Учебное пособие: Свойства алюминия

Конспект уроков по теме "Алюминий"

Урок 1: алюминий и его свойства

ЦЕЛИ УРОКА:

Обучающая - ознакомление с физическими и химическими свойствами алюминия, его оксида и гидроксида; доказательство их амфотерности;

Развивающая - закрепление навыков работы в химическом кабинете (безопасное обращение с лабораторным оборудованием и веществами, наблюдение за химической реакцией и формулировка вывода); написание уравнений химических реакций;

Воспитательная - совместная работа в малых группах по выполнению поставленной задачи, воспитание ответственного отношения к сохранению своего здоровья и здоровья окружающих людей.

ОБОРУДОВАНИЕ: Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, таблица "Распространённость химических элементов в земной коре", лотки с набором оборудования для выполнения лабораторных и практических работ, штативы с пробирками, 2 колбы или стаканы с водой, лабораторный штатив, стальной тигель, поднос с сухим речным песком.

РЕАКТИВЫ: образцы алюминия (полоски), отрезки алюминиевой проволоки длиной около 15 см (так чтобы их легко можно было вынуть из пробирки), алюминиевый стержень (2 шт) и раствор для его амальгамирования, вода, заранее приготовленная термитная смесь, растворы HCl, KOH, H₂ SO₄ , Al (NO₃ ) ₃ с массовой долей 0,05.

ПЛАН УРОКА.

1. Актуализация знаний о строении атома на основании положения химического элемента в Периодической системе, об амфотерности свойств химических элементов, о химической активности металлов на основании положения в Периодической системе и в ряду напряжений - фронтальная беседа;

2. Постановка познавательной задачи 1: выявление высокой химической активности алюминия;

3. Решение познавательной задачи 1: демонстрация опытов взаимодействия амальгамированного алюминия с водой и горения термитной смеси; формулировка вывода из опытов;

4. Постановка познавательной задачи 2: доказательство амфотерности алюминия, его оксида и гидроксида;

5. Решение познавательной задачи 2: лабораторная работа "Амфотерность алюминия и его гидроксида", формулировка вывода из лабораторной работы;

6. Задание на дом: параграф 13, ответить на вопросы, записанные в тетради.

Вопросы (дать химическое объяснение данному явлению):

Можно ли алюминиевые изделия ремонтировать медными заклёпками?

Что произойдёт, если раствор медного купороса (CuSO₄ ) оставить в алюминиевой посуде?

Почему влажная кальцинированная сода (Na₂ CO₃ ), нанесённая на алюминиевый предмет, хорошо его очищает?

КОНСПЕКТ УРОКА.

1). Фронтальная беседа:

в ходе её устанавливается положение элемента Al в периодической системе;

выясняется физический смысл порядкового номера химического элемента (положительный заряд ядра атома), номера периода (число энергетических уровней в атоме) и номера группы (высшая положительная степень окисления атома в соединениях);

на классной доске записывается электронно-графическая формула Al, которая подтверждает вышеуказанные выводы; на её основании делается вывод о том, что степень окисления Al в соединениях равна +3 (очень трудно, в жёстких условиях, можно получить неустойчивые соединения Al в степени окисления +1);

по степени окисления, т.е. на основании положения в периодической системе, выводится формула оксида - Al₂ O₃ и гидроксида алюминия - Al (OH)₃ ;

на основании положения в периодической системе - малый радиус атома, соседство с неметаллами (В,Si), высказывается предположение об амфотерности элемента и его соединений (встаёт проблема, которая требует разрешения);

на основании положения в электрохимическом ряду напряжений, учащиеся легко делают вывод о том, что Al должен быть активнее многих широко распространённых металлов (цинка, железа, свинца, олова…), но уступать по химической активности только что изученным металлам IIA группы. В то же время повседневный опыт убеждает их в том, что этот металл во внешней среде очень устойчив. Высказывается предположение, что причина видимой пассивности алюминия кроется в наличии на его поверхности прочной и устойчивой во внешней среде защитной плёнки оксида. Возникает идея - разрушить оксидную плёнку и тогда алюминий покажет свой "буйный характер".

