H

2

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) – не реагируют.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное

разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней

кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в

результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СО

2

и SО

2

;

создается кислотная среда, и катионы Н

+

вытесняются активными металлами в виде водорода

Н

2

(водородная коррозия).

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов

(контактная коррозия). Между одним металлом, например Fе, и другим металлом, например Sn или

Сu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного

металла, стоящего левее в ряду напряжений (Ре), к менее активному металлу (Sn, Сu), и более

активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом)

при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается

после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив,

оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин

корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более

активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление

сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая

хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.

СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

В процессе совершенствования науки и техники разрабатываются разные способы защиты

металлов от разрушения.

В XXI веке способы защиты сплавов условно разделяются на: легирование, физические методы

защиты, электрохимические методы, методы замещения материалов и методы уменьшения

агрессивных свойств среды.

Легирование

Легирование – изменение изначального состава сплава для усиления определенных свойств.

Метод основан на введении в сплав пассивных металлов, таких как хром, титан, стронций,

молибден.

В результате введения легирующих материалов на поверхности сплава образуется плотная

пленка, которая обладает большой устойчивостью к агрессивным воздействиям.

Наиболее востребован процесс легирования при защите сплавов от газовой коррозии.

Например, все части двигателей машин, производятся из легированных сплавов, которые кроме

защиты от агрессивной среды, повышают стойкость металлов к высоким температурам.

Наиболее оптимальными пассивными материалами для увеличения температурной стойкости

являются алюминий и хром.

При повышении температур выше 200

⁰

С в сплавах начинается процесс окисления и

образования защитной оксидированной пленки.

Защитные покрытия

Защитные покрытия являются оптимальным видом изоляции для подземных и наземных

конструкций.

Изоляционные защитные материалы используются во всех сферах строительно – монтажных

работ, для защиты металлических конструкций от разрушающих природных и искусственных

факторов.

В зависимости от состава изоляционные покрытия подразделяют на две больших группы:

металлические и неметаллические.

Неметаллические покрытия

Неметаллические покрытия – органические и неорганические материалы, которые являются

изоляторами металлов как от агрессивной среды, так и от действия электрического тока.

Изоляционные материалы применяются в зависимости от назначения металла.

Например, при проектировании подземных конструкций используются материалы на основе

резины, битумы и полилены, так как они обладают диэлектрическими, и антикоррозионными

свойствами. Проверку износостойкости этих материалов проводят раз в 25 лет.

По результатам проверки, если нет механических повреждений, покрытие оставляют еще на 25

лет.

Если механические повреждения есть, то производится замена поврежденного участка

изоляции.

В случаях, когда необходимо обезопасить металл, находящийся на поверхности земли или над

ней, используются специальные краски и эмали, в состав которых входит пассивный элемент или

стойкий к внешним воздействиям оксид хрома, оксид кремния и т.д.

Металлические покрытия

Главной особенностью металлической изоляции является то, что она работает даже в случае

нарушения целостности покрытия.

Пока изоляция не нарушена ее свойства такие же, как и у неметаллических покрытий: полная

защита металла от агрессивных воздействий среды и электрического тока.

В случае повреждения изоляции происходит образования гальванического элемента.

Гальванический элемент – это источник тока, который создается за счет химической реакции

кислой или щелочной среды с металлом.

В зависимости от типа металла, используемого в изоляции, покрытия подразделяются на:



катодные – материалы, имеющие потенциалы в положительных значениях в сравнении со

сплавом;



анодные – материалы с более отрицательными потенциалами.

Например, изолируя железо необходимо учитывать, что его потенциал равен -0,44 В. Это

означает, что при использовании как изолятор никеля (-0,234В) покрытие будет являться катодным, а

при использовании цинка (-0,763В) – анодным.

Если железо, изолированное никелевым покрытием, будет находиться в кислой среде и

произойдет повреждение материала (а), то оно начнет окисляться, а покрытие восстанавливаться, так

как создастся гальванический элемент.

В результате такого процесса покрытие потеряет свой защитные свойства и начнется процесс

коррозии.

Если железо изолировать цинковым покрытием и поместить в ту же среду, то процесс будет

идти по-другому.

Потенциал цинка выше, чем потенциал железа, поэтому при повреждении защитного слоя и

создании гальванического элемента цинк начнет окисляться, а железо – восстанавливаться.

Данный процесс приводит к тому, что, несмотря на разрушающееся защитное покрытие металл

продолжит оставаться защищенным.

Металлические покрытия могут быть получены несколькими способами:



электрохимический

– покрытие наплавляют на металл с использованием кислой или

щелочной среды, в которую погружены электроды;



лужение и цинкование – погружение металла в расплавленное покрытие;



химическое восстановление.

Химические способы

Современные технологии позволили создать десятки способов химической защиты от

коррозии.

Существуют уникальные, дорогостоящие методы, такие как покрытие металла золотом и

платиной. Их используют в микроэлектроники и машиностроении.

В массовом производстве используются более экономически выгодные методы. Самыми

распространёнными являются:

Оксидирование

В основе метода заложено создание на металле специальной защитной пленки – оксида.

Оксидная пленка создается при помещении металла в концентрированный раствор щелочи или

кислоты, который нагревается от 130 до 350

⁰

С, в зависимости от элементов сплава.

Самой распространённой щелочью в оксидировании является едкий натр, а кислоты – нитрат

натрия и нитрит натрия.

При помещении металла в раствор концентрированной щелочи, он начинает окисляться, то есть

высвобождать электроны:

Ме

0

↔ Ме

n+

+ n e,

где n – количество окисленных электронов.

