Формирование экологических знаний при изучении темы "Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты"

ГЛАВА II ТЕМА: «КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА. СОЛИ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ» В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ХИМИИ

В школьном курсе химии достаточно хорошо освещена, собственно, химическая сторона изучаемой темы. Например, вот как она изложена в школьном учебнике для 9 классов [13].

Цель урока: познакомить учащихся со строением и способом получения кремниевой кислоты, изучить строение молекул солей кремниевой кислоты, их физические и химические свойства, изложить общие понятия о возможностях силикатной промышленности и производстве стекла, бетона и цемента.

Задачи обучения: сформировать понятие кремниевая кислота, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения различных типов силикатов в промышленности.

Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией.

Задачи воспитания: продолжить химическое образование школьников.

Ход урока

I. Организационный момент (1-2 мин.)

- посадка детей;

- проверка принадлежностей;

- отметка отсутствующих и т.д.

II. Опрос домашнего задания (10 мин.)

1. Что такое кремний?

2. Каково содержание его в земной коре?

3. Какие наиболее распространенные соединения кремния вы можете назвать?

4. Как в промышленности получают кремний?

5. Расскажите о физических и химических свойствах кремния.

6. Где применяют кремний?

7. Опишите химические свойства и области применения оксида кремния (IV)?

III. Изучение нового материала (20 мин.)

Строение молекулы.

Состав кремниевой кислоты условно изображают формулой H₂SiO_3. В действительности ее состав более сложный:

Известно много различных кремниевых кислот с общей формулой n SiO₂ • m H₂O.

Получение. В отличие от многих других кислот кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией оксида кремния (IV), ибо он с водой не реагирует. Кремниевую кислоту получают при действии кислот на растворы ее солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка:

Na₂SiO₃ + 2 HCl > 2 NaCl + H₂ SiO₃v

2 Na⁺ + SiO₃^2- + 2 H⁺ +2 Cl^- > 2 Na⁺ + 2Cl + H₂SiO₃ v

2 H⁺ + SiO₃^2- > H₂SiO₃ v

Физические свойства: В отличие от многих других неорганических кислот кремниевая кислота в воде практически не растворима. С водой она образует особого вида системы, называемые коллоидными растворами.

Химические свойства: Поскольку кремниевая кислота в воде пратически нерастворима, то ионы водорода от ее молекул почти не отщепляются. В связи с этим такое общее свойство кислот, как действие на индикаторы, кремниевая кислота не обнаруживает: она еще слабее угольной кислоты. Кремниевая кислота непрочная и при нагревании постепенно разлагается:

H₂SiO₃ > Н₂О + SiO₂

Соли кремниевой кислоты.

Строение молекулы. Как и для кремниевой кислоты, принятые формулы ее солей (Na₂SiO_3, CaSiO₃ и т.д.) условны. Существует много различных силикатов, которые образуются при полном или частичном замещении атомов водорода атомами металлов в молекулах кислот состава

n SiO₂ • m H₂O

Получение солей кремниевой кислоты, т.е. силикатов, рассмотрено при изучении химических свойств оксида кремния (IV).

Физические свойства. Многие силикаты тугоплавки и в воде практически не растворимы. Из силикатов, имеющих большое практическое значение, растворимы лишь силикаты натрия и калия. Эти силикаты называются растворимыми стеклами.

Химические свойства

1. Силикаты реагируют почти со всеми кислотами, в том числе и с угольной кислотой:

Na₂SiO₃ + H₂O + CO₂ > Na₂CO₃ + H₂SiO₃ v

2. Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:

Na₂SiO₃ + CaCl₂ > CaSiO₃v + 2 NaCl

2 Na⁺ + SiO₃^2- +Ca²⁺ + 2Cl^- > CaSiO₃v + 2Na⁺ + 2Cl^-

Ca²⁺ + SiO₃^2- > CaSiO₃v

3. В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:

4. Силикаты, входящие в состав минералов (их формулы выражают в виде оксидов), в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV):

К₂О • Аl₂O₃ • 6 SiO₂ + CO₂ + 2 H₂O >

ортоклаз

> Аl₂O₃ • 2 SiO₂ • 2 H₂O + 4SiO₂ + К₂CO₃

каолинит кремнезем

При разрушении таких силикатов образовались залежи глины и песка, а на основе их в результате биохимического разложения растительных и животных остатков образовалась почва.

Применение. Из растворимых силикатов наибольшее применение имеет силикат натрия. Его водный раствор используют в качестве силикатного клея для пропитки древесины и тканей в целях придания им огнестойкости и водонепроницаемости. Более сложные силикаты, в состав которых входят несколько металлов, в том числе и алюминий (алюмосиликаты), широко используют в силикатной промышленности.

Силикатная промышленность

Силикатную промышленность составляют производства различных строительных материалов, стекла и керамики из природных силикатов.

Важнейшие строительные материалы, выпускаемые силикатной промышленностью, показаны на схеме 10.

С производством некоторых из них познакомимся подробнее.

Основным сырьем для производства керамических изделий (от греч. «керамон» - глина) является глина. Изготовление этих изделий основано на свойстве глины при смешении ее с небольшим количеством воды образовывать пластичную массу. Этой массе можно придать любую форму, которая сохраняется после высыхания и закрепляется посредством обжига при высокой температуре. Из белой глины изготовляют фаянсовые и фарфоровые изделия.

Производство стекла.

Сырьем для производства обычного стекла служит чистый кварцевый песок, сода и известняк. Эти вещества тщательно перемешивают и подвергают сильному нагреванию (1500 ⁰С):

Na₂СO₃ + SiO₂ > Na₂SiO₃ + CO₂^

CaСO₃ + SiO₂ > Ca SiO₃ + CO₂^

Образовавшиеся силикаты натрия и кальция сплавляются с песком, который берут в избытке. Стекло не является индивидуальным веществом, а представляет собой сплав нескольких веществ. Примерный состав обычного оконного (натриевого) стекла можно выразить формулой Na₂О • CaO • 6SiO₂

Если соду заменяют поташом К₂СO₃, то получают более тугоплавкое стекло (химическое, или калиевое). Примерный состав такого стекла можно выразить формулой К₂О • CaO • 6SiO₂

Если в качестве сырья берут поташ, оксид свинца (II) и песок, то получают хрустальное стекло. Это стекло сильно преломляет свет и поэтому применяется в оптике для изготовления линз и призм. Из него изготовляют также хрустальную посуду.

