Из отходов в продукт: судьба огарка после обжига
Цели и задачи
- Цель по SMART: за 45 минут на модельном образце оксида железа(III) исследовать возможный путь переработки огарка после обжига: провести кислотное выщелачивание, отделить нерастворимые примеси, получить гидроксид железа(III) и оформить паспорт опыта с уравнениями реакций и выводом.
- Образовательная задача: установить, что огарок, содержащий оксид железа(III), может служить сырьём для получения растворимых соединений железа и последующего осаждения гидроксида железа(III).
- Развивающая задача: научиться планировать последовательность операций, наблюдать признаки реакций, фиксировать результаты в таблице и объяснять их на основе уравнений.
- Практическая задача: отработать безопасное обращение с кислотой и щёлочью, фильтрование и добавление растворов по каплям в малом масштабе.
- Воспитательная задача: осмыслить значение переработки промышленных отходов и ответственного отношения к химическим веществам и окружающей среде.
Планируемые результаты
Личностные
- Ученик объясняет, почему извлечение полезных компонентов из отходов может уменьшать объём захоронения и расход природного сырья.
- Проявляет ответственное отношение к правилам безопасной работы с растворами кислоты и щёлочи.
- Оценивает практическую значимость химических знаний для переработки материалов и охраны окружающей среды.
- Соотносит выполнение лабораторной работы с профессиональными направлениями, связанными с химией, экологией и материаловедением.
Метапредметные
- Ученик извлекает из инструкции последовательность операций и соотносит каждую операцию с её целью.
- Фиксирует наблюдения в таблице, различая исходные вещества, наблюдаемые признаки и выводы.
- Сопоставляет экспериментальные наблюдения с уравнениями реакций и объясняет причинно-следственные связи.
- Проверяет собственную работу по критериям, обнаруживает и исправляет ошибки в записи паспорта опыта.
Предметные
- Ученик знает, что оксид железа(III) реагирует с соляной кислотой с образованием соли и воды.
- Записывает уравнения реакций $Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$ и $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$.
- Умеет выполнить в микромасштабе смешивание вещества с кислотой, фильтрование смеси и осаждение гидроксида железа(III) раствором щёлочи.
- По красно-бурому осадку распознаёт образование гидроксида железа(III), а по уравнениям объясняет химические превращения.
- Оформляет паспорт опыта с указанием цели, оборудования, реактивов, хода работы, наблюдений, уравнений и вывода.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Ученик определяет личную цель работы: безопасно получить и распознать продукт реакции.
- Связывает изучение химических превращений с реальной задачей рационального использования сырья.
- Проявляет самостоятельность при распределении обязанностей в паре и оформлении паспорта опыта.
- Соблюдает нормы бережного отношения к реактивам и общему оборудованию.
Регулятивные УУД
- Ученик формулирует цель практической работы и планирует последовательность её выполнения.
- Сверяет каждый этап опыта с инструкцией и правилами техники безопасности.
- Контролирует количество добавляемых растворов и своевременно фиксирует наблюдения.
- Сопоставляет паспорт опыта с критериями и корректирует неточности до сдачи работы.
Познавательные УУД
- Ученик анализирует состав модельного огарка и различает растворимую и нерастворимую части смеси.
- Использует формулы веществ и признаки реакций для объяснения результатов опыта.
- Моделирует цепочку превращений «оксид железа(III) — соль железа(III) — гидроксид железа(III)».
- Применяет знания о кислотах, основаниях, оксидах и солях при выполнении практического задания.
Коммуникативные УУД
- Ученик распределяет в паре роли исполнителя операций и регистратора наблюдений, меняясь ролями по договорённости.
- Задаёт уточняющие вопросы о порядке операций и безопасном обращении с реактивами.
- Аргументирует вывод, опираясь на наблюдаемый цвет осадка и записанные уравнения.
- Сверяет паспорт опыта с работой другой пары и корректно предлагает уточнения.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить для каждой пары по 0,10–0,15 г чистого порошка оксида железа(III) как безопасную модель железосодержащего огарка; настоящий промышленный огарок на уроке не использовать из-за возможных токсичных примесей.
- Разлить по подписанным капельницам разбавленную соляную кислоту концентрацией около 1 моль/л и раствор гидроксида натрия концентрацией около 1 моль/л; подготовить запас растворов для учительской демонстрации.
- Подготовить на каждую пару пробирку или микростакан, держатель, стеклянную палочку, воронку и небольшой фильтр; одну дополнительную пробирку оставить для учительского показа.
