На чтение: ≈ 24 мин.“… На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей… не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без живительного металла.
Разрушение ураганом прошло бы по всей Земле, и гибель человечества сделалась бы неминуемой.
Впрочем, человек не дожил бы до этого момента, ибо, лишившись трех граммов железа в своем теле и в крови, он бы прекратил свое существование раньше, чем развернулись нарисованные события. Потерять все железо – пять тысячных процента своего веса – было бы для него смертью!”
Такую картину нарисовал замечательный советский минеролог академик А.Е.Ферсман, желая показать ту громадную роль, которую играет в нашей жизни железо.
Тема нашего урока “Железо – великий труженик”. В таблице Менделеева трудно найти другой металл, с которым бы так неразрывно была связана история цивилизации. Через века и тысячелетия человек пронес уважение к железу и людям, добывающим и обрабатывающим его. В древности у некоторых народов железо ценилось дороже золота.
Основные узловые вопросы урока
Одной из самых почетных профессий во все времена считалась профессия кузнеца. Из нее вышла и современная профессия монтажника санитарно-технических систем и оборудования.
Старинная легенда, насчитывающая около трех тысячелетий, повествует о таком событии.
Когда закончилось строительство иерусалимского храма, царь Соломон устроил пиршество, на которое пригласил и мастеровых, принимавших участие в грандиозной стройке. Собравшиеся гости приготовились было отведать угощения, как вдруг царь спросил: “Ну, а кто же из строителей самый главный? Кто внес самый большой вклад в создание этого чудо-храма?”
Поднялся каменщик: “Разумеется, храм – это наших рук дело, и двух мнений тут быть не может. Мы, каменщики, выложили его кирпич к кирпичику. Взгляните, какие прочные стены, арки, своды. Века простоит он во славу царя Соломона”.
Вмешался плотник: “Спору нет, основа храма каменная, но судите сами, дорогие гости, хорош был бы этот храм, если бы мои товарищи и я не потрудились в поте лица. Приятно было бы вам смотреть на голые стены, не отделай мы их красным деревом да ливанским кедром? А наш паркет из лучших пород самшита, как радует он взор! Мы, плотники, по праву можем считать себя подлинными творцами этого сказочного дворца”.
Тут прервал его землекоп: “Смотрите в корень, хотел бы я знать, как эти хвастуны (он кивнул в сторону каменщика и плотника) возвели бы храм, если бы мы не вырыли котлован для его фундамента. Да ваши стены вместе с отделкой рассыпались бы от первого порыва ветра, как карточный домик!
Но царь Соломон недаром был прозван мудрым. Подозвав к себе каменщика, он спросил: “Кто делал твой инструмент?”. “Конечно, кузнец”, – ответил удивленный каменщик. “Ну, а твой?” – обратился царь к плотнику. “Кто же, как не кузнец”, – не раздумывая, сказал тот. “А твои лопату и кирку?”, – поинтересовался Соломон у землекопа. “Ты же знаешь, царь, что их мог сделать только кузнец”, – был ответ”.
Тогда царь Соломон встал, подошел к скромному закопченному человеку. Это и был кузнец. Царь вывел его на середину зала. “Вот кто главный строитель храма”, – воскликнул мудрейший из царей. С этими словами он усадил кузнеца рядом с собой на парчовые подушки и поднес ему чарку доброго вина.
Такова легенда. Мы не можем ручаться за достоверность описанных событий, но, как бы то ни было, в легенде отразилось огромное значение, которое издревле человек придавал железу.
(Приведенную историю рекомендуется провести в виде театральной постановки с участием ребят).
Мы знаем, что сначала железо применяли для изготовления орудий труда. В историческом прогрессе развития материальной культуры человеческого общества металлы играли первостепенную роль. При раскопках древних цивилизаций мы находим водопроводные сооружения. Водопроводы насчитывают не первый век своей истории. У Маяковского есть такие строчки: “…И в наши дни вошел водопровод, сработанный еще рабами Рима…”. В Петербурге в 1917 году на каждого жителя приходилось 200 литров воды в сутки, в Нью-Йорке – 520 литров, а в древнем Риме (на каждого жителя!) – 600-900 литров воды.
Римляне знали приборы для подкачивания воды на должный уровень. Следы их обнаружены в водопроводах Лиона и Арле (Южная Франция). Малое их распространение объяснялось тем, что они были технически сложны и предполагали при эксплуатации высококвалифицированный персонал.
