Інтегрований урок з хімії, географії у 10 класі «Способи добування металів. Доменне виробництво чавуну»

Інтегрований урок  з хімії, географії «Способи добування металів. Доменне виробництво чавуну»

Мета: поглибити знання учнів про способи одержання металів; вивчити хімічні процеси, які лежать в основі доменного виробництва чавуну; повторити поняття про металургійний комплекс України, його значення; розвивати пам'ять, мислення, уміння працювати з текстом, таблицями, додатковими джерелами знань, складати рівняння окисно-відновних реакцій, що лежать в основі виробництва чавуну; здійснювати патріотичне, екологічне й економічне виховання.

Тип уроку: інтегрований урок, вивчення нового матеріалу.

Форми роботи: групова, проблемна бесіда, розв’язання розрахункових задач виробничого характеру.

Обладнання: комп’ютер, проектор, таблиці, набір корисних копалин.

Хід уроку

І. Організаційний момент

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

Учитель хімії

Ви вже знайомилися зі способами одержання металів, знаєте, що собою представляють відновники, які найчастіше використовуються у процесах, що відбуваються під час добування металів з руди. На уроках географії ви ознайомилися з основними басейнами залізної руди в Україні.

Але перш ніж почати перевіримо домашнє завдання. (частина учнів працює у програмі MyTest, інші на аркушах).

Перевірка правильності виконання тестів. 

Учитель географії

Метою цього уроку є не тільки поглиблення й конкретизація знань про сплави, способи їх отримання, а більш детальне ознайомлення з процесами, що відбуваються в доменній печі під час виготовлення чавуну. На уроці ми розглянемо екологічні аспекти металургії, застосовуватимемо на практиці знання з географії та хімії. Відео 1

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

Учитель хімії

Як вам відомо з попереднього уроку, зараз у техніці застосовують декілька тисяч сплавів, до складу яких входять майже усі хімічні елементи. Оскільки метали у сполуках знаходяться у окисненому стані, то їх отримання у вільному стані зводиться до відновлення:

Ме⁺ⁿ → Ме⁰

Цей процес можна здійснювати хімічним та електрохімічним шляхом. Під час хімічного відновлення найчастіше використовуються відновники: …( чадний газ, водень, більш активні метали, вуглець)

Сьогодні ми з вами розглянемо способи одержання металів у доменній печі на прикладі заліза.

Учитель географії

Залізо є одним з найбільш поширених металів на Землі, зустрічається у вигляді солей і оксидів, які утворюють потужні родовища залізних руд. Галузь промисловості, що займається виплавкою заліза та його сплавів називається чорна металургія. Відео 2

Можливість широкого використання металів визначається доступністю розробки та запасів сировини. Давайте пригадаємо де та які басейни залізної руди існують у нашій країні.

Повідомлення учня про залізорудні басейни України

1.Загальні запаси залізних руд становлять понад 30 млрд т. Одним із найбільших у світі є Криворізький залізорудний басейн (Кривбас). Він охоплює низку родовищ, що тягнуться смугою завдовжки понад 100 км через Дніпропетровську, Кіровоградську та Миколаївську області. Промислове освоєння басейну почалося в XIX ст. Найбільше значення для господарства мають багаті (вміст заліза — понад 46 %) і високоякісні руди — червоні залізняки (гематити), які майже не містять шкідливих домішок, їх видобувають шахтним способом. Бідні руди (залізисті кварцити), що мають менший вміст заліза (від 20 %), розробляють відкритим способом (у кар'єрах). Гірничі розробки досягають глибини понад 1 000м.

2. Залізні руди з високим вмістом металу залягають також у Кременчуцькому (Полтавська область) і Білозерському (Запорізька область) залізорудних районах, їх видобувають як кар'єрним, так і шахтним способами. У Керченському басейні (Крим) зосереджені відносно бідні руди. Незначна глибина залягання і велика потужність пластів сприяли активному їх освоєнню кар'єрним способом ще з кінця XIX ст. Нині руда там вже не видобувається.  Натомість перспективним може стати Приазовський залізорудний район (Запорізька область).

3. Запаси марганцевих руд в Україні становлять понад 2,5 млрд т. Зосереджені вони в Нікопольському марганцеворудному басейні — одному з найбільших у світі: за видобутком він посідає перше місце, а за запасами друге (після Південної Африки). З кінця XIX ст. руду видобувають відкритим і шахтним способами у західній частині басейну — Нікопольському родовищі (Дніпропетровська область). Натомість Великотокмацьке родовище (Запорізька область) ще не розробляється, хоча в ньому розвідано вдвічі більше запасів руди.