- Распечатать по одному экземпляру на пару паспорта опыта с разделами: цель, оборудование и реактивы, ход работы, наблюдения, уравнения, вывод.
- Распечатать по одному экземпляру на пару карточки с последовательностью операций и правилами безопасности; отдельную карточку наблюдений выдать каждому ученику.
- Подготовить защитные очки и перчатки по числу учеников; проверить доступность воды для промывания и ёмкости для сбора жидких химических отходов.
- Подготовить тёплую водяную баню без открытого пламени: стакан с водой температурой около 50–60 °C и штатив; использовать её только при необходимости ускорить растворение образца.
- Вывести на доску или экран схему превращений $Fe_2O_3 \rightarrow FeCl_3 \rightarrow Fe(OH)_3$ и таблицу наблюдений с графами «операция», «наблюдение», «объяснение».
- Подготовить проектор или интерактивную доску для показа схемы и крупного изображения красно-бурого осадка; заранее проверить оборудование.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и техника безопасности (4 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу в парах и убедиться, что каждый ученик понимает порядок обращения с реактивами.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проверяет готовность рабочих мест и говорит: "Здравствуйте, ребята. Сегодня вы будете не просто наблюдать опыт, а составите паспорт лабораторной работы и проверите, можно ли превратить железосодержащий отход в полезное соединение. До начала работы наденьте защитные очки и перчатки, освободите стол от лишних предметов. Назначьте в паре исполнителя операций и регистратора наблюдений, а затем договоритесь, когда поменяетесь ролями. Реальные промышленные отходы мы не используем: перед вами безопасная модель на основе оксида железа(III)." | Надевают защитные очки и перчатки, убирают лишние предметы, распределяют роли и проверяют, что на столе есть только необходимые принадлежности. |
2 мин | Учитель указывает на правила безопасности на доске и уточняет: "Соляная кислота и раствор щёлочи могут повредить кожу и глаза. Не пробуйте вещества на вкус, не подносите их близко к лицу, не переливайте из подписанных капельниц и не направляйте отверстие пробирки на соседа. Если капля попала на кожу, сразу сообщите мне и промойте место большим количеством воды. Все остатки растворов отправляем только в указанную ёмкость, а не в раковину." | Сверяют правила с карточкой безопасности, показывают, где находится ёмкость для отходов, и вслух называют действие при попадании раствора на кожу: «Сообщить учителю и промыть водой». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Рабочие места готовы, правила безопасности понятны. Теперь выясним, какую практическую задачу решает переработка огарка и какой продукт мы попробуем получить."
Этап 2. Постановка практической задачи и составление паспорта опыта (5 мин)
Цель этапа: сформулировать цель опыта и заполнить в паспорте его основные исходные сведения до начала работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает на экране схему «сульфидная руда — обжиг — огарок» и задаёт проблемный вопрос: "При обжиге железосодержащего сырья часть веществ превращается в оксиды, и остаётся твёрдый материал — огарок. Если его просто считать мусором, железо в нём будет потеряно. Какую часть огарка, по вашему предположению, можно перевести в раствор, а затем выделить в виде нового вещества? Что нам потребуется проверить опытом?" Учитель принимает версии и фиксирует на доске слова «выщелачивание», «фильтрование», «осаждение». | В парах обсуждают проблему и формулируют предположение: «Оксид железа можно обработать кислотой, получить раствор соли и осадить соединение железа щёлочью». |
3 мин | Учитель раздаёт паспорта опыта и поясняет: "Запишите название работы: «Переработка модельного огарка с получением гидроксида железа(III)». Цель должна описывать проверяемый результат, а не просто повторять тему. Предлагаю рабочую формулировку: провести кислотное выщелачивание модельного оксида железа(III), отделить нерастворимую примесь и получить осадок гидроксида железа(III). Впишите оборудование и реактивы по карточке, а в графе «Ход работы» пока запишите только план: обработать кислотой, профильтровать, добавить щёлочь." | Заполняют паспорт: записывают название, цель, оборудование и реактивы, краткий план из трёх операций; задают уточняющие вопросы, если не уверены в назначении фильтра или капельницы. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Паспорт подготовлен, а предположение проверяемо: мы должны увидеть переход железа в раствор и затем образование осадка. Перед экспериментом посмотрим на исходное вещество и зафиксируем, что именно будет служить моделью огарка."
Этап 3. Исследование исходного образца и планирование наблюдений (5 мин)
Цель этапа: описать исходный образец и подготовить таблицу для точной фиксации результатов.