Из чистого песка получают кварцевое стекло. Расплавленный песок, остывая, образует стекловидную массу. В отличие от обычного стекла кварцевое стекло мало изменяется в объеме при изменении температуры. Посуду, изготовленную из него, можно накалить добела, бросить в холодную воду, и она не трескается. Из кварцевого стекла делают лабораторную посуду. Другое его специфическое свойство - это способность пропускать ультрафиолетовые лучи, поэтому из него изготовляют так называемые кварцевые лампы, используемые в медицине.

Для получения цветных стекол к сырью добавляют оксид соответствующего металла. Так, например, при добавлении оксида кобальта (II) получают синее стекло. Оксид хрома (III) придает стеклу зеленый цвет - получают зеленое стекло. Оксид меди (II) придает сине-зеленый цвет. Добавлением небольших количеств мелкораздробленного золота получают рубиновое стекло.

Расплавленное стекло при охлаждении твердеет не сразу, а постепенно загустевает, образуя сначала вязкую массу. Благодаря этому свойству стекло подвергается формовке - в разогретом состоянии ему можно придать любую форму. Для формовки стеклянных изделий применяют выдувание (бутылки, электролампы), прессование (пуговицы), прокатку (зеркальное стекло), вытягивание (листовое стекло, стеклянные трубки, палочки).

Изготовление листового стекла путем вытягивания производится при помощи специальных машин (рис.38)[13]. В них полужидкое стекло выдавливается через щель, при помощи специальных вальцов вытягиваются листы.

Из стекла готовят также тонкие стеклянные нити, идущие для производства стекловолокна и тканей. Стеклянные ткани применяются в качестве тепло- и электроизоляторов. Из стекловолокна и пластмасс изготовляют стеклопластики, которые по прочности не уступают стали.

Производство цемента. Известно несколько видов цемента. Основным сырьем для производства портландцемента являются известняк и глина, содержащие оксид кремния (IV). Эти вещества тщательно перемешивают и их смесь обжигают в наклонных цилиндрических печах, длина которых достигает более 200м, а в поперечнике - около 5 м. (рис.39) [13]. В процессе обжига печь медленно вращается и исходные материалы постепенно движутся к нижней ее части навстречу потоку раскаленных газов (принцип противотока) - продуктов сгорания поступающего газообразного или твердого пылевидного топлива.

При повышенной температуре между глиной и известняком происходят сложные химические реакции. Простейшими из них являются обезвоживание каолинита, разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция:

Аl₂O₃ • 2SiO₂ • 2H₂O > Аl₂O₃ • 2SiO₂ + 2H₂O ^

CaСO₃ > CaО + СО₂ ^

CaO + SiO₂ > CaSiO₃

Образовавшиеся в результате реакций вещества спекаются в виде отдельных кусков. После охлаждения их размалывают до тонкого порошка.

Процесс затвердевания цементного теста объясняется тем, что различные силикаты и алюминаты, входящие в состав цемента, реагируют с водой с образованием каменистой массы. В зависимости от состава изготовляют различные сорта цемента (см. схему 10).

Основным строительным материалом являются цемент, бетон, шлакобетон и железобетон.

Бетон - смесь щебня и песка с цементом. При смешивании цемента со шлаком получают шлакобетон. Бетонные сооружения получают еще более прочные, если в бетон закладывают каркас из железных стержней. Такой строительный материал называют железобетоном. Из него воздвигают капитальные строительные объекты: заводские корпуса, плотины и другие сооружения. По производству строительных материалов и их качеству можно судить об уровне развития строительной индустрии в стране.

IV. Закрепление знаний (5 мин.)

1. Как получают кремниевую кислоту и ее соли?

2. Что такое стекло?

3. Опишите примерный состав обычного оконного стекла?

4. Какие еще стекла бывают?

5. Каким образом в промышленности получают бетон и цемент?

V. Домашнее задание (3 мин.)

Ответьте на вопросы и выполните упражнения 1-9, §37-39, стр.95-102. [13].

Из представленного выше можно сделать вывод: вопросы получения кремниевой кислоты, ее солей и способы применения их в силикатной промышленности рассматриваются достаточно хорошо и грамотно, но, вопросы, связанные с экологией, в темах, посвященных изучению кремния, кремниевой кислоты и силикатной промышленности, в школьном курсе не затрагиваются. Хотя и кремний, в частности, и силикатная промышленность в целом имеют огромное значение в жизни человека. Отходы и выбросы силикатной промышленности огромны и разнообразны. Они оказывают негативное влияние на здоровье человека и на окружающую природную среду. Поэтому, на наш взгляд, стоит изучить эти вопросы отдельно, что и будет сделано в третьей главе.

Глава III РАЗРАБОТКА УРОКА «КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА. СОЛИ КРЕМНИЕВОЙ КИСЛОТЫ» ДЛЯ 9 КЛАССА С ВНЕДРЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

3.1 Особенности изучения кремниевой кислоты и ее солей, связанные с экологическими проблемами силикатного производства

Вашему вниманию представляется урок на тему: «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты», наполненный экологическим содержанием, способствующий развить экологические знания у школьников средней школы, определить взаимосвязь между изучаемым объектом и окружающей средой, а также показать роль уроков химии при формировании экологической культуры школьников, их способности применять знания и навыки для достижения основной цели экологии - сохранение окружающей природной среды.

Цель урока: познакомить учащихся со строением молекулы кремниевой кислоты, способами ее получения и возможностями применения солей кремниевой кислоты в современной промышленности, а также обобщить знания учащихся о кремнии, оксиде кремния (IV). Сформировать знания экологической направленности, чтобы показать необходимость изучения взаимосвязи между окружающей природной средой и ее загрязнениями отходами и выбросами стекольного производства, определить каково влияние выбросов и сбросов силикатных производств на здоровье человека.