Учитель географії

В цих басейнах видобувається такі види залізних руд. Слайд   5     відео 3

Учитель географії

Уся історія людського суспільства – це історія його взаємодії з природою, з географічним середовищем. Середовище – це і простір для проживання, і дуже важливе джерело ресурсів. Воно впливає на духовний світ, здоров'я і настрій. Географічне середовище утворилося внаслідок тривалої еволюції географічної оболонки під дією антропогенного впливу, тобто вторинної природи: міст, заводів, каналів, транспортних магістралей.

Повідомлення учня про історію металургії

4. На території нашої країни залізо почали добувати ще скіфи в ІІ тис. до н.е. для виготовлення зброї. Один із перших центрів, де виготовляли залізо, існував у кінці І ст.. до н.е. в Закарпатті. У Київській області знайдено фрагменти печі для виплавлення, плуги, коси, мечі, наконечники для стріл, виготовлені з місцевої болотної руди лимоніту. Виробництво заліза на території України відоме з VII — V ст. до н. е. За часів Київської Русі набув поширення сиродутний процес добування заліза, тобто відновлення залізних руд деревним вугіллям у горнах.  У XIV — XVIII ст. на Поліссі, Прикарпатті, в Галичині, на Київщині здійснювалося виробництво металу в горнах і примітивних домницях. Наприкінці XVIII ст. на Поліссі з’явилися перші доменні печі, в яких з         місцевих руд (зокрема, з болотних — лимоніту) виплавляли ливарний чавун на деревному вугіллі. Відео 4

Заводське виробництво чорних металів в Україні набуло розвитку в другій половині ХІХ ст. одночасно з промисловою розробкою покладів кам’яного вугілля в Донбасі та залізних руд у Криворізькому і Керченському басейнах. Перша доменна піч, що працювала на кам’яному вугіллі, була споруджена в 1800 році у Луганську. Починаючи з 80-х років ХІХ ст. великі металургійні заводи, які використовували кокс, з’явились у Донбасі та Придніпров’ї. Перший такий завод став до ладу в 1872 р. у Юзівці (нині — Донецьк). У 1913 р. саме в Україні було зосереджено виробництво металу тодішньої Росії. Діяли 42 доменні та 72 мартенівські печі, 28 конвертерів.

Отже, галузь металургії є однією з найдавніших у нашій країні.

Учитель хімії

Зараз виробництво чавуну здійснюється в доменних печах. Сам процес складається з відновлення заліза з руд, виведення порожньої маси.

Сучасна доменна піч – це вертикальна шахта заввишки більше ніж 30 метрів, об’ємом 5000 м³, ззовні корпус обшитий стальними листами, усередині викладений вогнетривкою цеглою. Зверху в піч завантажують шихту (руда – Fe₂O₃ з домішками оксидів фосфору та силіцію, кокс - С, флюс – вапняк СаСО₃). Знизу в піч подається гаряче повітря 1800°С, збагачене киснем. У нижній частині горить кокс. Відео 5

У процесі роботи доменної печі здійснюється принцип протитоку. Шихта поступово опускається вниз, а назустріч рухаються гарячі гази. Так відбувається протиток і теплообмін.

С + О₂ = СО₂↑

Реакція екзотермічна.

С + СО₂ = СО

Реакція ендотермічна.

У різних температурних зонах печі здійснюються процеси утворення чавуну і шлаку. Відновлення оксиду Феруму відбувається у три стадії.

1. 3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂
2. Fe₃O₄ + CO = FeO + CO₂
3. FeO + CO = Fe + CO₂

Ферум частково взаємодіє з оксидом Карбону з утворенням карбіду. Складні перетворення відбуваються з домішками. За високої температури частково відновлюються Р, Si, S, які розчиняються в залізі. У результаті цих процесів утворюється сплав заліза з вуглецем та кремнієм – чавун, уміст Карбону в якому майже 2%.

Порожня порода переходить у легкоплавкий сплав різних силікатів, фосфатів тощо. Для переведення порожньої породи в шлак застосовується флюс СаСО₃, який за температури розкладається:

СаСО₃ = СаО + СО₂

Кальцій оксид взаємодіє з порожньою породою:

СаО + Р₂О₅ = Са₃(РО₄)₂

СаО + SiО₂ = СаSiО₃

Шлак має меншу густину ніж чавун тому шлак вспливає над чавуном і запобігає окисненню останнього. Чавун і шлак виходять з нижньої частини печі. Доменний шлак використовується у будівництві, а чадний газ, який виходить, застосовується як паливо для нагріву повітря. Доменні печі є апаратами безперервної дії. Одного разу запалена піч працює багато років.

Останнім часом для підвищення продуктивності доменної печі та збільшення швидкості реакції застосовують газоподібне паливо – метан, який під час горіння виділяє велику кількість теплоти, а завдяки зростанню температури зростає швидкість реакції:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О + Q

Здійснення процесу і підтримання оптимального режиму відбувається за допомогою автоматики. Тільки 10% ливарного чавуну від загальної маси використовується для виготовлення промислових товарів, 90% - для переробки на сталь.