2). Знакомство с физическими свойствами: изучение образцов алюминия (фольга, полоски металла, отрезки проволоки). Учащиеся отмечают серебристый цвет алюминия, его высокую пластичность, легкость; привлекая свой жизненный опыт, сообщают, что алюминий отлично проводит электричество и тепло. Учитель дополняет наблюдения учащихся следующими данными: t_пл ⁰ (Al) =660⁰ C, с (Al) =2,7г/см³ . Все физические характеристики алюминия записываются в тетрадь.

3). Доказательство высокой химической активности алюминия: проведение демонстрационных опытов. Двое учащихся, членов химического кружка, демонстрируют заранее подготовленные и проверенные накануне урока следующие опыты-

а/. взаимодействие амальгамированного алюминия с водой ( вместо ядовитых соединений ртути для разрушения оксидной пленки можно использовать крепкий раствор КОН, но в этом случае образец алюминия переносят из щелочного раствора в воду без промывания).

Учащийся объясняет суть опыта, колбы с контрольным образцом и амальгамированным алюминием пускает по рядам, записывает на классной доске уравнение реакции

2Al + 6HOH => 2Al (OH) ₃ + 3H_2,

делает вывод о том, что только очень активные металлы могут реагировать с водой при обычных условиях и, следовательно, алюминий - действительно активный металл.

б/ алюминотермическая реакция (реакция Бекетова) - взаимодействие алюминиевой пудры с оксидом менее активного металла, не обязательно для опыта брать смесь оксидов железа с алюминием - так называемую термитную смесь, - хорошо удаётся опыт с оксидом марганца (IV), в качестве "затравки" в реакционную смесь вносят ленту магния, а при её отсутствии используют намазку со спичечных головок. Опыт проводится в вытяжном шкафу! Под тигель с реакционной смесью подставляют поднос с речным песком. После очень эффектной реакции на стенках тигля можно наблюдать капельки застывшего металла - марганца. Учащийся объясняет наблюдаемое явление, охлаждённый тигель с каплями марганца демонстрирует классу, а сам записывает на доске уравнение происходившей реакции

4Al + 3MnO₂ => 2Al₂ O₃ + 3Mn + QкДж

4). Общий вывод: на основании проделанных опытов учащиеся делают вывод о том, что простое вещество алюминий - по физическим свойствам является типичным металлом, химически очень активен.

5). Доказательство амфотерности алюминия и его гидроксида - лабораторная работа:

перед началом работы учитель напоминает основные требования по технике безопасности при обращении с растворами кислот и щелочей, при нагревании растворов. Нужно объяснить, почему не проводится опыт с оксидом алюминия - тонкая плёнка этого вещества постоянно присутствует на поверхности металла! Поэтому, очевидно, что сначала растворяется оксидная плёнка, а затем в реакцию вступает металл. Необходимо предупредить учащихся о том, что реакция алюминия с соляной кислотой - самоускоряющаяся: по мере растворения оксидной плёнки скорость реакции возрастает; реакция сопровождается повышением температуры, что также приводит к её ускорению; в растворе накапливается хлорид алюминия, играющий каталитическую роль. Поэтому после обнаружения водорода, без промедления алюминиевую проволочку переносят в пробирку с раствором щёлочи!

Лабораторная работа выполняется в течение 10-15 минут по инструктивным картам, по ходу работы учащиеся записывают уравнения происходящих реакций (в тетрадях, а по требованию учителя и на классной доске); при написании уравнений создаётся благоприятная ситуация для повторения вопросов "Реакции ионного обмена" и "Окислительно-восстановительные реакции"; формулируются частные выводы по каждому опыту, общий вывод прочитывается вслух:

Алюминий по физическим свойствам - типичный металл, химически очень активен, хотя и уступает щелочноземельным металлам. По отношению к другим веществам алюминий, его оксид и гидроксид проявляют амфотерные свойства.

6). Задание на дом: учебник О.С. Габриелян "Химия-9" параграф 13; повт. тему "Гидролиз солей", ответить на вопросы в тетради (письменно); объяснить применение алюминия по рис.15, стр.60 (устно); решить задачу:

При восстановлении 76 кг оксида хрома (III) получили 45 кг хрома. Сколько процентов это составляет от теоретически возможного выхода?