Задачи обучения: сформировать понятие кремниевая кислота, расширить представление о способах получения, свойствах и способах применения силикатов в промышленности. Познакомить школьников с экологическими проблемами производств силикатной промышленности. Развить экологическое сознание и воспитание школьников, дать представление о том, что возможности химии достаточно многообразны и халатное отношение к окружающей природной среде приведет к нарушению гармонии в природе и развитию экологической катастрофы.

Задачи развития: продолжить развитие у учащихся основных приемов мышления (умения анализировать, сравнивать и т.д.), совершенствовать умение учащихся самостоятельно работать с дополнительной информацией. Развить экологическое сознание школьников, заложить в основу воспитания представления о взаимосвязи состава, строения, свойств и биологической функции веществ, их двойственной роли в живой природе.

Задачи воспитания: продолжить химическое и экологическое образование школьников.

Ход урока

II. Организационный момент (1-2 мин.)

- посадка детей;

- проверка принадлежностей;

- отметка отсутствующих и т.д.

II. Опрос домашнего задания (10 мин.)

1. Что такое кремний?

2. Каково содержание его в земной коре?

3. Какие наиболее распространенные соединения кремния вы можете назвать?

4. Как в промышленности получают кремний?

5. Расскажите о физических и химических свойствах кремния.

6. Где применяют кремний?

7. Опишите химические свойства и области применения оксида кремния (IV).

III. Изучение нового материала (20 мин.)

Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты.

Строение молекулы.

Состав кремниевой кислоты условно изображают формулой H₂SiO_3. В действительности ее состав более сложный:

Известно много различных кремниевых кислот с общей формулой

n SiO₂ • m H₂O.

Получение. В отличие от многих других кислот кремниевую кислоту нельзя получить гидратацией оксида кремния (IV), ибо он с водой не реагирует. Кремниевую кислоту получают при действии кислот на растворы ее солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка:

Na₂SiO₃ + 2HCl > 2NaCl + H₂SiO₃v

2Na⁺ + SiO₃^2- + 2H⁺ +2Cl^- > 2Na⁺ + 2Cl + H₂SiO₃ v

2H⁺ + SiO₃^2- > H₂SiO₃ v

Природные соединения кремния обычно представляют собой производные не метакремниевой, а группы так называемых поликремниевых кислот. K природным силикатам относятся полевые шпаты, слюда, глины, асбест и др. Состав этих минералов сложен. Для удобства их часто условно выражают как соединения оксидов, например:

Ортоклаз (минерал из группы

полевых шпатов)…………………… K₂ Al₂ Si₆ O₁₆ = K₂ O • Al₂ O₃ • 6SiO₂

Слюда (мусковит)…………KH₂ Al₃ (SiO₄ )₃ или K₂ O • 3Al₂ O₃ • 6SiO₂ •2H₂ O

Каолин (белая глина)……………………H₄ Al₂ Si₂ O₉ = Al₂ O₃ • 2SiO₃ • 2H₂ O

Асбест …………………………………H₄ Mg₃ Si₂ O₉ = 3MgO • 2SiO₂ • 2H₂ O

Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие алюминий и называемые алюмосиликатами. Как показывают формулы приведенных выше минералов, к числу алюмосиликатов принадлежит слюда, ортоклаз и др. [3,4]

Если студень кремниевой кислоты частично обезводить, то образуется твердая белая, очень пористая масса, обладающая большой адсорбционной способностью. Этот продукт под названием силикагеля имеет разнообразное применение в промышленности: для улавливания газов, водяных паров, для отчистки нефти, керосина. Наконец, крупнопористый силикагель - незаменимый носитель для многих катализаторов. При полном высушивании и прокаливании кремневой кислоты образуется кремневый ангидрид SiO₂ [4,5].

Физические свойства. Многие силикаты тугоплавки и в воде практически не растворимы. Из силикатов, имеющих большое значение, растворимы лишь силикаты натрия и калия. Эти силикаты называются растворимыми стеклами. Их раствор называется жидким стеклом. Находит применение в мыловаренном производстве, в крашении, в производстве бумаги, а также для пропитки дерева и тканей с целью сообщения им несгораемости и стойкости против гниения.

Жидкое стекло - одно из важнейших неорганических клеящих веществ (адгезив). Это связано с тем, что силикат натрия находится в нем в виде макромолекул. Жидким стеклом пропитывают ткани и дерево для придания им огнестойкости; оно применяется для изготовления кислотоупорного цемента, силикатных красок и глазурей.

Химические свойства.

1. Силикаты реагируют почти со всеми кислотами, в том числе и угольной кислотой:

Na₂SiO₃ + H₂O + CO₂ > Na₂CO₃ + H₂SiO₃ v

Растворимые силикаты могут участвовать в реакциях обмена с другими солями:

Na₂SiO₃ + CaCl₂ > CaSiO₃v + 2NaCl

2 Na⁺ + SiO₃^2- +Ca²⁺ + 2Cl^- > CaSiO₃v + 2Na⁺ + 2Cl^-

Ca²⁺ + SiO₃^2- > CaSiO₃v

2. В водных растворах силикаты подвергаются гидролизу и обладают щелочной реакцией:

3. Силикаты, входящие в состав минералов (их формулы выражают в виде оксидов), в природных условиях разрушаются под действием воды и оксида углерода (IV):

К₂О • Аl₂O₃ • 6 SiO₂ + CO₂ + 2 H₂O >

Ортоклаз

> Аl₂O₃ • 2 SiO₂ • 2 H₂O + 4SiO₂ + К₂ CO₃

каолинит кремнезем

При разрушении таких силикатов образовались залежи глины и песка, а на основе их в результате биохимического разложения растительных и животных остатков образовалась почва.

Силикатная промышленность.

Силикатную промышленность составляют производства различных строительных материалов, стекла и керамики из природных силикатов.

Важнейшие строительные материалы, выпускаемые силикатной промышленностью, показаны на схеме 10, §39, с.97 [13].

Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов: твердые отходы (стеклобой, сырьевые материалы цехов подготовки шихты в виде пыли, порошковые отходы цехов обработки сортовой посуды), суспензии и шламы (шламы и осадки систем подготовки шихты, систем пылегазоулавливания и очистки сточных вод, суспензии систем шлифования и полирования стекол), сточные воды (сливы замасливателя в производстве стекловолокна, полировальные, промывные и травильные растворы при обработке и декорировании изделий), газообразные выбросы (отходящие газы стекловаренных печей, содержащие оксиды азота и серы, соединения свинца, фтора, фосфора и бора, оксид углерода, бензпирен, дымовые газы сушильных цехов подготовки шихты, газовая фаза и воздух со стадий закалки и охлаждения стекла).

В то же время ряд отходов образуют так называемые вторичные материальные ресурсы, например стеклобой, количество которого для некоторых производств достигает 50% от исходной стекломассы. К таким ресурсам относятся и дымовые газы стекловаренных печей, теплота которых может быть использована в качестве источников энергии.

Классифицируя отходы производства стекла, необходимо выделить их токсичность, т.е. степень воздействия на человека, животный мир и растительность. По этому признаку можно выделить безвредные, токсичные и особо токсичные отходы.

Технология стекла включает две основные стадии: подготовку сырьевых компонентов с получением шихты и стекловарение с выработкой стеклоизделий.

Основным компонентом шихты, используемой для широкого ассортимента стекол, является кварцевый песок, диоксид кремния, который составляет 50--75% массы готового стекла. В состав шихты входят также карбонат натрия, доломит, карбонат калия, сульфаты, нитрат кальция и нитрат натрия, борная кислота, оксиды свинца, цинка, мышьяка, фтористые соединения и др.

Пылеобразование сопутствует начальным операциям разгрузки и транспортирования компонентов шихты, поэтому состав пыли, образующейся на каждой из этих операций, будет различным. Однако даже при локальном попадании в атмосферу (от одной установки), вызванном неправильной организацией воздухообмена, пыль может распространиться по всему отделению.

Концентрация пыли в воздухе отделения подготовки сырья и приготовления шихты может, по зарубежным данным, достигать сотен и даже тысяч миллиграмм на кубический метр. Наибольшее пыление характерно для доломита, известняка (мела), полевого и плавикового шпатов, карбоната натрия и борной кислоты. Количество образующейся пыли достигает для шихт стекольных заводов 1,6% от массы приготовляемой шихты. Максимальные пылепотери приходятся на материалы известняковой группы и полевого шпата (до 85% от общего количества пыли) , а в воздухе отделения при получении шихты содержится до 60-- 70% пылевых частиц размером менее 5 мкм.

В стекольном производстве пылевые частицы размером до 50 мкм удерживаются в воздухе длительное время. Пыль обладает фиброгенным действием (Si0₂) и общетоксичным (В₂0₃, As₂0₃ и др.).

Диоксид кремния -- основа кварцевого песка (99--99,5%) -- имеет средний размер кристаллических частиц 0,1--1 мм. На организм человека наибольшее влияние оказывают частицы размером 1--2 мкм. Длительное воздействие этих частиц на легкие приводит к фиброзу -- разрастанию в легких соединительных тканей, ведущего к силикозу -- заболеванию всего организма.

Пыль доломита [(СаМg(С0₃)г] составляет 50% от всей пыли, образующейся при приготовлении шихты. Она обладает фиброгенным действием.

Пыль известняка СаС0₃ (мела) также фиброгенна. Карбонат натрия (Na₂C0₃) обладает большой летучестью, вызывает изъязвление слизистой оболочки носа, раздражает дыхательные пути и приводит к конъюнктивиту.

Оксид бора В₂0₃ является составляющим элементом ряда оптических стекол и стекловолокна. В шихту вводят борную кислоту Н₃В0₃, пыль которой может быть причиной повреждения кожи.

В производстве хрусталя, оптических стекол, эмалей используют материалы, содержащие оксиды свинца (РЬО, РЬ₃0₄), пыль которых высокотоксична и обладает кумулятивным действием -- может накапливаться (аккумулироваться) в организме. Свинец поражает сердечнососудистую и нервную системы, кроветворные органы и желудочно-кишечный тракт.

В качестве осветлителя в производстве стекла используют оксид мышьяка (III) As₂0₃, являющийся сильным ядом. На организм человека он оказывает пагубное влияние, разрушая вегетативную нервную систему, приводит к параличу кровеносной системы, действует на обмен веществ. Нарушение питания тканей может привести к злокачественным образованиям. Так же как и свинец, он может накапливаться в организме. Доза, приводящая к серьезному отравлению человека, составляет 0,01-0,052 г.

Из числа вредных веществ, входящих в состав шихты, выделяют оксид хрома Сг₂0₃ и дихромат калия К₂Сг₂0₇, используемые как красители. Эти вещества также крайне токсичны. Они раздражают и изъязвляют слизистые оболочки и кожу, при их взаимодействии наблюдается прободение хрящевой перегородки, носоглотки и поражение желудочно-кишечного тракта.

Отрицательное влияние пылевых выбросов на организм человека требует таких технических решений, которые обеспечивали бы содержание вредных выбросов в атмосфере не выше ПДК.

В окружающей отделение атмосфере на уровне приземного слоя, концентрация вредных веществ не должна превышать 30% от ПДК в рабочей зоне помещения.

Из всего вышесказанного следует, что помимо бесспорной важности силикатного производства просматривается и наличие серьезных экологических проблем, вызываемых процессами, на которых основана силикатная промышленность. Эти проблемы могут вызвать, и, к сожалению, уже вызывают различные серьезные заболевания у работников силикатной промышленности и населения, а также негативно влияют в целом на экологическую обстановку.

IV. Закрепление знаний (5 мин.)

1. Как получают кремниевую кислоту и ее соли?

2. Что такое стекло?

3. Расскажите, какие отходы и выбросы возникают в результате производства стекла?

4. Какие последствия может вызвать не соблюдение в воздухе рабочей зоны ПДК вредных выбросов стекольного производства?

