Ферум. Характеристика елемента. Поширення в природі. Біологічна роль. Фізичні й хімічні властивості заліза: взаємодія з неметалами, водою, кислотами, солями

Профільний рівень. 11 клас. Тема 2. Ферум. Залізо

Тема уроку: Ферум. Характеристика елемента. Поширення в природі. Біологічна роль. Фізичні й хімічні властивості заліза: взаємодія з неметалами, водою, кислотами, солями

Мета уроку:

Освітня: сформувати в учнів знання про фізичні й хімічні властивості заліза, сполук Феруму (ІІ) та Феруму (ІІІ), порівняти властивості сполук Феруму(ІІ) і Феруму (ІІІ), закріпити знання про залежність властивостей сполук Феруму від ступеня окиснення атомів, сформувати вміння студентів записувати рівняння реакцій, які характеризують основні хімічні властивості заліза й сполук Феруму, розглянути біологічну роль заліза, його функції в організмі.

Розвиваюча: розвинути критичність, систематичність, послідовність мислення; встановлювати причино- наслідкові зв`язки; сформувати вміння порівнювати, аналізувати, робити висновки, працювати з додатковою науково-популярною літературою, готувати стислі повідомлення, розвивати вміння самостійно працювати з текстом та малюнками підручника.

 Виховна: виховувати розуміння цінності природи як першоджерела матеріальних і духовних сил кожної людини; формувати науковий світогляд, здійснювати екологічне, естетичне, патріотичне виховання.

Тип уроку: комбінований

Методи і методичні прийоми: словесні (розповідь, пояснення, бесіда),наочні (демонстрація таблиць, гербаріїв), практичні (робота з таблицями, виконання лабораторної роботи, демонстрації).

Предметні компетентності:

учні складають рівняння реакцій, що підтверджують відновні властивості заліза, характеризують фізичні властивості та застосування заліза, порівнюють фізичні та хімічні властивості алюмінію і заліза, оцінюють біологічне значення Феруму.

Ключові компетентності:

спілкування державною мовою, математична компетентність, основні компетентності у природничих науках і технологіях, інформаційно-цифрова компетентність, екологічна грамотність і здорове життя, уміння вчитися упродовж усього життя.

Внутрішньопредметні і міжпредметні зв’язки: біологія, фізика, географія

Обладнання: реактиви періодична система хімічних елементів, таблиця розчинності, ряд активності металів,  солі Феруму (ІІ), (ІІІ), червона кров’яна сіль, жовта кров’яна сіль , роданід амонію ,  штатив з пробірками ,  колекція сполук заліза, металева проволока.

Література:

• Навчальна програма для закладів загальної середньої освіти «Хімія 10-11 класи. Профільний рівень» URL:https://mon.gov.ua/ua/osvita/zagalna-serednya-osvita (дата звернення: 09.10.2022)
• Хімія : підруч. для 11 кл. закладів загальної середньої освіти : профіл. рівень. Григорович  О.В.- Х.: Ранок, 2018.- 310 с.

Структура уроку:

Хід уроку

І. Організаційний момент

Привітання. Перевірка присутності та готовності  учнів до уроку.

ІІ. Актуалізація опорних знань

• Охарактеризуйте склад атома нукліда Алюмінію-27.
• Назвіть властивості алюмінію, завдяки яким цей метал використовують на практиці.
• Що таке періодична система хімічних елементів? (класифікація хімічних елементів, що встановлює залежність різних властивостей елементів від заряду їхнього атомного ядра).
• Які природні металічні елементи ви можете назвати? (золото, срібло, мідь, ртуть, платина).
• Скільки електронів містить атом Алюмінію, на скількох енергетичних рівнях вони розташовані?  (містить 13 елетронів, на трьох енергетичних рівнях).

• Що таке амфотерність?  (здатність сполук проявляти кислотні й основні властивості. Амфотерними є оксид Al₂O₃ і гідроксид Al(OH)₃.)
• Що таке ртуть? (проста речовина, сріблясто-білий важкий метал, рідкий за кімнатної температури).

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності, повідомлення теми, мети і завдань уроку

Давні єгиптяни називали його «вааепера», що означає „той, що народився у небі”. Давні копти називали його «каменем неба». Вироби з нього цінувалися дорожче за золото. Один східний деспот навіть видав указ, яким під страхом смертної кари заборонялося всім, крім нього, носити зроблені з цього металу прикраси. В „Одіссеї” Гомера розповідається, що переможцям спортивних змагань вручали шматок цього металу та шматок золота - найбільші на той час коштовності. Алхіміки вважали його настільки неблагородним металом, що навіть займатися ним не хотіли.

