Идеальная ложка. Урок на тему «Сплавы»

Занятие на тему «Сплавы» предлагает вашему вниманию учитель химии из Грозного (Чеченская Республика) Роза Халадова, в 2010 году вошедшая в «пятерку» победителей Всероссийского конкурса «Учитель года России». К материалу также прилагается презентация, которая логически дополняет ход урока, дает необходимый школьникам иллюстративный ряд.

Ход урока

Рассказ учителя (интрига): Много столетий назад жил в Древней Греции великий изобретатель и математик Архимед. Жил он в городе Сиракузы. Царь Сиракуз как-то заказал своему ювелиру корону из золота. Мастер изготовил корону, но царь заподозрил, что тот сделал ее не из чистого золота, а добавил более дешевого серебра. Внешне это было незаметно. Как же понять, добавлено ли в золото серебро? Вот с этой проблемой и обратился царь к Архимеду. Задача была очень трудна. В самом деле, как понять, есть ли в этой короне (показывает на слайде) помимо золота еще и серебро?

Легенда рассказывает, что Архимед решил эту задачу, лежа в ванне, и так обрадовался, что выскочил из нее и побежал по улицам Сиракуз с криком «Эврика!», то есть «Нашел!».

Я хочу обратить ваше внимание на такой аспект этой истории. Вспомните, с какой целью неизвестный мастер добавил в золото, из которого был сделан кубок, некоторое количество серебра?

Ответ ученика (дешевле).

Учитель: Верно. Но обратите внимание, что внешний вид золота при этом практически не изменился. Отсюда важный вывод: можно не ухудшая одних свойств металла, одновременно улучшать другие. Что для этого надо делать?

Ответ ученика (смешивать металлы).

Учитель: Вот такие смеси металлов между собой и получили название… Кто знает, как они называются?

Ответ ученика (сплавы).

Учитель: Запишите на ваши рабочие листы (см. вложение) тему урока – «Сплавы».

Посмотрите на образцы металлов, лежащие на вашем столе под номерами 1, 2 и 3.

На столах лежат: 1 – пластинка алюминия, 2 – пластинка железа с признаками ржавчины, 3 – медная пластинка.

Можно их потрогать, взвесить на руке, погнуть… Задача – догадаться, что это за металлы.

Учащиеся выполняют лабораторный опыт, дают ответы.

Учитель: Итак, ребята, подведем итоги. Различить металлы вам помогли характерные свойства, которыми они обладают. Все три металла, о которых мы говорили, широко применяются, но, к сожалению, каждый из них обладает недостатками.

Догадайтесь, какой основной недостаток алюминия?

Ответ ученика (очень мягкий).

Учитель: А главный недостаток железа?

Ответ ученика (ржавеет).

Учитель: То есть железо химически нестойкое, легко окисляется, превращаясь в ржавчину.

А главный недостаток меди?

Ответ ученика.

Учитель: К недостаткам меди можно отнести ее относительно высокую стоимость и еще то, что она трудно подается литью. Литье, как вы знаете, – один из основных способов обработки металла, когда его расплавляют и заливают в форму.

Итак, каждый из трех металлов имеет недостатки. Но мы уже знаем, как с этим можно справиться! Как?

Ответ ученика (смешивая металлы).

Учитель: Верно. Создавая сплавы на основе этих металлов, смешивая их между собой. А вот какие металлы смешивать – это зависит от того, для чего предназначен сплав, где он будет использоваться.

Положите перед собой рабочие листы. В таблице № 1 для нескольких металлов выписаны основные свойства, которые можно считать их достоинствами и недостатками.

И сейчас каждой группе предлагается решить  задачу,  а точнее разработать небольшой проект.

Посмотрите на слайд. Здесь изображены три изделия, изготовленные из металлов: самолет, космический корабль и бур – сверло для бурения горных пород.

Каждой группе надо понять, какими свойствами должен обладать сплав, из которого будет сделано одно из этих устройств и подобрать рецептуру сплава. Для этого прочитайте внимательно задание № 1.

Есть ли какие-то вопросы? Все понятно?

Тогда приступайте к выполнению задания. На это у вас три минуты.

Работа в группах. Учитель координирует работу групп. За минуту до окончания напоминает, что ответ должен быть по плану, что от каждой группы выступает представитель.

Защита проектов

Группы по очереди представляют свой проект по плану: какое изделие требуется изготовить, какие требования к материалу и почему, дают собственную рецептуру сплава с объяснением.

После каждого выступления учитель дает комментарий и сообщает истинную рецептуру сплава и его название. Все группы записывают конечный результат  в итоговую таблицу № 2.