5. Какие еще стекла бывают?

6. Каким образом в промышленности получают бетон и цемент?

IV. Домашнее задание (3 мин.)

1. Внимательно изучите материал, изложенный в §37-39.

2. Постарайтесь выяснить какие экологические проблемы могут вызвать процессы производства керамики и цемента.

3.2 Контрольный опрос в виде тестовых заданий для учеников 9-х классов

Разработаны тестовые задания по выбранной теме в двух вариантах:

1. Вопросы, отражающие материал в таком виде, как он преподноситься в школьном учебнике.

2. Вопросы, отражающие школьный материал и экологические проблемы по выбранной тематике.

Вариант 1.

Вопросы:

1) Как обозначается химический знак кремния:

a) Sc

b) Si +

c) Sn

2) Порядковый номер Si соответствует номеру:

a) 19

b) 90

c) 14 +

3) Кремний относят к:

a) подгруппе углерода +

b) подгруппе кислорода

c) подгруппе азота

4) Химическая формула кремнезёма:

a) SiO₂ +

b) SiO₅

c) SnO₂

5) Химическая формула силикагеля:

a) SnO₂ • H₂O

b) SiO₂ • H₂O +

c) SiO • H₂O

6) Какой из вариантов является тривиальным названием диоксида кремния:

a) асбест

b) кремнезём +

c) кремний

7) Какой из вариантов соответствует формуле асбеста:

a) 3MgSiO₃ • CaSiO₃

b) MgSiO₃ • CaSiO

c) 4MgSiO₃ • CaSiO

8) Как пишется химическая формула монооксида кремния:

a) SiO₂

b) SiO +

c) SnO₂

9) Температура плавления кварца:

a) 1728 ⁰С +

b) 1850 ⁰С

c) 1760 ⁰С

10) Плавлением кварца готовят:

a) гипс

b) цемент

c) кварцевое стекло +

11) Силикаты калия и натрия в воде:

a) растворяются

b) не растворяются

c) слаборастворимы

12) Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие:

a) кальций

b) натрий

c) алюминий +

13) Относительная атомная масса кремния составляет:

a) 27,30

b) 28,0855 +

c) 28,66

14) К какой группе в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева относится химический элемент кремний:

a) 5

b) 4 +

c) 1

15) К какому периоду в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеев относят химический элемент кремний:

a) 3 +

b) 6

c) 5

16) К какой группе элементов относится кремний:

a) P

b) S

c) d

17) Электроотрицательность кремния соответствует:

a) 2,4

b) 1,8 +

c) 3,7

18) Температура плавления кремния:

a) 1514

b) 1415 +

c) 1670

19) Кремний в чистом виде является:

a) хрупким металлом

b) кристаллическим веществом

c) твёрдым металлом +

20) С растворами кислот, за исключением, плавиковой кремний:

a) не реагирует +

b) реагирует

Вариант 2.

Вопросы:

1. Обезвоженный студень кремниевой кислоты, имеющий вид твердой пористой массы, обладающей большой адсорбционной способностью называют:

а) силикагель +

б) алюмогель

в) нитрогель

д) карамель

2. Силикагель применяют в промышленности для:

а) улавливания газов и водяных паров +

б) очистке нефти, керосина +

в) прокачки газовых выбросов

д) извлечения тяжелых металлов

3. Производство изделий из стекла связано с образованием большого количества отходов и выбросов, а именно:

а) стеклобой +

б) инертные газы

в) суспензии и шламы +

д) сточные воды +

е) газообразные выбросы фторхлоруглеводородов

4. Какой процесс сопутствует начальным операциям разгрузки и транспортировки компонентов шихты:

а) пылеобразование +

б) кислотные дожди

в) образование смогов

д) комплексонообразование

5. Пыль, образующаяся в результате стекольного производства, обладает:

а) фиброгенным действием +

б) общеукрепляющим действием

в) общетоксичным действием +

д) оздоравливающим действием

6. Диоксид кремния - основа кварцевого песка (99-99,5%). Его частицы размером 1-2 мкм оказывают на организм человека негативное влияние. А именно:

а) фиброз +

б) авитаминоз

в) силикоз +

д) остеопороз

7. Карбонат натрия, образующийся при приготовлении шихты вызывает:

а) изъязвление слизистой оболочки носа +

б) приводит к конъюнктивиту +

в) травмоопасен

д) раздражает дыхательные пути

8. В производстве хрусталя, оптических стекол, эмалей используют оксиды свинца (PbO, P₃O₄), пыль которых:

а) высокотоксична и обладает кумулятивным действием +

б) малотоксичная, неопасна и приводит к улучшению работы сердца

в) поражает сердечнососудистую и нервную систему +

д) выводит шлаки из организма человека и повышает иммунитет

9. В качестве осветлителя стекол используют оксид мышьяка (III) As₂O₃. Он является:

а) сильным ядом +

б) амфитомином

в) коагулянтом

д) витамином

10. Оксид мышьяка (III) As₂O₃ оказывает пагубное влияние на организм человека, а именно:

а) разрушает вегетативную нервную систему +

б) приводит к параличу кровеносной системы +

в) может привести к злокачественным образованиям +

д) нормализует обмен веществ

11. Как обозначается химический знак кремния:

а) Sc

в) Si +

с) Sn

12. Порядковый номер Si соответствует номеру:

а) 19

б) 90

в) 14 +

13) Кремний относят к:

а) подгруппе углерода +

б) подгруппе кислорода

в) подгруппе азота

14) Химическая формула кремнезёма:

а) SiO₂ +

б) SiO₅

в) SnO₂

15) Химическая формула силикагеля:

а) SnO₂ • H₂O

б) SiO₂ • H₂O +

в) SiO • H₂O

16) Какой из вариантов является тривиальным названием диоксида кремния:

а) асбест

б) кремнезём +

в) кремний

17) Какой из вариантов соответствует формуле асбеста:

а) 3MgSiO₃ • CaSiO₃

б) MgSiO₃ • CaSiO

в) 4MgSiO₃ • CaSiO

18) Как пишется химическая формула монооксида кремния:

а) SiO₂

б) SiO +

в) SnO₂

21) Температура плавления кварца:

а) 1728 ⁰С +

б) 1850 ⁰С

в) 1760 ⁰С

22) Плавлением кварца готовят:

а) гипс

б) цемент

с) кварцевое стекло +

23) Силикаты калия и натрия в воде:

а) растворяются

б) не растворяются

в) слаборастворимы

24) Наибольшее распространение в природе имеют силикаты, содержащие:

а) кальций

б) натрий

в) алюминий +

25) Относительная атомная масса кремния составляет:

а) 27,30

б) 28,0855 +

в) 28,66

26) К какой группе в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева относится химический элемент кремний:

а)5

б) 4 +

в) 1

27) К какому периоду в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеев относят химический элемент кремний:

а) 3 +

б) 6

в) 5

28) К какой группе элементов относится кремний:

а) P

б) S

в) d

29) Электроотрицательность кремния соответствует:

а) 2,4

б) 1,8 +

в) 3,7

30) Температура плавления кремния:

а) 1514

б) 1415 +

в) 1670

31) Кремний в чистом виде является:

а) хрупким металлом

б) кристаллическим веществом

в) твёрдым металлом +

32) С растворами кислот, за исключением, плавиковой кремний:

а) не реагирует +

б) реагирует

Для сравнения провели следующий эксперимент в 9 «А» провели тестирование по первому варианту, а в 9 «В» по второму варианту.

Результаты тестирования показали, что процент усвоения знаний выше в 9 «В» классе (рис.1) . На рисунке представлена диаграмма, отражающая процент удовлетворительных и неудовлетворительных оценок, полученных учениками после проведения контрольного тестирования по выбранной теме.

Очевидно, что успеваемость в 9 «В» классе после проведения урока с экологическим содержанием на порядок выше, чем в 9 «А», где провели обычный урок. По всей видимости, это свидетельствует о проявлении большей заинтересованности учащихся к проблемам, которые могут коснуться непосредственно их самих или их близких, повышению внимательности при изложении школьного материала в связке с насущными экологическими проблемами.

Рис. 1. Результаты контрольного тестирования 9-х классов по теме «Кремниевая кислота. Соли кремниевой кислоты

Выводы

1. Проведенный анализ литературных источников по выбранной теме показал необходимость формирования экологических знаний в данной области.

2. Подобран экологический материал для изучения темы «Кремниевая кислота и ее соединения».

3. Приведена методика проведения урока по выбранной теме с экологическим содержанием.

4. Проведенный эксперимент в Гимназии №14, а именно уроки с содержанием обычной школьной программы и с экологическим уклоном, показал, что у школьников недостаточно хорошо сформированы знания в области охраны окружающей среды. И доказал необходимость наполнения школьного материала по химии вопросами экологической направленности, так как в дальнейшем это позволит сформировать у учащихся экологическую культуру и воспитает в них ответственность за сохранность окружающей природной среды.

5. Литературный обзор и Приложение 1 содержат материал, который учителя могут использовать при проведении уроков по химии.

6. Тесты и ролевые игры, представленные в Приложении 1, могут быть использованы для контрольных мероприятий и внеклассных уроков.

Результаты проведенного в школе - Гимназии №14 эксперимента показали улучшение усвоения материала школьниками, что способствовало развитию экологического воспитания школьников и расширило их познания в области охраны окружающей природной среды

Литература

1. Т.Н. Кровельщикова, А.В. Коршунов Из опыта реализации экологического подхода к обучению химии. Химия в школе, №8, 2002 г., с.40-42.

2. Бурая Н.В., Машерова П.М. Интеграция знаний и умений как условие творческого саморазвития личности. Химия в школе, №10, 2001г., с.23-32.

3. «Большая Советская Энциклопедия» Издательство «Советская Энциклопедия». Москва 1976 г.

4. А.Г. Кульман «Общая химия» Издательство «Колос». Москва 1968 г.

5. «Неорганическая химия» Пособие для абитуриентов и старшеклассников. Издательство «Московский Лицей». Москва 1996 г.

6. Б.В. Мартыненко «Кислоты - основания», Издательство «Просвещение». Москва 1988г.

7. Чехов О.С., Назаров В.И., Кадлыгин В.Г. Вопросы экологии в стекольном производстве. - М.: Легкпромиздат, 1990. - 144 с.

8. «Химия» Справочные материалы. Издательство «Просвещение». Москва 1989 г.

9. Ю.В. Никитин «Поделочные камни и их обработка», Издательство «Наука». Ленинград 1979 г.

10. «Полезные ископаемые».- М:, Издательство «Недра», 1982 г.

11. Рохов Юджин Джордж. Мир кремния.- М6, Химия, 1990 г.,- 147 с.

12. Шаов А.Х. Элементы периодической системы Д.И. Менделеева с точки зрения химической экологии: Справочное пособие. - Н.:, КБГУ, 2003 г., 166с.

13. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия, учебник для 9 класса М.; Просвещение, 2002 г. -192 с.

14. Рабочая тетрадь по химии. Газета «Химия», №4, 2008 г.,М:

15. Рабочая тетрадь по химии. Газета «Химия», №9, 2008 г.,М:

16. Химический КВН. И.Г. Афонина // Химия в школе., М.: 2001, №2.

17. Дом на необитаемом острове. С.А. Демьянова // Химия в школе.,М.: 2001, №9.

18. Как мы изучаем силикатную промышленность. Л.А. Ерыкалова // Химия в школе., М.: 2008, №2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

1. Химический КВН.

Организация внеклассной работы по предмету имеет очень важное значение. Она способствует формированию интереса к химии, развивает творческие способности учащихся и создает условия для самовыражения. В рамках предметной недели можно провести различные мероприятия [16,17,18]. Например, химический КВН. КВН можно провести между двумя командами X и XI классов («Индикаторы» и «Химические братья»). КВН позволит не только украсить предметную неделю, но и позволить выяснить уровень остаточных знаний у учеников по пройденному ранее материалу.

Итак, Вашему вниманию представляется Химический КВН.

Презентация команд.