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает небольшое количество порошка и говорит: "Рассмотрите образец, не наклоняясь над ним и не поднимая пыль. Опишите цвет и агрегатное состояние. Помните, что это модель железосодержащего огарка, а не проба с предприятия: реальный отход может содержать опасные примеси и требует отдельного анализа. Какое вещество мы используем для моделирования железосодержащей части?" Ожидаемый ответ учитель записывает на доске: «оксид железа(III), $Fe_2O_3$». | Рассматривают образец, записывают в паспорт: «Красно-бурый твёрдый порошок; модельное вещество — оксид железа(III)». |
3 мин | Учитель показывает таблицу наблюдений и поясняет: "В первой строке укажите обработку образца кислотой, во второй — фильтрование, в третьей — добавление щёлочи. Разделяйте наблюдение и объяснение: «появился бурый осадок» — это наблюдение, а «образовался $Fe(OH)_3$» — объяснение. Такая аккуратность помогает и в лабораторной работе, и в заданиях ОГЭ, где важно отличать факт опыта от вывода по нему." | Заполняют заголовки таблицы «Операция — наблюдение — объяснение» и заранее вносят три операции в левый столбец. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Исходное вещество описано, а место для каждого наблюдения подготовлено. Теперь проведём первую операцию — попробуем перевести оксид железа в растворимую соль с помощью кислоты."
Этап 4. Кислотное выщелачивание и фильтрование (13 мин)
Цель этапа: обработать модельный оксид железа(III) кислотой, отделить нерастворимые частицы и записать уравнение превращения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт образцы и говорит: "Исполнитель перенесёт в пробирку небольшую порцию оксида железа, около одной мерной ложечки, а регистратор отметит исходный цвет. Добавьте из капельницы примерно 2 миллилитра разбавленной соляной кислоты и осторожно перемешайте стеклянной палочкой. Не закрывайте пробирку и не касайтесь раствора руками. Посмотрите, меняется ли цвет жидкой части и остаётся ли твёрдый остаток. Если за несколько минут реакция идёт медленно, не нагревайте пробирку на пламени — сообщите мне." | В парах переносят образец в пробирку, добавляют около 2 миллилитров кислоты, осторожно перемешивают и записывают наблюдения: «Красно-бурый порошок частично уменьшается; жидкость приобретает желтоватый оттенок; часть твёрдых частиц может остаться». |
4 мин | Учитель при необходимости помещает пробирки в тёплую водяную баню и комментирует: "У оксида железа(III) растворение в кислоте может идти не мгновенно, поэтому используем только умеренно тёплую водяную баню и держатель. Не направляйте отверстие пробирки на себя или соседа. Пока смесь прогревается, запишите в паспорте ожидаемое уравнение: оксид железа(III) реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида железа(III) и воды. Проверьте, что коэффициенты уравнивают число атомов каждого элемента." | Наблюдают за смесью, не вынимая пробирку без разрешения учителя, и записывают уравнение $Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$. |
4 мин | Учитель демонстрирует складывание фильтра и говорит: "Сейчас отделим раствор от нерастворимых частиц. Установите воронку над чистой пробиркой, поместите внутрь фильтр и смочите его небольшим количеством воды. Переливайте смесь по стеклянной палочке, не переполняя фильтр. Не пытайтесь продавить осадок: твёрдый остаток остаётся на фильтре, а раствор соберите в пробирке для следующего этапа." | Складывают фильтр, устанавливают воронку и фильтруют смесь; отмечают в таблице, что на фильтре остаётся твёрдый остаток, а фильтрат имеет жёлтый или желтовато-бурый оттенок. |
2 мин | Учитель просит проверить запись: "Сравните результат с вашей гипотезой. Что именно отделило фильтрование? Перепишите из наблюдений только то, что действительно увидели, не делая пока вывод о чистоте промышленного продукта. В паспорте укажите, что полученный фильтрат — раствор, содержащий соль железа(III), а не гарантированно чистый продукт переработки." | Заполняют строки таблицы о фильтровании, подписывают фильтрат как «раствор, содержащий хлорид железа(III)», отделённый остаток — как «нерастворимые частицы». |
Эталон решения
Оксид железа(III) реагирует с соляной кислотой: $Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$. При фильтровании нерастворимые примеси остаются на фильтре, а растворимые соединения проходят в фильтрат. При использовании чистого оксида железа(III) реакция может идти медленно; в модельной смеси часть твёрдого остатка допустима, поэтому вывод формулируют по фактическим наблюдениям.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы отделили твёрдые частицы и получили фильтрат, содержащий растворённое соединение железа(III). Теперь проверим, можно ли выделить соединение железа из этого раствора в виде заметного осадка."