Комментарий учителя к выступлению первой группы:

Итак, мы выслушали представителей первой группы. А теперь я прошу всех найти в рабочем листе таблицу № 2. Найдите там сплав, который называется дюралюминий. Не удивляйтесь странному названию, оно происходит от немецкого слова Дюрен, района в Германии, где в 1909 году начали производить этот сплав. Это и есть основной сплав для изготовления самолетов, а до самолетов из него делали дирижабли.

Как видите, в его состав действительно входит алюминий, а вот вместо хрома, который совершенно справедливо предлагала первая группа, для повышения твердости и прочности вводится аналогичный хрому марганец.

Полный состав сплава вы видите во второй графе, а в третью давайте запишем его основные свойства: легкий, прочный, твердый.

В четвертую графу запишем область применения – самолетостроение.

Комментарий учителя к выступлению второй группы:

Итак, мы выслушали представителей второй группы. А теперь я прошу снова всех посмотреть в таблицу № 2. Найдите там сплав, который называется титанит. Это один из сплавов, применяемых для космических аппаратов. Как и предполагала вторая группа, в его состав входит титан, а также алюминий, для прочности добавляют также ванадий (можно – хром).

Полный состав сплава вы видите во второй графе, а в третью давайте запишем его основные свойства: очень прочный, твердый, тугоплавкий, химически стойкий.

В четвертую графу запишем область применения – двигатели ракет, обшивка космических кораблей.

Комментарий учителя к выступлению третьей группы:

Итак, мы выслушали представителей третьей группы. Они в целом пошли по правильному пути. Действительно, сочетание железа и хрома создают очень твердые и прочные сплавы. Но еще в 1929 году в СССР разработали уникальный сплав, который по твердости практически равен алмазу!

Найдите в таблице № 2 сплав, который называется победит. Название очень говорящее, правда? Как видите, в составе этого сплава  вольфрам, углерод и кобальт. В третью графу давайте запишем его основные свойства: очень прочный, очень твердый, очень плотный.

В четвертую графу запишем область применения – буровой и режущий инструмент.

Ребята, кто знает, каково общее количество металлов в периодической системе? Ну, хотя бы приблизительно?

Ответы учеников.

Учитель: Их около 80. А кто может сказать, сколько разных сплавов можно создать на основе такого количества металлов?

Учитель: Сочетания металлов почти бесконечно разнообразны. Ведь смешивать между собой можно не только какие-то два металла, но и три и больше. Более того, в сплав можно вводить и неметаллы.

К тому же надо учесть, что компоненты для изготовления сплава можно брать в разных соотношениях. И таких соотношений тоже может быть очень много.

Кстати, свойства сплава из одних и тех же компонентов могут очень сильно меняться в зависимости от их соотношения. Например, сплав железа с углеродом, в котором углерода менее 2% называется сталь, а если в нем более 2% углерода – то это уже чугун.

И еще одна важная особенность – свойства сплава часто могут не совпадать ни с одним из его компонентов.

На слайде изображены разные изделия, изготовленные из одного и того же сплава. Посмотрите на них внимательно! Образец этого сплава лежит у вас на столах под цифрой 4. Попробуйте по характерным признакам узнать сплав.

Ответ ученика (чугун)

Учитель: А что помогло его распознать?

Учитель: А на этом слайде изображены разные изделия, изготовленные из одного и того же сплава. Посмотрите на них внимательно! Постарайтесь запомнить. Образец этого сплава лежит у вас на столах под цифрой 5. Попробуйте по характерным признакам узнать сплав.

Ответ ученика (сталь).

Учитель: Наконец, на этом слайде изображены разные изделия, изготовленные из одного и того же сплава. Посмотрите на них внимательно! Образец этого сплава лежит у вас на столах под цифрой 6. Попробуйте по характерным признакам узнать сплав.

Ответ ученика (бронза).

Учитель: А теперь еще одно задание для работы в группах. Каждой группе предлагается, рассматривая образец одного из сплавов и вспомнив изображения на слайдах, а также используя свою эрудицию, описать свойства и области применения этого сплава.

Группа 1 работает с чугуном.

Группа 2 – со сталью.

Группа 3 – с бронзой.

Прочитайте задание № 2 в рабочих листах.

Понятно ли задание? Вопросы?

У вас три минуты на выполнение задания и подготовку ответа.

Учитель: А теперь наша задача не только послушать представителей каждой группы, но и записать результаты их работы в итоговую таблицу № 2. Поэтому прошу всех снова положить перед собой рабочий лист.

Каждая группа по очереди представляют свои результаты по плану: название сплава, состав (он уже вписан в таблицу), свойства, применение. После каждого ответа учитель дает небольшой  комментарий и дополнительную информацию о свойствах и применении. Все группы записывают конечный результат  в итоговую таблицу.