Одновременно с этим процессом происходит восстановление щелочи, что приводит к

высвобождению гидроксильной группы:

NaOH ↔ Na

+

+ OH

-

Высвободившиеся электроны и гидроксильная группа вступают в реакцию с образованием

оксида:

Ме

n+

+ ОН

-

↔Ме

m

О

х

При окислении малоуглеродистой стали оксидная пленка окрашивается в иссиня черный цвет, а

у высокоуглеродистой в серо-черный.

Метод оксидирования широко используется в декоративных работах и в ковке.

Фосфатирование

Данный метод основан, как и оксидирование, на создании защитной пленки с использованием

высококонцентрированных растров фосфорной кислоты и дигидроортофосфосфата марганца (II)

кислоты при невысоких температурах, до 100

⁰

С.

В результате химической реакции, основанной на окислительно – восстановительных

процессах,

на

поверхности

металла

образуется

пленка,

состоящая

из

пассивных

солей:

гидрортофосфата марганца (II), дигидроортофосфосфата марганца (III), ортофосфата и фосфата

фосфатированного металла.

Фосфатные пленки имеют высокий показатель адгезии, что позволяет легко наносить на них

лаки и краски.

Катодная защита

Этот тип защиты широко используют для защиты от коррозии подземных газопроводов,

сооружений, резервуаров, а также для защиты аппаратуры промышленных предприятий.

Сущность метода заключается в катодной поляризации защищаемого металла: защищаемая

конструкция подключается к отрицательному полюсу источника тока, а положительный полюс

подключается к болванке металла, то есть к аноду.

При

таком

подключении

защита

конструкции

происходит

за

счет

постоянных

восстановительных процессов, а окислительные процессы будут проходить на аноде (металлической

болванке), то есть все разрушающие воздействия будут переходить на анод.

Если монтаж защиты осуществляется в агрессивный грунт, то около анода создается

дополнительный токопроводящий слой из смеси кокса, хлорида натрия и сульфата кальция.

Катодная защита хорошо показывает себя для защиты конструкций в средне агрессивных

грунтах

Протекторная защита

Универсальная защита трубопроводов, которая не требует стороннего источника питания.

В основу метода положены окислительно – восстановительные реакции.

Протектор (металлическая болванка) является анодом и со временем окисляется, то есть

высвобождает

электроны.

Защищаемая

конструкция

находится

в

непрерывном

процессе

восстановления, так как является катодом.

Пока анод полностью не разрушится, конструкция будет в безопасности.

4. Заключительная часть урока.

1. Подведение итогов урока. На основе выполненных тестов студенты подводят итоги:

-что нового они узнали о строении металлов;

- в устной форме сообщают о том, какие знания они получили, в ходе урока.

2. Получают домашнее задание: проработка конспекта и записей урока; написать реферат на

тему «Коррозия металлов и способы защиты»; составить кроссворд по новой теме.

Используемая литература:

1. Учебное пособие О.С. Габриелян, И.Г.Остроумов, «Химия», Профобразование. Москва.

Издательский центр «Академия», 2018 г.

ТЕКУЩИЙ КОНТРОЛЬ

1. Тип связи, существующий в кристаллах металлов

1) Ковалентная неполярная 2) ковалентная полярная 3) ионная 4) металлическая

2. В узлах кристаллических решёток металлов располагаются

1) Атомы и положительные ионы металлов 2) молекулы

3) Атомы и отрицательные ионы металлов 4) электроны

3. Укажите верное суждение:

А) элетро- и теплопроводность – важнейшие свойства металлов;

Б) Все металлы – твёрдые и хрупкие.

1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба суждения 4) оба суждения неверны

4. Металлическая связь обеспечивает

1) Электро- и теплопроводность 2) Металлический блеск 3) пластичность 4) все вышеперечисленные

свойства

5. Пластичность металлов обусловлена

1) Отражение световых лучей

2) Присутствием подвижных электронов в кристаллических решётках

3) Скольжением слоев атом-ион в кристаллах относительно друг друга

4) Колебанием ионов при посредстве электронов

6. Электропроводность металлов обусловлена

1) Скольжением слоев атом-ион в кристаллах относительно друг друга

2) Присутствием подвижных электронов в кристаллических решётках

3) Отражение световых лучей

4) Колебанием ионов при посредстве электронов

7. Теплопроводность металлов обусловлена

1) Скольжением слоев атом-ион в кристаллах относительно друг друга

2) Присутствием подвижных электронов в кристаллических решётках

3) Отражение световых лучей

4) Плотностью металлов

8. Металлический блеск металлов обусловлен

1) Скольжением слоев атом-ион в кристаллах относительно друг друга

2) Присутствием подвижных электронов в кристаллических решётках

3)

Отражение световых лучей

4) Колебанием ионов при посредстве электронов

9. Жидкое агрегатное состояние при 25

0

С характерно для

1) Hg

2) Cd

3) Cu

4) Sn

10. Легкий метал

1) Ca

2) Fe

3) Cu

4) Mo

11. Легкоплавкий металл

1) Fe

2) Ba

3) Na

4) Cr

12. Самый тяжелый металл

1) Pb

2) Os

3) Hg

4) Au

13. Самый тугоплавкий металл

1) Cr

2) Os

3) Li

4) W

ОТВЕТЫ

1. 4

2. 1

3. 1

4. 4

5. 3

6. 4

7. 2

8. 3

9. 1

10. 1

11. 3

12. 2

13. 4