•  Що ж це за метал? Які властивості він має? Про це ми дізнаємося на сьогоднішньому занятті.

Метали відомі здавна. Ще зі стародавності люди знали сім хімічних елементів, серед них і метал, який ми починаємо вивчати.

• Яку просту речовину ми швидше за все розуміємо під словом метал? Залізо.

«Залізо не лише основа всього світу, найголовніший метал  оточуючої нас природи , але і основа культури та промисловості . воно знаряддя праці й війни. І важко в усій таблиці Менделєєва знайти інший такий  елемент . який був би так тісно пов’язаний з минулими , сучасними та майбутніми  долями людства »  А.Е.Ферсман.             

IV. Сприйняття і усвідомлення  учнями нового матеріалу, осмислення зв’язків та залежностей між елементами виучуваного

Загальна характеристика хімічного елемента

Ферум — металічний елемент. Він має відносно невелику електронегативність 1,83 (за Полінгом), що характерно для більшості металічних елементів. За будовою електронної оболонки атома він є d-елементом, оскільки в його атомів електронами заповнюється d-підрівень:

У більшості сполук Ферум виявляє два ступені окиснення. Втрачаючи два електрони зовнішнього енергетичного рівня, його атоми набувають заряд +2:

У такому стані в йонах Fe²⁺ на Зd-підрівні міститься шість електронів, але більш стабільним є стан, коли Зd-підрівень буде заповнений наполовину. Для цього йону Fe²⁺ необхідно віддати один електрон. У такий спосіб утворюються йони Fe³⁺, які мають стабільнішу електронну конфігурацію:

Унаслідок цього ступінь окиснення +3 для Феруму стабільніший за +2. Як виняток, Ферум може віддавати шість електронів і виявляти ступінь окиснення +6 . Однак сполуки, у яких містяться Fe⁺⁶, трапляються досить рідко. Сполук, у яких ступінь окиснення Феруму +8 , ще не виявлено.

Ферум(ІІ) оксид і ферум(ІІ) гідроксид — основні речовини, а ферум(ІІІ) оксид і ферум(ІІІ) гідроксид — амфотерні. Сполуки Феруму в ступені окиснення +3 виявляють окисні властивості.

Унаслідок цього під час хімічних реакцій атоми Феруму як металічного елемента можуть відщеплювати два, три, чотири або шість електронів і виявляти в сполуках ступені окиснення +2 (FеО), +3 (Fе203), +4 (К2Fе03) і +6 (К2Fе04),

1) Ферум.

2) Fe

3) Ar (Fe) = 56

4) (26, період 4, VІІІ, побічна).

5) (+26, nр=26, n=30, е=26).

6) ІІ, ІІІ

7) Ме

8) Fe - залізо.

Бачити молекулу неозброєним оком – реально, побувати в ній – запросто. Столиця Бельгії  надає  таку можливість , серед класичних європейських будівель виділяється атомна модель  під назвою Атоміум,   яка була спроектована до міжнародної виставки , що проходила в Брюсселі (мал.1)

Мал.1  «Атомна модель  під назвою Атоміум»

Походження назви, поширення в природі  

У чистому природному стані залізо зустрічається лише в небагатьох місцях на Землі ,  наприклад на заході Гренландії. Чисте залізо іноді знаходять в метеоритах (залізо космічного походження). Протягом останніх 50 років випало 453 метеоритних дощі , які принесли на Землю 672 т метеоритного заліза. Це залізо порівняно легко піддається обробці , й саме з нього людина почала виготовляти найпростіші знаряддя . Але , на жаль, метеорити за замовленням на Землю не падали , а потреба в залізі була постійною.

 Набагато частіше залізо зустрічається у вигляді хімічних сполук.

За поширенням у природі Ферум серед металічних елементів посідає друге місце після Алюмінію. Ферум входить до складу майже усіх гірських порід , піску, глини , головним чином оксигеновмісних сполук , які називають залізними рудами. 

Це :

бурі залізняки ( основний мінерал – лімоніт 2Fe2O3 *3H2O), 

червоні залізняки ( основний мінерал   -гематит Fe2O3),

магнітні залізняки ( основний мінерал - Fe3O4), 

сидеритові руди ( основний мінерал - FeCO3 ) ,

залізний колчедан , або пірит FeS2 

Біологічна роль Феруму 

Ферум є біологічно важливим елементом. Він міститься в організмах усіх тварин і в рослин . Ферум входить до складу цитоплазми рослин , бере участь у процесі фотосинтезу. В організмі дорослої людини міститься близько

4 г Феруму. Він накопичується здебільшого в печінці , кістковому мозку, селезінці . Але основна частина Феруму входить до складу гемоглобіну – червоного пігменту крові, який виконує функцію переносу кисню від легень до тканин, а в зворотному напрямку — вуглекислого газу. Тому обов’язково треба вживати харчові продукти, багаті на Ферум: петрушку, печінку, телятину, гречку, курагу тощо.