Этап 5. Осаждение гидроксида железа(III) (7 мин)
Цель этапа: получить осадок гидроксида железа(III), распознать признак реакции и записать молекулярное уравнение.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает капельницу с раствором щёлочи и предупреждает: "Добавляйте раствор гидроксида натрия только по каплям в небольшую порцию фильтрата. После каждой порции осторожно перемешивайте и наблюдайте за изменением. Не стремитесь добавить как можно больше: наша задача — увидеть признак реакции, а не заполнить пробирку. Какой признак вы ожидаете, если в фильтрате есть ионы железа(III)?" | Добавляют раствор щёлочи по каплям к 1–2 миллилитрам фильтрата, осторожно перемешивают и фиксируют образование красно-бурого студенистого осадка; предполагают: «Образуется гидроксид железа(III)». |
4 мин | Учитель записывает на доске схему и говорит: "Запишем полное уравнение: хлорид железа(III) реагирует с гидроксидом натрия, образуя нерастворимый гидроксид железа(III) и хлорид натрия. Проверьте заряды и число атомов, поставьте коэффициенты. Красно-бурый осадок — наблюдаемый признак, а запись уравнения объясняет, какое вещество появилось. Внесите наблюдение, уравнение и краткое объяснение в паспорт." | Записывают уравнение $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$, указывают цвет и характер осадка, сверяют число атомов Fe, Cl, Na, O и H. |
Эталон решения
При добавлении гидроксида натрия к раствору хлорида железа(III) выпадает красно-бурый осадок гидроксида железа(III): $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$. Признак реакции — образование осадка. Суммарный модельный путь: $Fe_2O_3 \rightarrow FeCl_3 \rightarrow Fe(OH)_3$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы получили видимый продукт превращения и подтвердили предположение характерным осадком. Осталось оценить весь путь переработки, завершить паспорт и проверить, насколько уверенно вы умеете читать подобный химический опыт."
Этап 6. Анализ результатов и проверка понимания (7 мин)
Цель этапа: обобщить наблюдения, оценить технологическую последовательность и применить предметные знания в задании формата ОГЭ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись» и говорит: "За полминуты каждый самостоятельно сформулируйте, какую роль выполняла каждая операция: обработка кислотой, фильтрование, добавление щёлочи. Затем одну минуту обсудите ответы в паре и выберите формулировку, которую готовы объяснить классу. Я запишу на доске точные глаголы: растворить, отделить, осадить. Чем отличается наблюдение от объяснения результата?" | Самостоятельно формулируют функции операций, обсуждают их в паре и сообщают классу: «Кислота переводит часть железосодержащего вещества в раствор; фильтр отделяет нерастворимый остаток; щёлочь осаждает гидроксид железа(III)». |
4 мин | Учитель предлагает задание в формате ОГЭ: "Прочитайте описание опыта: к раствору хлорида железа(III) добавили раствор гидроксида натрия, после чего выпал красно-бурый осадок. Назовите формулу осадка, укажите признак реакции и запишите уравнение. Затем ответьте: почему нельзя утверждать, что один опыт доказывает возможность получения чистого промышленного железа из любого огарка? У вас две минуты на запись, после этого сверим ответы по критериям: формула продукта, признак, коэффициенты, осторожный вывод." | Индивидуально записывают $Fe(OH)_3$, называют признак «выпадение красно-бурого осадка», составляют уравнение реакции и поясняют: «Состав реального огарка неоднороден, возможны примеси; для выбора технологии нужны анализ сырья и дополнительные стадии переработки». |
Эталон решения
Формула осадка — $Fe(OH)_3$. Признак реакции — выпадение красно-бурого осадка. Уравнение: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$. Вывод должен быть ограниченным: опыт показывает модельный путь перевода части железа из оксида в растворимую соль и получения гидроксида железа(III), но не подтверждает чистоту и промышленную пригодность реального огарка.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Вы связали операцию, наблюдение и химическое объяснение, а также увидели, как устроен вопрос на распознавание продукта реакции. Теперь завершите паспорт и проверьте, что он содержит не только красивый осадок, но и обоснованный вывод."