Дополнение учителя после выступления первой группы:

Найдите в таблице 2 сплав, который называется чугун. В его состав помимо железа и углерода могут входить и другие элементы: кремний, марганец, сера, фосфор, могут быть и другие добавки. Свойства чугуна зависят от его сорта, но мы запишем в графу № 3 (помимо того, что вы уже написали) – хрупкий, хорошие литейные качества (чугун легко заполняет форму). А в графу № 4 можно добавить такие области применения – машиностроение, декоративные изделия (решетки, ограды).

Дополнение учителя после выступления второй группы:

Проверьте записи в строке «сталь». Сталь применяется очень широко, известно сотни различных сортов стали с самыми разными свойствами. Поэтому в графе «свойства» напишем – «различные», а в графе «применение» – «широкое».

Дополнение учителя после выступления третьей группы:

Проверим записи в таблице № 2 в строке «Бронза». Итак, бронза – это сплав меди с оловом. Известнее он с глубокой древности. Не случайно даже целую эпоху в истории человечества называют «бронзовый век». Кстати, а почему такое название?

Ответы учеников (орудия труда из бронзы).

Учитель: Верно. Однако, изделия из бронзы обладают существенным недостатком – они слишком пластичные, мягкие. Бронзовый меч легко затупляется, а бронзовый щит – гнется.

Дополним графу «свойства» – мягкая, отметим также «красивый внешний вид», «хорошие литейные качества» и «химическая стойкость». Отсюда и ее применение – декоративные изделия, скульптура (это вы уже, наверное, записали), детали химической аппаратуры.

Итак, мы уже познакомились с некоторыми важнейшими сплавами. А сейчас я расскажу вам о нескольких великих сплавах, сыгравших удивительную роль в истории.

При этом прошу вас записывать в итоговую таблицу информацию о свойствах и применении каждого сплава. Проверим вашу внимательность и умение выбирать главное.

В 4 веке до нашей эры армия Александра Македонского отправилась покорять Индию. В одной из битв македонцы захватили индийского царя по имени Пор. Их поразил панцирь на захваченном царе. Он был сделан из необыкновенно прочного белого металла, на котором македонское оружие не смогло сделать ни вмятины, ни царапины. Из этого же металла были изготовлены и широкие индийские мечи, которые легко рассекали пополам македонское железо. Так европейцы впервые познакомились с булатом.

Булат имеет такой же химический состав, как и сталь, только углерода чуть больше. Но специальная обработка делает булат уникальным по свойствам. Будучи твердым и прочным, он одновременно обладает высокой упругостью. Клинки, изготовленные из булата,  легко перерубают гвозди и при этом без труда сгибаются в дугу! Клинок можно было заточить до фантастической остроты, и сохранялась эта острота сколь угодно долго.

Секрет изготовления булата держался древними мастерами в тайне, а впоследствии был утерян… Считается, что рецепт булата сумел возродить в XIX веке русский инженер Павел Аносов.

А теперь прошу вас заполнить в соответствующей строке графу «свойства» и «применение».

Учитель дает детям время на заполнение. Затем проверяет. В графе «свойства» должно получиться: прочный, очень твердый, очень упругий.  «Применение» – оружие.

Учитель: В 1960 году в США был получен удивительный сплав, получивший название нитинол и содержащий 55% никеля и 45 % титана. Свойства нитинола поистине замечательны. Если этому сплаву в горячем состоянии придать какую-либо форму, то он ее как бы «запоминает». После охлаждения сплав можно гнуть, тянуть, сворачивать, так как очень пластичен. Однако стоит его лишь слегка нагреть, как он вновь примет свою исходную форму. Причем цикл нагревание-охлаждение можно повторять много раз.

Вот пример. Можно отлить при нагревании чайную ложку из нитинола. Затем можно эту ложку гнуть, ломать, даже расплющить. Но стоит ее погрузить в горячий чай, как она вновь станет идеальной ложкой – сработает память сплава.

А теперь представьте себе кузов автомобиля, сделанный из нитинола.  Если после аварии погнувшийся кузов слегка нагреть, он тут же примет исходную форму! У сплава грандиозные возможности в медицине, авиации, военном деле…

Учитель дает детям время на заполнение. Затем проверяет. В графе «свойства» должно получиться: имеет «память», очень пластичный.  «Применение» – медицина, военное дело, авиация и др.

Учитель: Спасибо, ребята. Мы подходим к концу нашего урока. В таблице 2 осталось еще несколько незаполненных строк. Прошу вас заполнить их дома, действуя также, как сегодня на уроке, и используя для этого любые источники информации.

Роза Халадова, учитель химии средней школы №38 города Грозный Чеченской Республики, победитель конкурса «Учитель года России-2010»

Во вложенных файлах – рабочие листы трех групп и презентация к уроку (презентация сохранена в формате pdf).

Фото Алексея Ветчинкина