Літій - стратегічний ресурс майбутнього. Інтегрований STEM-урок

Тема. Літій - стратегічний ресурс майбутнього. Інтегрований STEM-урок (хімія, фізика, географія, економіка, екологія).

Опис матеріалу. Урок розкриває значення  літію як стратегічного ресурсу сучасності, його властивості та сфери застосування, з акцентом на ресурсний потенціал України, сталий розвиток та екологічну безпеку.

І. Організаційний момент і мотивація

Учитель. У кожного із вас в  кишені  знаходиться метал, без якого не працював би смартфон. Який це метал?                                                                                                                                                  

Сьогодні ми з’ясуємо, чому цей метал робить Україну стратегічно важливою на карті світу. І саме під ногами українців лежить той скарб, який може змінити майбутнє нашої промисловості. Ми з’ясуємо: чи стане цей метал великим шансом для України, і чи готові ви бути тими, хто навчиться керувати цією енергією майбутнього?

ІІ. Актуалізація опорних знань

1. Літій - найважчий серед лужних металів (Ні).

2. У сполуках Літій завжди має ступінь окиснення +1 (Так).

3. Літій можна різати ножем (Так).

4. Заряд ядра літію дорівнює +3 (Так).

5. У періодичній системі Літій знаходиться у другому періоді (Так).

6. Порядковий номер Літію 5 (Ні).

7. Літій належить до родини лужних металів (Так).

8. Валентність Літію у сполуках ІІ (Ні).

9. Літій набагато активніший за калій у реакціях з водою (Ні).

10. У хімічних реакціях літій відновник (Так).

 ІІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Хімічний детектив «Енергійний малюк»

Обговорення: На екрані фото смартфона, електромобіля  та руди (сподумену). Що їх об’єднує?

Смартфон: символ нашого щоденного спілкування (Літій  - серце гаджета).

Електромобіль: символ екології та порятунку планети (Літій - паливо майбутнього).

Сподумен (руда): символ економіки та українських надр (Літій - камінь, що дає енергію).

Учитель: На перший погляд -  це різні речі. Але насправді  - це три стадії одного процесу. Від каменю в українській землі до енергії у вашому смартфоні та чистого повітря в містах завдяки електромобілям. Все це тримається на одному елементі.

Скільки літію у вашому смартфоні? (2-3 г).

В ноутбуці ?(~30–50 г)

А в Tesla? (~12-15 кг).

Подивіться на назву цієї схеми: "Електромобіль та сонячна енергія". Тут немає жодного слова про паливо, газ чи нафту. Весь цей механізм працює на чистому "електричному диханні", яке забезпечує наш сьогоднішній герой - Літій. Саме він дозволяє сонячній енергії не просто зникнути, а зберегтися в батареї, щоб ми могли їхати

Демонстраційний експеримент. Взаємодія літію з водою (додавання фенолфталеїну).

Якісна реакція Солі літію забарвлюють полум'я у яскраво-карміновий (червоний) колір.

Робота біля дошки (запис хімічних рівнянь)

З киснем

2Li + O₂ = Li₂O

З азотом

6Li + N2= 2Li3N  (Літій єдиний із лужних металів реагує з азотом повітря при кімнатній температурі. Саме тому батареї мають бути герметичними  - азот повітря теж їх псує.)

З хлором

2Li + Cl2=2LiCl (Літій горить яскравим білим полум'ям з виділенням енергії.)

З водою

Li + 2H₂O = 2LiOH + H₂ (Реакція супроводжується спалахом, відбувається енергійно, але спокійніше за натрій чи калій. Якщо в смартфоні є волога і літій вивільниться - водень може вибухнути).

2. Фізика руху заряду

Пояснення до схеми :

Анод (негативний електрод).  Зазвичай виготовлений з графіту.

Тут «живуть» іони літію, коли акумулятор заряджений.                                                                                                                       Катод (позитивний електрод).  Містить оксиди металів. Сюди прагнуть іони літію під час роботи пристрою.                                                            

 Електроліт та сепаратор. Це «дорога» та «кордон». Сепаратор не дає електродам торкнутися один одного (щоб не було замикання), але пропускає іони.                                                                                                              Процес.  Коли ми користуємося телефоном (розрядка), іони літію рухаються від анода до катода.                                                                                                                

Коли ми заряджаємо телефон, ми силою «переганяємо» іони назад до графітового анода.                                                                                                                                                                         

Цей процес називається «крісло-гойдалка» (rocking-chair), бо іони просто гойдаються туди-сюди роками. Саме тому літій такий цінний — він дозволяє робити цей цикл тисячі разів!