Этап 7. Оформление паспорта опыта, уборка и рефлексия (4 мин)
Цель этапа: завершить паспорт опыта, безопасно убрать рабочее место и оценить достижение цели лабораторной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель предлагает самопроверку по листу критериев и говорит: "Проверьте паспорт по пяти пунктам: записана цель, перечислены оборудование и реактивы, ход работы соответствует выполненным действиям, наблюдения отделены от объяснений, оба уравнения расставлены правильно. В выводе укажите, что удалось получить и какое ограничение есть у модельного опыта. Если нашли пропуск, исправьте его сейчас; затем передайте паспорт на край стола для проверки." | Сверяют паспорт по пяти пунктам, исправляют пропуски, формулируют вывод: «Модельный оксид железа(III) обработали кислотой, после фильтрования к раствору добавили щёлочь и получили красно-бурый гидроксид железа(III); реальные отходы требуют отдельного анализа». |
2 мин | Учитель контролирует уборку и завершает урок: "Перенесите остатки растворов и осадка в подписанную ёмкость, стеклянные принадлежности поставьте в предназначенный лоток. Не выливайте содержимое пробирок в раковину и не снимайте очки, пока работаете с растворами. На выходе ответьте коротко: какая операция отделяла примеси и какой осадок стал свидетельством получения нового вещества?" | Сдают остатки в указанную ёмкость, помещают оборудование в лоток, протирают рабочее место и устно отвечают: «Фильтрование отделяло нерастворимый остаток; красно-бурый осадок — гидроксид железа(III)». |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — паспорт опыта заполнен полностью; обе операции выполнены безопасно и последовательно; в таблице точно отражены наблюдения; оба уравнения записаны и уравнены верно; вывод учитывает ограничения модельного опыта.
- «4» — паспорт содержит цель, ход работы, основные наблюдения и вывод; допущена одна неточность в объяснении или оформлении уравнения, не меняющая смысл результата; правила безопасности соблюдены.
- «3» — выполнены основные операции с помощью учителя; записан признак образования осадка и хотя бы одно верное уравнение; в паспорте есть отдельные пропуски, но ученик может назвать полученный продукт и соблюдает правила безопасности.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какой этап превратил оксид железа(III) в растворимое соединение и чем вы это подтвердили? | Проверка понимания роли кислотного выщелачивания и связи наблюдений с химической моделью. |
Какой признак показал, что при добавлении щёлочи образовалось новое вещество? | Выявление осознанного распознавания осадка гидроксида железа(III). |
Что в паспорте опыта у вас получилось наиболее точно, а что нужно проверить ещё раз? | Формирование навыка самооценки и выявление затруднений в оформлении лабораторной работы. |
Почему результат опыта с модельным оксидом нельзя автоматически переносить на любой промышленный огарок? | Проверка критического отношения к экспериментальным данным и понимания роли состава сырья. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня вы проследили модельный путь от оксида железа(III) к соли, а затем к гидроксиду железа(III), и оформили этот путь как паспорт опыта. Важный результат — не только красно-бурый осадок, но и умение связать операцию, наблюдение и уравнение реакции. Помните: настоящий промышленный огарок может содержать разные примеси, поэтому его нельзя считать безопасным или чистым сырьём без анализа. На следующем уроке мы продолжим учиться предсказывать продукты реакций и разбирать задания, где нужно распознать осадок по описанию опыта."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить письменную цепочку из двух реакций для превращения $Fe_2O_3$ в $Fe(OH)_3$: записать формулы веществ, расставить коэффициенты и назвать наблюдаемый признак второй реакции. | Закрепить формулы веществ и умение расставлять коэффициенты; при проверке обратить внимание на индексы и коэффициент перед $NaOH$. |
Средний (повышающий) | Составить паспорт опыта по памяти: цель, не менее четырёх единиц оборудования или реактивов, три основные операции, два наблюдения, два уравнения и вывод из 2–3 предложений. | Закрепить алгоритм оформления лабораторной работы; проверить различение наблюдения и объяснения, а также корректность вывода. |
Продвинутый (дополнительный) | Предложить схему переработки неизвестной твёрдой смеси, содержащей оксид железа(III) и нерастворимую примесь: описать последовательность операций, ожидаемые результаты и одно ограничение метода. Не предлагать работу с настоящими промышленными отходами. | Развивать анализ и проектирование химического эксперимента; проверить, обоснованы ли выбор фильтрования и необходимость анализа состава сырья. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: Какую роль выполняет соляная кислота в опыте? Что остаётся на фильтре? Какой цвет и формула у полученного осадка? Почему модельный опыт не доказывает, что любой реальный огарок можно переработать тем же способом?