Голос из-за кулис «Менделеев-пикчерс и 10 Б-телевидение» представляют чисто химический проект «Особенности интернациональных индикаторов».

На сцену выходят участники команды в белых халатах с надписями (формулы воды, кислот, щелочей). Они поют песни о свойствах индикаторов. По ходу песни на сцене появляются Лакмус, Фенолфталеин и Метилоранж, которые в нужный момент иллюстрируют изменение окраски индикаторов сменой халатов соответствующих цветов. В заключительный момент участники команды поворачиваются к зрителям и жюри спиной, и на их спинах буквы образуют название «Индикатор».

Презентация команды «Химические братья» начинается с выхода забинтованных калек с костылями. Они ведут диалог о несоблюдении правил безопасности при выполнении опытов. Эту тему подхватывает группа реперов. Выступление заканчивается проходом по сцене «поезда», пассажиры которого - элементы, названные в честь выдающихся ученых. Последний пассажир - элемент № 114, на его спине - табличка с надписью: «Мухамедий» (из-за отсутствия названия элемента № 114 ребята дали ему название по фамилии одного из участников команды). Пассажиры поют:

Не жди меня, мама, хорошего сына,

Твой сын не такой как был вчера,

Его засосала научная трясина….

Мухамедий нажми на тормоза!

В перерывах между конкурсами устраиваем музыкальные паузы.

Разминка.

Ведущий задает каждой команде по 10 вопросов в быстром темпе.

1. Определенный вид атомов. (Химический элемент)

2. Химик, который ввел современное обозначение химических элементов. (Берцелиус)

3. Автор атомно-молекулярного учения. (Ломоносов)

4. Молярный объем газов при нормальных условиях. (22,4 л/моль)

5. Процесс соединения многих одинаковых молекул в более крупные. (Полимеризация)

6. Сходные по строению вещества, отличающиеся на одну или несколько групп CH_2. (Гомологи)

7. Частица с неспаренным электроном, обладающая химической активностью. (Радикал)

8. Другое название циклопарафинов. (Нафтены)

9. Ученый впервые предложивший химическую формулу бензола. (Кекуле)

10. Физический процесс разделения нефти на фракции. (Перегонка)

11. Самая легкая жидкость. (Жидкий водород)

12. Растворимые в воде основания. (Щелочи)

13. Вращение электрона вокруг собственной оси. (Спин)

14. Процесс отдачи электронов. (Окисление)

15. Все ли вещества состоят из молекул? (Нет)

16. Оксид реагирующий и с кислотами, и с щелочами. (Амфотерный)

17. Масса одного моля вещества. (Молярная)

18. Природные источники углеводородов. (Нефть, газ, каменный уголь)

19. Процесс разложения органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. (Пиролиз)

20. Число Авагадро. (6,02 • 10²³ частиц в одном моле вещества.)

Конкурс капитанов.

Сначала каждому капитану предлагается распознать два вещества по запаху, например уксусную кислоту и бензол; этанол и ацетон.

Затем ассистент демонстрирует в двух цилиндрах опыт «Дым без огня». Капитанам необходимо записать на бумаге названия веществ, взятых для проведения опыта.

Наконец, последнее испытание: ассистент поочередно переливает растворы из первого цилиндра во второй (бесцветная жидкость становиться малиновой), из второго в третий (окраска исчезает), из третьего в четвертый (образуется белый осадок). Капитанам нужно за отведенное время записать на бумаге уравнения возможных реакций и сдать жюри. Конкурс регламентирован по времени.

Химические конкурсы.

Ты - мне, я - тебе

Команды задают друг другу по три подготовленных заранее вопроса.

* В XVII - XVIII в. В России это вещество называли «соленый спирт», «морская кислота». В 1790 г. русский академик Лаксман ввел для него название, которым мы пользуемся по сей день. Какое это вещество? (Соляная кислота.)

* Его изобрели как дорогой упаковочный материал для подарков, цветов, ювелирных изделий. В наши дни оно стало не чуть ли самым главным мусором планеты. (Целлофан.)

* Лао-цзы утверждал, что «самое мягкое и слабое существо в мире, но в преодолении твердого и крепкого она непобедима и нет ей на свете равного в этом». О каком веществе идет речь? (Вода)

* Залежи этого есть в Японии и в Доминиканской Республике, но 95 % находятся в Калининградской области России. (Янтраь).

* Его разновидности называют «карбонадо», «борт», его плотность 3,5 г/см³. Это полупроводник. Твердость этого кристалла равна 10. (Алмаз.)

* По приказу Наполеона для солдат было разработано дезинфицирующее средство с тройным эффектом - лечебным, гигиеническим и освежающим. Ничего лучшего не было придумано и через сто лет, поэтому в 1913 г. на выставке в Париже это средство получило «Гран-при». Под каким названием оно выпускается у нас в стране? (Тройной одеколон.)

Конкурс кроссвордов

1. Единица количества вещества.

2. Русский композитор и химик-органик.

3. Темно-бурая жидкость, галоген.

4. Химический элемент, самый легкий газ.

5. Инертный газ.

6. Лабораторный сосуд.

7. Диметилзамещенное бензола.

8. Радикал пропана.

9. Сложные вещества, состоящие из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп.

Написав правильные ответы, в выделенном столбце Вы сможете прочитать фамилию великого русского ученого-энциклопедиста.

1. Вид ковалентной связи в молекулах органических веществ.

2. Химический элемент, входящий в состав головок спичек.

3. Радикал этилена.

4. Углеводороды с двумя двойными связями.

5. Тип химических реакций характерных для алканов.

6. Гомолог бензола.

7. Смесь углеводородов, маслянистая жидкость.

8. Основной продукт пиролиза нефти.

9. То, из чего состоит тело.

Написав правильные ответы, в выделенном столбце Вы сможете прочитать фамилию великого русского ученого, автора периодического закона химических элементов.

Экспериментальная заморочка.

В результате жеребьевки каждая команда получает конверт с заданием.

* Получите кислород, соберите его в пробирку и докажите наличие этого газа.

* Получите углекислый газ, соберите его в пробирку и докажите наличие этого газа.