Фізичні властивості Феруму

- Що називають властивостями речовини? (Ознаки, за якими одна речовина подібна до іншої, чи відрізняється від неї).

 - Які види властивостей вам відомі? (Розрізняють властивості фізичні та хімічні)

 - Які властивості називають фізичними? (Властивості, які можна побачити неозброєним оком чи виміряти за допомогою приладів).

Демонстрації «Природні сполуки Феруму»

Розгляньте зразок металу заліза і вкажіть його фізичні  властивості  користуючись алгоритмом :

Агрегатний стан                        ( тверда речовина );

Колір                                            (  сріблясто – білого кольору або сірий метал  

                                                       внаслідок швидкого окиснення на вологому 

                                                       повітрі)

Запах                                            ( без запаху)

Смак                                             ( без смаку)

Металічний блиск                     ( добре виражений)

Відношення до води                  ( нерозчинний у воді)

Твердість                                     ( м’який , досить ковкий)

Густина                                        ( більша за воду 7,874г/см³)

Електропровідність                   ( добра )

Теплопровідність                        ( добра )

Температура плавлення           1539⁰С , тугоплавкий з феромагнітними властивостями (легко намагні­чується і розмагнічується .

Хімічні властивості Феруму

Лабораторний дослід « Якісні реакції на йони Fе²⁺ , Fе³⁺ »

Залізо – метал середньої хімічної активності.

У найстійкіших сполуках  Ферум виявляє ступені окиснення +2,+3,+6.

1. Повільно окиснюється на вологому повітрі (процес іржавіння). У разі нагрівання взаємодіє з багатьма неметалами (галогенами , киснем, сіркою, фосфором , вуглецем , силіцієм), водою:

                                                  2Fе + ЗС1₂=2FеС1₃

                                                  ЗFе + 2О₂=Fе₃О ₄

                                                   Fе +   S =FеS

При дуже високій температурі  реагує з :

                                                  ЗFе + С = Fе₃С

                                                   4 Fе + 3Si =  Fe₄Si₃

                                                                                  3Fe + 2P = Fe₃P₄

2.Взаємодіє з водою після зняття оксидної плівки:

У  розжареному стані (понад 700⁰С) взаємодіє з водою (водяною парою)

                                                 ЗFе + 4Н₂0 = Fе₃0₄+4Н₂

Fе₃0₄ (залізна окалина) — змішаний оксид (FеО • Fе₂0₃), найстійкіша оксигеновмісна сполука Феруму.

3.Залізо витискує менш активні метали з розчинів їх солей:

                               Fе + СиS0₄ = FеS0₄ + Си ↓

4. Залізо розчинається в розбавлених кислотах:

                         Fе + 2НС1→ FеС1₂ + Н₂ ↑(без доступу повітря).

                         Fe  + H₂SO₄ (p) = FeSO₄ + H₂↑

При доступі повітря йде подальше окиснення:

                                     4FеС1₂ + 4НС1 + 0₂ → 4FеС1₃ + 2Н₂0

5.Концентровані сульфатна і нітратна кислоти за кімнатної температури пасивують залізо.

У разі взаємодії з розбавленою нітратною кислотою під час нагрівання утворюються сполуки Феруму(Ш), а в результаті дії дуже розбавленої — сполуки Феруму(П):

                       Fе + 4НNO_{3 (роз6}, _гар) = Fе(N0₃)з + N0 ↑+ 2Н₂0

5Fе + 12НNO_{3 (дуже розб},  t  =₁₀ 0-_С) = 5Fе(NO₃)₂ + N₂ ↑+ 6Н₂0

Сполуки Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ): оксиди та гідроксиди,солі

Ферум утворює такі оксиди та гідроксиди:

FеО Fе₃0₄ Fе₂0₃

Fе(0Н)₂ Fе(0Н)₃

Посилюються окисні властивостi--------------------------→

Послаблюються основні  властивостi --------------------→

Посилення кислотних властивостей сполук Феруму(ІІІ) порівняно із сполуками Феруму(І І) пояснюється збільшенням ковалентності зв’язку Fe –O  та із  підвищенням ступеня окиснення Феруму.