В Москве в 1925 году насчитывалось 324 уличных водозабора, в Риме в 98-м г. н.э. – 591 водозабор, хотя воды было больше, а население вдвое меньше.
Технический надзор за водопроводом отдавался на откуп частным лицам, но их деятельность находилась под постоянным надзором высших магистратов республики – цензоров. Насколько тщательным был этот надзор, видно из того, что поименные списки рабочих, которых использовали откупщики, выбивались на камне или меди и выставлялись на всеобщее обозрение.
Мы видим, что уже тогда нужны были рабочие по обслуживанию систем, которые несли людям комфорт и чистоту. Вдумайтесь в современное название профессии сантехник – санитарный техник! Насколько важна и нужна людям эта профессия!
Вернемся ненадолго в историю. Жители империи прекрасно изготовляли краны, но почти ими не пользовались. В одном из писем Сенеки идет речь о кране, где есть и технический рисунок великолепного крана из дворца Тиберия на Капри.
По-видимому, римляне не знали сальника, краны были устроены так, что только ограничивали течение воды, но не могли перекрыть струю полностью.
В нашем столетии трудно найти область, где бы не применялось железо. Его значение не уменьшилось в эпоху, когда многие функции металла перешли к синтетическим материалам, созданным химической промышленностью. Но еще долгие годы металлы будут служить людям.
В санитарно-технических работах железо и его сплавы используются во всех системах, поэтому нам необходимо знать свойства металлов, из чего и как они изготовляются.
Железо в природе
Железо – важнейший строительный материал мироздания. Оно есть всюду, на поверхности Земли распространено повсеместно, находится почти во всех глинах, песках, горных породах. В некоторых местностях оно образует мощное скопление руд, из которых, например на Урале, состоят целые горы – Бакан, Высокая, Магнитная и др. Агрономы повсеместно находят железо в почвах. Биохимики раскрывают его роль в жизни растений, животных и человека.
Входя в состав гемоглобина, железо обусловливает красный цвет этого вещества, от которого, в свою очередь, зависит цвет крови. В организме взрослого человека содержится 3 г железа, из них 65% входит в состав гемоглобина, благодаря которому осуществляется важнейший биологический процесс – дыхание.
Пуская кровь заболевшему матросу, корабельный врач Р. Майер обратил внимание на необычно алый цвет венозной крови. Его наблюдения показали, что в жарких странах венозная кровь гораздо светлее, чем в северных. Как этот факт помог Майеру в открытии закона сохранения и превращения энергии?
В организмах животных и человека железо распространено даже в тканях глазного хрусталика и роговицы, совершенно лишенных кровеносных сосудов. Богаты железом печень и селезенка.
Железо необходимо и для растений. Оно участвует в окислительных процессах протоплазмы, при дыхании растений и в построении хлорофилла, хотя само и не входит в его состав.
Знакомство человека с железом произошло в давние времена. Есть основания полагать, что образцы железа, которые держали в руках первобытные люди, были неземного происхождения. Входя в состав некоторых метеоритов, вечных странников океана Вселенной, случайно нашедших приют на нашей планете, метеоритное железо было тем материалом, из которого человек изготовит первые железные изделия. Прошли многие сотни и тысячи лет, прежде чем человек научился добывать его из руды. С того момента началась эпоха железа, которая длится и до настоящего времени.
Вторжение железа в технику
Труды русских ученых-металлургов явились достойным вкладом как в науку, так и в практику металлургического производства. Именно в России впервые зародилась и развивалась наука о металле, сложилась прославленная школа ученых металлургов.
У истоков отечественной науки стоял М.В.Ломоносов. Ему принадлежит первая в России книга-учебник горно-заводского дела “Первые основания металлургии, или рудных дел”, опубликованная 200 лет назад.
В первой половине ХIХ века П.П.Аносов заложил основы учения о стали, использовал микроскоп для исследования ее внутреннего строения.
Основоположником металлографии, науке о строении металлов и сплавов, явился ученый Д.К.Чернов. Многие поколения инженеров-металлургов учились по классической книге “Основы химии”, написанной 100 лет назад Д.И.Менделеевым. Без установленного им периодического закона химических элементов, без учения о растворах и упругости газов современные успехи металлургии были бы невозможны.