При представлении результатов опытов учитываются выполнение правил безопасности, грамотность проведения эксперимента и содержание сопроводительного рассказа.

Домашнее задание.

Командам было предложено подготовить инсценировку сказок «ЧП в государстве Организм» и «Магия чудес».

В заключении по традиции члены жюри делятся своими впечатлениями о конкурсе, оценивают выступления команд, вручают призы.

2. Дополнительные задания для укрепления химических и экологических знаний учащихся средней общеобразовательной школы [14,15].

Вопросы:

1. Какова химическая активность кремния?

2. Напишите уравнения реакций кремния с:

а) кислородом

б) хлором

в) магнием.

Укажите роль кремния в этих реакциях - окислитель или восстановитель.

3. Напишите уравнения реакций, протекающих при сплавлении оксида кремния SiO₂ c:

а) гидрооксидом кальция

б) оксидом магния

в) карбонатом натрия.

Относятся ли эти реакции к окислительно-восстановительным? Назовите образующиеся соли.

4. Коротко охарактеризуйте состав и свойства кремниевых кислот. Приведите уравнение реакции получения кремниевой кислоты.

5. Что представляет собой стекло?

6. Какие особенные свойства стекла обусловливают его многообразное применение?

7. Уравнение реакции при варке оконного стекла можно записать так:

CaCO₃ + Na₂CO₃ + 6 SiO₂ = Na₂O • CaO • 6 SiO₂ + 2 CO₂^

мел сода песокстеклоуглекислый

кальцин.газ

Сколько граммов каждого из исходных веществ надо взять, чтобы получить 100 кг стекла?

8. Напишите уравнения реакций для цепочки химических превращений:

Mg H₂

SiO₂ > Si > SiCl₄ > Si > Si O₂ > Na₂SiO₄

9. Рассчитайте, сколько килограммов оксида кремния и угля потребуется для получения 80 кг карбида кремния SiC по уравнению реакции:

SiO₂ + 3C = 2 Si C + 2 CO^

10. Сколько должно получиться стекла (по массе) из шихты (смеси) состава: 100 г оксида кремния SiO_2, 38 г кальцинированной соды Na₂CO₃ и 30 г мела CaCO₃? (подсказка - весь содержащийся в соде и меле диоксид углерода улетит. Оставшиеся нелетучие оксиды, сплавляясь, образуют стекло).

11. Какова предельно-допустимая концентрация (ПДК) диоксида кремния в воздухе рабочей зоны помещения, в мг/м³ ?

12. Какова предельно-допустимая концентрация (ПДК) борной кислоты в воздухе рабочей зоны помещения, в мг/м³ ?

13. Соединения кремния относят к токсичным веществам. К какой профессиональной болезни приводит вдыхание мельчайших частиц пыли диоксида кремния и других соединений кремния?

Ответы:

1. Кремний - химически малоактивное вещество.

2. а) Si + O₂ = SiO₂

б) Si + 2 Cl₂ = SiCl₄

в) Si + 2 Mg = Mg₂Si.

В реакциях а) и б) кремний - восстановитель, в реакциях в) - окислитель.

3. а) SiO₂ + 2 Ca(OH)₂ = Ca SiO₄ + 2 H₂O

б) SiO₂ + 2 Mg O = MgSiO₄

в) SiO₂ + 2 Na₂CO₃ = Na₄SiO₄ + 2CO₂^.

Реакции а) и в) не окислительно-восстановительные.

4. Кремниевые кислоты - это вещества переменного состава с формулой m H₂O • n SiO₂, где m и n равны 1,2,3 и т.д. Например, в кислоте H₂ SiO₃ m=1, n=1; в кислоте H₂ SiO₄ m=2, n=1. Кремниевые кислоты очень слабые и нерастворимы в воде. В структуре SiO₂ и в кремниевых кислотах каждый атом кремния соединен химическими связями с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода - с двумя атомами кремния. Уравнение реакции получения кремниевой кислоты:

K₄SiO₄ + 4 HCl = H₄ SiO₄ + 4 KCl

5. Стекло - это некристаллическое вещество, получаемое при охлаждении расплава силикатов натрия и кальция. В твердом стекле группы атомов расположены не в строгом порядке, как в кристаллах, а хаотично, как в жидкости. Химическая формула оконного стекла: Na₂O • CaO • 6 SiO₂. Стекла не имеют определенных температур плавления. Они прозрачны, химически малоактивны. Если при получении стекла в исходную смесь добавить FeO, то стекло приобретает зеленоватый оттенок. Введение CoO обеспечивает синий цвет стекла, добавка MnO - фиолетовый.

6. Прозрачность и низкую теплопроводность стекла используют при остеклении окон домов. Стекло - дешевый материал, легко принимает заданную форму, поэтому оно служит для изготовления упаковочной тары и емкостей: бутылок, флаконов, стаканов, кастрюль. Химическую инертность стекла используют при создании посуды (в том числе химической) и химических препаратов, работающих в агрессивных средах (например, в среде соляной кислоты). Стеклоблоки широко применяют как строительный материал. В последнее время из стекла делают оптические волноводы, передающие свет на сотни километров. Недостатки стекла - хрупкость, неустойчивость к действию щелочей.

7. 22,6 кг Na₂CO₃, 20,9 CaCO₃, 75,3 кг SiO₂.

8. 1) SiO₂ + 2 Mg = MgО + Si;

2) Si + 2 Cl₂ = SiCl₄;

3) SiCl₄ + 2 Н₂ = Si + 4НCl;

4) Si + O₂ = SiO₂;

5) SiO₂ + 4 NaОН = Na₄SiO₄ + 2 H₂O.

9. 120 кг SiO₂ и 72 кг С.

10. 40 кг.

11. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) диоксида кремния в воздухе рабочей зоны помещения 1 мг/м³ .

12. предельно-допустимая концентрация (ПДК) борной кислоты в воздухе рабочей зоны помещения 10 мг/м³.

13. Вдыхание мельчайших частиц пыли и других соединений кремния вызывают опасную профессиональную болезнь - силикоз.