Добування. Ферум(І І) оксид одержують термічним розкла­данням ферум(П) оксалату та ферум ( І І ) гідроксиду без доступу повітря:

                                               FеС₂О₄   =   Fе О + СО + СО₂

                                               Fе(ОН)₂ = FеО + Н₂О

Ферум(Ш) оксид утворюється внаслідок розкладання Fе(ОН)₃ на повітрі:

                    2Fе(ОН)₃ = Fе₂О₃ + ЗН₂О

Fе₃О₄ можна одержати у разі нагрівання (800 °С) заліза з во­дяною парою, а також із Fе₂О₃:

ЗFе + 4Н₂О_(пара) = Fе₃О₄ + 4Н₂

                                                          ₁₃₀₀⁰_C

                                            6Fе₂О₃ ------→  4Fе₃О₄ + О₂

Із наведених прикладів видно, що для добування оксидів Фе­руму використовують непрямі способи . Вони ж лежать і в основі одержання гідроксидів Феруму:

                    FеSО₄ + 2КОН = Fе(ОН)₂ ↓ +  К₂SО₄ (в атмосфері N₂)

                    Fе₂(SО₄)₃ + 6КОН = 2Fе(ОН)₃ ↓ + ЗК₂SО₄

Усі оксиди і гідроксиди Феруму нерозчинні у воді.

Хімічні властивості сполук Феруму

Оксиди і гідроксиди Феруму обох ступенів окиснення мають амфотерні властивості. У сполук Феруму(ІІ) вони дуже слабко виражені , тому ферум(ІІ) оксид і ферум(ІІ) гідроксид виявляють переважно основні властивості:

FеО виявляє головним чином основні властивості , тому взаємодіє тільки з розчинами кислот:

                                            FеО + Н₂SО₄ = FеSО₄   + H₂O

Ферум(П) гідроксид виявляє , якщо він свіжодобутий і під час кип’ятіння , амфотерні властивості, але пере­важно основні:

Fе(ОН)₂ + 2НС1_(роз6) = FеС1₂ + 2Н₂0

Реагує з     концентрованим розчином лугу утворюючи  Натрій тетрагідроксиферат(ІІ): 

                                 Fе(ОН)₂ +2NаОН_{(kon  ω=50%)} → Nа₂[Fе(ОН)₄]

Fе₂О₃ і Fе(ОН)₃ — амфотерні сполуки,  тому взаємодіють як з кислотами, так і лугами:

                 Fе₂О₃ + ЗН₂SО_4(роз6) = Fе₂(SО₄)₃ + ЗН₂О

                 Fе₂О₃ + 2NаОН —^{cnікания} → 2NаFеО₂   +  Н₂О

                 натрій метаферит(Ш)

                 Fе(ОН)₃ + ЗНС1 = FеС1₃ + ЗН₂0

Fе(ОН)₂ — сильний відновник , бо спроможний окиснюватися навіть на повітрі:

                 4Fе(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fе(ОН)₃

Fе(ОН)₃ виявляє окисно-відновні властивості лише за наявності сильних відновників або окисників:

2Fе(ОН)₃ + ЗН₂ = 2Fе + 6Н₂О — окисні властивості

2Fе(ОН)₃ + ЗВг₂ + 10КОН = 2К₂FеО₄  + 6КВг + 8Н₂0

     калій ферат(УІ)

Гідроксиди Феруму(ІІ) і (ІІІ) під час нагрівання розкладаються:

                                     2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

                                       Fe(OH)₂ = FeO + H₂O

Подвійний (змішаний) оксид під час взаємодії з кислотами утворює суміш двох солей – Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ):

                      Fe₃O₄ + 8HCl = 2FeCl₃ + FeCl₂ + 4H₂O

                      Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + FeSO₄ + 4H₂O

Якісні реакції на йони Fе²⁺ , Fе³⁺ 

Реакції йонів Fe²⁺

              FeSО₄ + 2NН₄ОН → Fе(ОН)₂ ↓ + (NH₄)₂SО₄

                                        осад білого кольору.

ЗFеSО₄ + 2К₃[Fе(СN)₆]      =        Fе₃[Fе(СN)₆]₂  ↓ + ЗК₂SО₄

                             червона              турнбулева синь

кров'яна сіль

Розчини солей Феруму(П) забарвлені в блідо-зелений колір.

Реакції йонів Fe³⁺

FеС1₃ + 3NH₄ОН → Fе(ОН)₃ ↓ + ЗNН₄С1

                           буро-червоний осад).