Инструкция по выполнению лабораторной работы "Доказательство амфотерности алюминия и его гидроксида"

ВНИМАНИЕ! Вспомните, как безопасно обращаться с растворами кислот и щелочей;

Какие меры надо предпринять при попадании капель кислоты или щёлочи на кожу и одежду?

ОПЫТ 1: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯ С СОЛЯНОЙ КИСЛОТОЙ.

Алюминиевую проволоку опустить в пробирку с разбавленной соляной кислотой (=5 мл). Что происходит? Написать уравнение происходящей реакции по схеме:

Al + HCl →

Собрать выделяющийся газ, доказать, что это водород (после обнаружения водорода проволочку перенести в пустую пробирку, иначе реакция примет слишком бурный характер!). Написать уравнение происшедшей реакции по схеме:

Н₂ + О₂ →

ОПЫТ 2: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЮМИНИЯ СО ЩЁЛОЧЬЮ.

Алюминиевую проволоку опустить в раствор щёлочи объёмом = 5 мл. Для ускорения реакции раствор необходимо … … … Что происходит? Написать уравнение происходящей реакции по схеме, расставить коэффициенты методом электронного баланса:

Аl⁰ + KOH⁺¹ + H₂ ⁺¹ O → K [Al⁺³ (OH) ₄ ] + H₂ ⁰

Доказать наличие водорода. Сделать вывод из 1-2 опытов:

ВЫВОД:

Алюминий реагирует с HCl, проявляя при этом … … … химические свойства. Но алюминий реагирует и с KOH, проявляя … … …химические свойства. Следовательно, алюминий проявляет … … …химические свойства.

ОПЫТ 3: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГИДРОКСИДА АЛЮМИНИЯ С КИСЛОТОЙ И ЩЁЛОЧЬЮ.

Получить в 2^-х пробирках студенистый осадок гидроксида алюминия, приливая к 2-3 мл раствора нитрата алюминия Al (NO₃ ) ₃ примерно такой же объём щёлочи - гидроксида калия КОН. Написать уравнение происходившей реакции по схеме (в молекулярном, полном ионном и сокращённом ионном видах):

Al (NO₃ ) ₃ + KOH →

К одной порции осадка приливать по каплям раствор серной кислоты; наблюдать что происходит, написать уравнение происходившей реакции (в молекулярном, полном ионном и сокращённом ионном видах) по следующей схеме:

Al (OH) ₃ + H₂ SO₄ →

К другой порции осадка гидроксида алюминия приливать по каплям раствор щёлочи - гидроксида калия, наблюдать что происходит, написать уравнение происходившей реакции:

Al (OH) ₃ + KOH → K [Al (OH) ₄ ]

Сделать вывод из опыта 3.

ОБЩИЙ ВЫВОД:

Алюминий по физическим свойствам представляет из себя типичны. Так как алюминий и его гидроксид реагируют с и, следовательно по химическим свойствам это вещества.

Урок 2: Свойства, применение, получение алюминия и его соединений

ЦЕЛИ УРОКА:

Обучающая - формирование представления о промышленном производстве алюминия;

Развивающая - совершенствование представлений о причинно-следственной зависимости между свойствами веществ и применением на примере областей применения алюминия и его соединений;

Воспитательная - формирование экологической грамотности, убеждения о необходимости бережного отношения к природным ресурсам.

ОБОРУДОВАНИЕ: таблицы "Распространённость химических элементов в земной коре" и "Получение алюминия", коллекции "Алюминий", препараты соединений алюминия (сульфат алюминия, хлорид алюминия, алюмокалиевые квасцы, алюминиевая пудра, оксид алюминия), изделия (наждачная бумага, другие абразивные материалы, радиодетали - конденсаторы, электромагнитные катушки, селеновый выпрямитель и т.д., машиностроительные и бытовые изделия из алюминия и его сплавов

ПЛАН УРОКА:

1. Проверка домашнего задания: ответы на вопросы (химическое объяснение);

2. Фронтальная беседа по рисунку 15 на стр.60 - области применения алюминия;

3. Постановка познавательной задачи: почему такой распространённый в природе металл нашёл широчайшее применение в хозяйственной деятельности лишь в ХХ веке?