Многие ученые трудились в металлургии – это Ржешотарский А.А., Беляев Н.Б., Липин В.Н., Грум-Гржимайло, Байков А.А., доменщик Курако М.К. и др.
Существует тесная связь между теорией и практикой, между наукой и промышленностью, развитие которых не может совершаться независимо друг от друга.
А вы знаете, что:
Первый железный мост был построен в 1778 году.
В 1788 году вступил в строй первый водопровод, сделанный из железа.
В 1818 году было построено первое судно из железа.
В 1889 году было построено 300-метровое ажурное сооружение – Эйфелева башня.
В 80-х годах ХVIII в. I-я в России железная дорога с литыми чугунными рельсами связывала завод Александровский в Олонецком крае, который по техническому оснащению считался наиболее передовым. На этом же заводе были отлиты детали первого чугунного моста в Петербурге и решетки для многих его садов и парков.
Воюющий металл
Fe – это знак воина! Этот металл оказался не только созидателем – с ним связаны многие кровавые страницы истории человечества. Миллиардами снарядов и бомб обрушился этот металл на людей в годы первой и второй мировых войн. (Во время битвы на Волге был сброшен 1 миллион бомб). “Стелс” – невидимка, использованный в Югославии стоит около 50 миллионов долларов. Но железом разрушается то, что веками человек создавал из железа и при помощи железа.
В основном применяют сплавы железа: чугун и сталь. В наши дни мастера огненных дел в совершенстве овладели выплавкой металла самого различного назначения. Каких только сталей не встретишь в перечне продукции современного металлургического завода: нержавеющая и быстрорежущая, жаропрочная и хладостойкая, магнитная и немагнитная.
Наши “металлурги” поведут нас к “огнедышащей” домне. Ведь… “в мире нет прекрасней красоты, чем красота горячего металла!” Они расскажут о производстве чугуна и стали. Далее ученики чертят схему производства чугуна и стали, рассказывают о доменном процессе (чугун литейный, чугун предельный); о мартеновском способе; об электродуговом способе; о конверторном способе; об электрометаллургическом способе (Старый Оскол).
(Далее следует просмотр фрагмента кинофильма).
Спрос на железо и его сплавы велик. Достаточно сказать, что уже к концу ХIХ в. из каждых 100 кг металла, потребляемых в промышленности, сельском хозяйстве, быту, 96% приходилось на долю железа!
Так что же из себя представляет железо?
Ученики повторяют местоположение, строение атома, физические свойства железа. Дают представление о структуре железа, конкретизируют демонстрацией моделей кристаллических решеток железа. Например:
Железо имеет две формы кристаллических решеток – объемно-центрированный куб и гранецентрированный куб. В первом случае атомы железа расположены в вершинах куба и один в центре, во втором случае – в вершинах куба и в центре каждой грани. Решетку объемно-центрированного куба имеет альфа-железо, или феррит, при 9100С. При более высокой температуре (от 9100 до 14000С) альфа-железо переходит в гамма-железо, так называемый аустенит. При температуре от 14000 до 15350С образуется дельта-железо, имеющее такую же решетку, как и гамма-железо.
Альфа- и гамма-железо различаются по свойствами. Гамма-железо не магнитно, но способно науглероживаться. При изменении кристаллической решетки изменяются свойства металлов – прочность, пластичность, устойчивость против коррозии, магнитные свойства. Аллотропия – свойство менять кристаллическую решетку.
Химические свойства железа
Повторение на основе демонстрационных опытов и записей. (Демонстрационный штатив с пробиркой).
1. Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 ╝
2. Fe + 2NaOH + 2H2O ╝ 2NaFeO2 + 3H2
3. Fe + 6H2O + 3O2 ╝ Fe(OH)3
4. 4Fe + 3O2 ╝ 2Fe2O3
5. CuSO4 + Fe ╝ FeSO4 + Cu.
Преподаватель обращает внимание учеников на амфотерность железа и его соединений. Полученные знания можно использовать в своей профессии. Амфотерность – при очистке труб и других изделий от ржавчины, а взаимодействие железа с сульфатом меди можно использовать при разметке деталей.