2.Йони Fе³⁺ із жовтою кров'яною сіллю утворюють осад

бер­лінської лазурі:

4FеС1₃ +       ЗК₄[Fе(СN)₆]      =   Fе₄[Fе(СN₆]₃ ↓ + 12КС1

жовта кров'яна сіль берлінська лазурь

3. Амоній роданід (тіоціанат) з йонами Fе³⁺ утворює розчин
криваво-червоного кольору:

                    FеС1₃ + ЗКSСМ = Fе(SСN)з + ЗКС1

 Лабораторний дослід «Якісні реакції на виявлення йонів Fe²⁺  , Fe³⁺ »

Мета : провести якісні реакції на виявлення йонів Fe²⁺  , Fe³⁺    в розчині.

Обладнання :  штатив з пробірками .

Реактиви :   розчини ферум (ІІ) і ферум (ІІІ) сульфатів або хлоридів, розчини червоної та жовтої кров’яної солі, роданіду амонію.

Завдання : виконайте  роботу і оформіть  звіт , заповніть таблицю.

Правила техніки безпеки

1. Робоче місце має бути звільнене від сторонніх речей.
2. Перед початком досліду уважно читай етикетку , щоб правильно вибрати реактив.

3. Відкривши посудину з реактивом , потрібно класти пробку догори дном.

4.Надлишок взятого реактиву не можна зливати ( висипати ) назад у посуд;  розчини кислот, лугів брати краплями ; тверді речовини чи розчини солей – щоб ледь покрили дно пробірки.

5.Реактив наливати за правилом , щоб розчин не потрапив на етикетку .

6.Посудину , з якої взяли реактив, слід відразу ж  закрити пробкою і поставити на місце.

7.Жодні реактиви не можна пробувати на смак.

8.Після роботи відпрацьовані реактиви можна зливати у раковину тільки після їх повної нейтралізації.

9.Після роботи вимийте посуд, приберіть робоче місце , ретельно вимийте руки.

10.У разі потрапляння їдких речовин на руки чи одяг негайно змийте їх великою кількістю води , нейтралізуйте та знову змийте водою.

11.Категорично забороняється проводити досліди , не зазначені в роботі , та самостійно зливати і змішувати реактиви.

Зробіть висновок :

Йони Fe²⁺ ,  Fe³⁺    в розчині виявляють шляхом проведення відповідної якісної реакції .

Якісною реакцією на  йони Fe²⁺   є ____________________________________________________________________________________________________________________________________

Якісною реакцією на  йони Fe³⁺   є  

V. Узагальнення і систематизація знань

1. Якою є будова атома заліза?
2. Якою є поширеність заліза в природі?
3. Як одержують залізо з його руд? Вкажіть види залізних руд.
4. Опишіть фізичні властивості заліза
5. Допишіть хімічні реакції, розставте в них коефіцієнти:

         1.    Fe + Cl₂ =…                                    2.     Fe + Br₂ =…

Розставте коефіцієнти в рівняннях реакцій:

1. Fe + О₂ =Fe₃ О₄

2. Fe + НСl =FeСl ₃ + Н₂

3. Fe₂ О₃ + Аl =Аl₂ О₃ + Fe

7). Обчисліть масову частку Феруму в його оксидах: FeО, Fe₂О₃, Fe₃О₄
Закінчити речення очікувань:

1. Я знаю, що Ферум у періодичній системі розташований у ______ періоді, ________групі ________________ підгрупи.

2. Я знаю, що валентність Феруму _________, може бути _________ та ________.

3. Я знаю, що Ферум утворює _____ просту речовину - _______________ .

4. Я знаю, що відносна атомна маса Феруму та відносна молекулярна маса заліза чисельно співпадають і дорівнюють _________________ .

5. Я знаю, що за агрегатним станом залізо __________ речовина, яка не має __________, __________ та __________ .

6. Я знаю, що залізо _________ у воді, добре проводить _________ та ______

7. Я знаю, що залізо притягується _________ .

8. Я знаю, що залізо – хімічно ___ речовина, реагує з простими речовинами, такими як: __________ та __________.

Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких
можна здійснити такі перетворення:

Fе  → FеС1₂ → Fе(ОН)₂ →Fе(ОН)₃ →Fe₂O₃→ Fe → FeS

Які з цих реакцій та чому є окисно-відновними?

Підбиття підсумків уроку

VI. Інтерактивна гра « Мікрофон» закінчи речення.

« Сьогодні на уроці я повторив…»

« Сьогодні на уроці я зрозумів…»

« Сьогодні на уроці я дізнався…»

« Сьогодні на уроці я навчився…»

VII. Повідомлення домашнього завдання

Параграф 60-61, закінчити розв`язок завдань