3. Географія та економіка «Український Клондайк»

Робота з Google Maps: Демонстрація локацій родовищ.

Аналіз запасів: Україна має одні з найбільших запасів у Європі

Полохівське (Кіровоградська обл.): Руда залягає у формі сподумену. Вважається одним з найперспективніших для розробки.

Дільниця «Добра» (Кіровоградська обл.): Величезні запаси, що знаходяться поруч з інфраструктурою.                                                                                                                             Шевченківське (Донецька обл.): Наразі перебуває в зоні бойових дій або поблизу них, що тимчасово унеможливлює видобуток.                                                                     

Порівняльна характеристика видобутку

Дискусія: Наші руди — пегматити (сподумен). Видобуток дорожчий, ніж у Чилі, але якість сировини вища. Як це впливає на інвестиції?

Учитель. Діти, подивіться на фото: у Чилі літій - це блакитні озера-солончаки. Його там просто "виварює" сонце. А у нас, в Україні, літій — це міцний камінь, схожий на граніт. Це означає, що для Чилі потрібні лише сонце і час, а для України потрібні технології та розумні хіміки. Наш шлях складніший, але він дає нам можливість будувати справжню високотехнологічну індустрію, а не просто чекати, поки випарується вода.

Демонстрація схеми ланцюжка доданої вартості «Ланцюжок доданої вартості Літію: від руди до Tesla»  (малюємо на дошці або показуємо слайд):

1. Видобуток руди (сподумен) → зарплата, інвестиції
2. Збагачення руди → концентрування літію
3. Хімічна переробка → карбонат/гідроксид літію
4. Виробництво літій-іонних акумуляторів батарей → готовий продукт для смартфонів і Tesla
5. Кінцеве використання → телефон або електромобіль
6. Рециклінг → повторне використання літію, захист довкілля

Учитель. Що вигідніше для України: продавати сподуменовий концентрат (сировину) чи будувати завод з виробництва акумуляторів (продукт)?

4. Технологічний цикл та екологія                                                                                                                                  

Учитель. Старі батарейки - це ресурс. Рециклінг - повторна переробка літію з батарейок. Так ми економимо ресурси та захищаємо довкілля.

Завдання учням.

Намалювати плакат або схему «Як працює рециклінг літію»

Обговорити, чому рециклінг дешевший і безпечніший, ніж видобуток літію з руди

Battery Recycling - переробка акумуляторів (переробка батарей)

Гілки за годинниковою стрілкою:

Lithium-ion batteries - Літій-іонні акумулятори.                                                     

Toxic materials  - Токсичні матеріали (Небезпечні речовини).                               

Metal recovery  -  Видобуток (відновлення) металів.                              

Sustainability  - Сталий розвиток.                                                             

Environmental protection  - Захист довкілля.                                                         

Electric vehicles  -  Електромобілі.                                                                                    

E-waste -  Електронні відходи (Е-відходи).                                                         

Recycling programs - Програми переробки.                                                                  

Circular economy -  Циклічна економіка (Економіка замкненого циклу).

5. Практичне завдання                                                                                                                  

Це допоможе зрозуміти, чому видобуток літію дорогий і чому рециклінг -  важлива частина використання ресурсу.

m(Li) = m(руди) ×w(мінералу) × w(Li)

Обчисліть, скільки літію можна отримати з 1 тонни сподумену (LiAlSi2​O6​), якщо масова частка чистого мінералу  - 20%, а літію у ньому ~3,7%.

Тест на платформі «Всеосвіта».

ІІІ. Підсумки уроку

Літій - це робочі місця для майбутніх фахівців, перехід                                                                                                  на «зелену» енергетику, інвестиційна привабливість України.                                                                                                                                                                     

Україна сьогодні - це велика батарейка, яка тримає заряд для всієї Європи, а ви  -  її найцінніші частинки. Літій у ваших кишенях дозволяє залишатися на зв’язку. Літій у наших надрах робить Україну стратегічно важливою.

IV. Домашнє завдання

Творче завдання (STEM). Підготувати есе або презентацію (5 слайдів): «Чи може Україна стати європейським лідером з виробництва електрокарів завдяки власному літію?».