Лабораторная работа
Вспомним экскурсию в заготовительные мастерские “Водрем-77”. Руководитель мастерских показал нам эскиз, где показано, какие трубы, для какой системы используются, диаметр труб. В нашей мастерской на лабораторных работах мы измеряли и находили заготовительную длину. Для этого пользовались специальной таблицей. Измерили необходимую длину трубы, произвели разметку. Здесь к нам на помощь приходит химия.
Трубы измеряем в условиях мастерских, а в кабинете химии изучаем отрезки листовой стали при помощи чертилки и линейки.
При покрытии железа медным купоросом происходит окислительно-восстановительная реакция. Железо, как более активный металл, вытесняет медь из раствора соли.
Пока производится разметка, учитель задает вопросы по теме “Разметка”:
1. Для чего применяется разметка?
2. Почему разметочные риски надо проводить только один раз?
3. Что нужно учитывать перед обработкой металла?
4. Что входит в понятие “брак”? Какие виды брака встречаются в слесарном деле?
Ученики приходят к выводу, что железо, как более активный металл, вытесняет медь из раствора сульфата меди.
Коррозия металлов на производстве
Ржавчина, или коррозия, – страшный враг железа. По данным ученых, лишь за период с 1820 по 1923 год при общем мировом производстве железа 1766 миллионов тонн, чуть ли не половину – 718 миллионов тонн – “съела” коррозия. Свойства веществ необходимо изучать для того, чтобы правильно обращаться с изделиями из них, найти наиболее эффективное и целесообразное применение на производстве.
Учитель демонстрирует меры предупреждения коррозии на деталях, используемых в своей практике:
1. Металлическое покрытие (краска, лак);
2. Гальваностезия – покрытие одних металлов другими (хромирование, никелирование, цинкование и т.д.);
3. Эмалевое покрытие. Эмаль – это силикатное стекло с добавками оксидов металлов. Ее наносят на поверхность материала в виде порошка и обжигают при температуре 500-10000С. Благодаря термостойкости, декоративному виду, легкости очистки эмаль широко используется для покрытия изделий санитарной техники.
4. Внимание! О чем расскажет опыт? (Демонстрация опыта).
Гранулу цинка, соединенную с железным гвоздем, опустили в раствор соляной кислоты в чашечке Петри. С помощью кодоскопа наблюдали за опытом: цинк активно реагирует с соляной кислотой.
Ответ: Это протекторная защита. Этот способ с успехом применяется для защиты труб под землей.
“Столб счастья”
В далекие времена индийские мастера знали, как противостоять коррозии. Об этом же свидетельствует знаменитая железная колонна – одна из многочисленных достопримечательностей индийской столицы. Вот что пишет в своей книге “Открытие Индии” Д. Неру: “Древняя Индия добилась, очевидно, больших успехов в обработке железа. Близ Дели высится огромная железная колонна, ставящая в тупик современных ученых, которые не могут определить способ ее изготовления, предохранивший железо от окисления и других атмосферных явлений”. Колонна была воздвигнута в 415 году в честь царя Чандрагупты II. Первоначально ее установили на востоке страны перед одним из храмов, а в 1050 году царь Ананг Пола перевез ее в Дели. По народному поверью, у того, кто прислонится к колонне спиной и сведет за ней руки, исполнится заветное желание. С давних времен стекались к ней толпы богомольцев, желавших получить свою толику счастья.
Весит колонна около 6,5 тон. Ее высота 7,3 метра, диаметр от 42 сантиметров у основания и до 30 сантиметров у верха. Изготовлена она почти из чистого железа (99,72%), чем объясняется ее “долголетие”. Любое другое, менее чистое железо, несомненно, превратилось бы за прошедшие 15 столетий в труху.
Как же смогли древние металлурги изготовить эту чудесную колонну, перед которой бессильно время? Некоторые писатели-фантасты не исключают, что она создана на другой планете, а завез к нам экипаж космического звездолета, который захватил ее с собой либо в качестве вымпела, либо как дар жителям Земли. По другим версиям, колонна выкована из крупного железного метеорита.
И все же, пожалуй, правы те ученые, которые объясняют этот факт высоким искусством древнеиндийских металлургов. Индия в те времена славилась на весь мир своими стальными изделиями, и не случайно у персов бытовала поговорка: “В Индию сталь возить”, которая по смыслу аналогична русской поговорке: “Ехать в Тулу со своим самоваром”.
Римма ЕКИМОВА,
преподаватель химии и биологии
Печора
Выбор читателей
Комментарии