4. Рассказ учителя: об открытии и промышленном производстве алюминия;

5. Фронтальная беседа: закрепление знаний об электролитической выплавке алюминия;

6. Самостоятельная работа с учебником: заполнение таблицы в тетради "Применение алюминия и его соединений", изучение коллекции "Алюминий", изделий из алюминия и его сплавов;

7. Задание на дом: повторить параграф 13, заполнить до конца таблицу "Применение алюминия и его соединений", решить задачу с применением понятия "практический выход продукта реакции от теоретически возможного выхода".

КОНСПЕКТ УРОКА:

1) Проверка домашнего задания - ответы у доски:

А/. при соединении алюминиевых деталей медными заклёпками возникает электрический ток в гальванической паре Al-Cu, в результате чего создаются благоприятные условия для электрохимической коррозии алюминия.

Б/. раствор медного купороса, т.е. сульфата меди - соли, образованной слабым основанием Cu (OH) ₂ и сильной кислотой H₂ SO_4, вследствие гидролиза содержит катионы водорода:

CuSO₄ ↔ Cu²⁺ + SO₄ ^2-

+HOH ↔ H⁺ + OH^- Cu²⁺ + OH ^- = CuOH⁺

CuSO₄ + HOH = CuOH⁺ + SO₄ ^{2 -} + H⁺

Под влиянием кислотной среды разрушается сначала защитная оксидная плёнка, а затем идёт реакция алюминия с сульфатом меди.

В/. влажная кальцинированная сода - это по существу раствор Na₂ CO₃ , который в результате гидролиза содержит анионы ОН^-- :

Na₂ CO₃ ↔ 2Na⁺ + CO₃ ^2-

+HOH ↔ H⁺ + OH^-

H⁺ + CO₃ ^{2 -} = HCO₃ ^-

Na₂ CO₃ + HOH = 2Na⁺ + HCO₃ ^- + OH^--

Под влиянием щелочной среды разрушается оксидная плёнка, поэтому поверхность металла очищается. Но оставлять в алюминиевой посуде раствор соды нельзя, т.к начнёт разрушаться металл.

2). Применение алюминия - фронтальная беседа (стр60, рис.15):

назвать области применения алюминия. На каких свойствах основано применение алюминия в этих сферах человеческой деятельности?

какой вывод можно сделать в связи с использованием алюминия в данных отраслях?

что можно сказать о распространённости алюминия в земной коре? (по новейшим данным содержание алюминия в земной коре составляет 8,8% по массе, - это третье место среди химических элементов после О и Si)

3). Почему такой распространённый в природе и важный в техническом отношении металл стал известен людям менее 200 лет назад? - постановка познавательной задачи.

4). История алюминия - рассказ учителя:

" Однажды к древнеримскому императору Тиберию пришёл ремесленник и принёс чашу невиданной красоты, изготовленную из серебристого и на удивление лёгкого металла. На вопрос императора о названии чудесного металла ремесленник ответил, что металл получен им из …глины и пока не имеет названия. "Дальновидный" император, испугавшись, что новый металл, который можно получать из обыкновенной глины, обесценит серебро и подорвёт могущество Рима, повелел: чашу уничтожить, ремесленника обезглавить, его мастерскую сровнять с землёй!" Теперь, по прошествии тысячелетий, мы не можем сказать, сколько правды лежит в основе этой легенды, рассказанной римским историком Плинием Старшим в своей "Естественной истории", но значительная доля правды в ней кроется. Действительно, алюминий - серебристо-белый, но в отличие от серебра на удивление лёгкий металл, который в принципе можно получить даже из глины. Не случайно у нас в России в ХIX столетии алюминий называли "глиний"! И если бы не технические трудности, алюминий давно бы был самым дешёвым металлом. Но из-за высокой химической активности, алюминий встречается в природе только в связанном виде. А из-за высокого сродства к кислороду, восстановить алюминий можно либо ещё более активным металлом, например калием, либо при помощи электролиза. Поэтому открытие этого самого распространённого металла состоялось после открытия щелочных металлов, а промышленное получение началось после изобретения электролиза. Первый образец алюминия получил датский учёный Г. Эрстед в 1825 году в результате следующей химической реакции:

AlCl₃ + 3Na → Al +3NaCl

В 1827 году знаменитый немецкий химик Фридрих Вёлер получил более чистый алюминий, использовав для этого криолит и металлический калий:

Na₃ [AlF₆ ] + 3K → Al + 3NaF + 3KF

Первое время алюминий получали в малых количествах и стоил он дороже золота. Так у

последнего русского царевича Алексея была очень дорогая игрушка - погремушка из алюминия. Промышленный способ производства алюминия, который в своей основе применяется до сих пор, был разработан в 1866 году двумя молодыми учёными американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру, причём независимо друг от друга. В чём заключается этот способ… (краткий рассказ об электролитическом производстве по настенной таблице). Запись на доске и в тетрадях:

2Al₂ O₃ ^ток → 4Al + 3O₂

В настоящее время по объёму производства алюминий прочно занимает 2 место после железа и его сплавов (среди металлов). Для выплавки 1т алюминия требуется 13-17000 квт/час электрической энергии (постоянный ток, V=5в, I=100000А), поэтому алюминиевые заводы расположены вблизи крупных ГЭС.

5). Закрепление знаний о производстве алюминия - фронтальная беседа:

Как в ХIХ веке в России называли алюминий и почему?

Зачем при электролизе глинозёма (Al₂ O₃ ) применяют криолит (Na₃ [AlF₆ ])?

В чём заключается суть современного производства алюминия?

Почему алюминий не сгорает сразу после электролиза?

Почему угольные аноды приходится периодически обновлять?

В связи с чем алюминий из электролизёра извлекают вакуумным ковшом?

Почему большая часть производимого алюминия идёт на выплавку сплавов?

6). Заполнение таблицы "Применение алюминия", изучение коллекции "Алюминий" самостоятельная работа:

7). Домашнее задание. Повторить параграф 13, решить задачу:

На выплавку 1 тонны алюминия расходуется 2 тонны оксида алюминия Al₂ O_3. Вычислить выход металла в процентах от теоретически возможного выхода, подготовить тетрадь к проверке.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ "АЛЮМИНИЙ":

Ле Бокс - местность на юге Франции, в которой впервые стали добывать бокситы;

t⁰ _пл боксита составляет 2045⁰ С, а t⁰ _пл криолита составляет 970⁰ С;

электропроводность Al примерно 0,6 от электропроводности меди; теплопроводность же Al в 1,8 раза больше, чем теплопроводность меди;

рубин (красный): Al₂ O₃ + 0,3% Cr₂ O₃ ;

сапфир (синий): Al₂ O₃ + 0,2% TiO₂ , следы Fe₂ O₃

аметист (фиолетовый): Al₂ O₃ + примесь MnO₂ ;

AlCl_3, Al (C₂ H₅ ) ₃ - катализаторы в органическом синтезе;

дуралюмин или дюраль - сплав Al + 5% Cu + 2% Mg - название от города Дюрен в Германии;

KAl (SO₄ ) ₂ - алюмокалиевые квасцы, протрава при крашении тканей;

Al₂ (SO₄ ) ₃ - сульфат алюминия, коагулянт при очистке воды от биологической грязи;

Al (OH) ₃ + Mg (OH) _{2 - "} Алмагель", медицинский препарат для снижения кислотности желудочного сока при гастритах и язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки;

рубины и другие окрашенные разновидности оксида алюминия применяют в ювелирной промышленности и в технике, например в производстве лазеров, механических часов; в настоящее время рубины, сапфиры, аметисты и др. получают искусственным путём;

соли алюминия в водных растворах подвергаются гидролизу, большинство с образованием кислотной среды, а сульфид алюминия полностью гидролизуется (разрушается в воде), например:

a). AlCl₃ ↔ Al³⁺ + 3Cl^-

HOH ↔ H⁺ + OH^-

Al³⁺ + OH ^- = AlOH²⁺

AlCl₃ + HOH = AlOH²⁺ + 3Cl ^- + H⁺

b). Al₂ S₃ + 6HOH = 2Al (OH) ₃ + 3H₂ S