Учитель географії

У ХХ ст.. у взаємодії суспільства і природи настав якісно новий етап. Тиск суспільства на природу різко підвищився. Враховуючи те, що мінеральні ресурси є вичерпними, виникає проблема раціонального використання цих ресурсів.

Повідомлення учня

5. У зв’язку з вичерпуванням багатьох родовищ, розроблені нові технології переробки руд, з низьким вмістом корисних компонентів, які раніше йшли у відвали. Так, до другої світової війни в Криворізькому залізорудному районі залізо добували з руд, що містили не менше 50% цього елемента. Після війни кондиційними стали вважати руди які містили 46% Феруму. У наш час економічно вигідним стало переробляти відвали, в яких міститься цей елемент.

Важливим в економії мінеральної сировини є використання вторинних ресурсів. Нині в Німеччині з металобрухту виплавляється близько 75% сталі. Така сталь у 7–12 разів дешевша, за ту, яку отримували із первинної сировини – залізної руди. Кількість металобрухту в Україні вистачило б на роботу підприємств чорної металургії на десятків років. Все ширше в господарстві починають використовуватися замінники дефіцитних ресурсів. Так, в машинобудуванні 1 т полімерних матеріалів може замінити 3 т бронзи, свинцю. Важкі багатотонні опори, які раніш виготовляли з чавуну, сьогодні з успіхом замінюють бетонними.

6. Зменшення обсягів видобування мінеральних ресурсів досягається їх комплексним використанням. Практично всі родовища твердих корисних копалин, крім основного компоненту містять цілий ряд супутніх. Наприклад, залізні руди Криворіжжя, крім Fe, містять також V, Cu, Co, Ni, P, S, B, Ta, Zr, Nb. Інколи цінність супутніх корисних компонентів вища ніж основних.

Головним напрямком повинно стати впровадження безвідходних технологій. Суть її полягає в тому, щоб із земних надр треба брати якомога менше, а з того що взято, вилучати якомога більше корисних компонентів. Так, при кар’єрному методі добування корисних копалин накопичується багато «пустих» порід (пісок, глина, крейда). Використання цих порід для виготовлення будівельних матеріалів, вапна, цегли, тощо, дозволяє різко скоротити обсяги відвалів. Їх можна також використати для засипання боліт, ярів і отримувати нові площі корисних земель.

Спосіб прямого без коксового відновлення заліза з руд є прикладом безвідходного процесу в чорній металургії. Цей спосіб передбачає зменшення кількості використаної води, а отже, зменшення кількості стічних вод, припинення надходження твердих відходів і викидів в атмосферу. Залізо добувають з руд, минаючи чавун, замість коксу як відновник використовують водень або природний газ. Одержують залізо дуже чисте.

Учитель хімії

Одними із основних проблем чорної металургії є екологічні. Відео 6

Повідомлення учня

1. Дуже небезпечні гази, які потрапляють в атмосферу в наслідок роботи металургійних підприємств. Ці гази є джерелом кислотних опадів.
2. Земля осідає при добуванні руд та вугілля в шахтах.
3. Під час кар’єрного добування знижується рівень грунтових вод, піднімаються тисячі тон газоподібної руди.
4. Тисячі гектарів урожайних земель не придатні для сільськогосподарського використання.

Учитель хімії

Що потрібно для розв'язання цієї проблеми?

Повідомлення учня

1. Розв’язати проблему утилізації відходів шляхом інтегрування виробництв.
2. Очищувати газ від пилу.
3. Очищувати газ від оксидів Сульфуру та Нітрогену.
4. Удосконалювати сучасні технології.
5. Підвищувати якість продукції.
6. Перейти на виробництво за системою міні-заводів, які працюють у Києві, Харкові, Одесі.

ІV. Підбиття підсумків

Вікторина

1.Назвіть способи добування руди.

2. Як називаються руди, що мають вміст заліза понад 46%?

3. Назвіть один із найбільших у світі залізорудних басейнів.

4. Як називаються  болотні руди, з яких виплавляли чавун на Поліссі наприкінці 18 ст.?

5. Які запаси марганцевих руд в Україні?

6. Де була споруджена перша доменна піч, що працювала на кам’яному вугіллі?

Виконайте завдання:

1. Скласти рівняння реакцій за схемою: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe
2. Перевіримо правильність складання окисно-відновних реакцій у процесі одержання чавуну, визначте процес окиснення і відновлення, речовину окисник та відновник у кожній реакції.
3. Розв'язати задачу

Обчислити масові частки Феруму у бурому залізняку FeO, червоному залізняку Fe₂O₃ та магнітному залізняку Fe₃O₄. Зробіть висновок про вміст Феруму в різних залізних рудах.

Релаксація

Я пишаюся тим, що …

Я зацікавився..

Я дізнався …

V. Домашнє завдання