Лабораторный практикум: переработка огарка и экологичное извлечение меди
Цели и задачи
- Цель по SMART: за 45 минут исследовать предложенный огарок, содержащий оксид меди(II), получить из него медь реакцией с железом, зафиксировать наблюдения и выводы в паспорте опыта, соблюдая правила безопасной работы и объясняя значение переработки для экологии.
- Образовательная задача: применить знания о кислотах, солях и реакциях замещения для описания растворения оксида меди(II) и вытеснения меди железом.
- Развивающая задача: выдвинуть гипотезу, спланировать исследование, наблюдать изменения и соотнести их с уравнениями реакций.
- Развивающая задача: оформить паспорт опыта с целью, оборудованием, ходом работы, наблюдениями и выводом; аргументировать вывод данными опыта.
- Воспитательная задача: сформировать ответственное отношение к обращению с химическими отходами и понимание ценности возврата металлов во вторичный оборот.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают, что повторное использование металлов помогает беречь природные ресурсы и уменьшать количество отходов.
- Проявляют ответственное отношение к собственной безопасности и безопасности одноклассников при работе с растворами.
- Понимают практическую значимость химических знаний для переработки сырья и экологически ответственных технологий.
- Соотносят лабораторные навыки с возможными направлениями профессионального самоопределения в химии, материаловедении и экологическом контроле.
Метапредметные
- Планируют исследование по вопросу о возможности извлечения меди из содержащего её огарка и формулируют проверяемую гипотезу.
- Извлекают сведения из инструкции, маркировки реактивов и наблюдаемых признаков реакции.
- Систематизируют данные опыта в таблице паспорта: исходный материал, действие, наблюдение и объяснение.
- Сопоставляют экспериментальные наблюдения с химическими уравнениями и представляют аргументированный вывод.
- Используют межпредметные связи химии, экологии и технологии переработки материалов для анализа жизненной ситуации.
Предметные
- Знают, что оксид меди(II) реагирует с разбавленной серной кислотой с образованием сульфата меди(II) и воды.
- Умеют записать уравнения реакций CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O и Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.
- Умеют по появлению голубого раствора и красно-бурого налёта распознавать образование соединения меди(II) и выделение меди.
- Умеют выполнять предложенную последовательность лабораторных действий с малыми количествами веществ и оформлять паспорт опыта.
- Владеют навыком формулирования вывода о возможности извлечения меди из модельного огарка и необходимости правильного сбора остатков реактивов.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личную ответственность за соблюдение правил безопасной работы с кислотой и растворами солей.
- Осмысливают ценность переработки металлов как способа рационального использования ресурсов.
- Проявляют познавательный интерес к химическим технологиям, связанным с разделением и возвратом веществ.
- Оценивают собственную готовность выполнять практические химические задачи, в том числе в формате заданий ОГЭ.
Регулятивные УУД
- Формулируют цель и гипотезу исследования, исходя из проблемного вопроса урока.
- Планируют последовательность действий: растворить оксид, отделить нерастворимый остаток, провести реакцию замещения.
- Сверяют каждое действие с инструкцией и соблюдают временные ограничения практикума.
- Контролируют безопасность и корректируют действия при появлении непредусмотренных признаков реакции.
- Оценивают результат по наблюдениям и критериям паспорта опыта, отмечая возможный источник ошибки.
Познавательные УУД
- Выдвигают гипотезу о превращениях меди в модельном огарке и проверяют её экспериментом.
- Классифицируют наблюдения как признаки растворения, образования раствора и выделения металла.
- Составляют молекулярные уравнения реакций и определяют, какое вещество вытесняет медь из раствора соли.
- Моделируют путь меди от оксида через раствор соли к простому веществу.
- Сопоставляют лабораторную модель с промышленной переработкой и экологическими последствиями утилизации металлсодержащих отходов.
Коммуникативные УУД
- Распределяют в паре роли: исполнитель операций и секретарь-наблюдатель; при необходимости меняются ролями.
- Задают уточняющие вопросы по инструкции и правилам безопасной работы до начала опыта.
- Согласуют формулировку гипотезы и вывода, опираясь на совместно зафиксированные наблюдения.
- Представляют результат опыта классу и аргументируют его уравнениями реакций.
- Корректно обсуждают расхождения результатов, не подменяя наблюдение предположением.
Подготовка учителя к уроку
- Заранее приготовить безопасный модельный огарок: небольшую порцию оксида меди(II) в подписанной ёмкости. Уточнить, что в этом практикуме «огарок» — модельный медьсодержащий остаток, а не неизвестный бытовой или производственный отход.
- Приготовить разбавленный раствор серной кислоты невысокой концентрации, около 0,5 моль/л, и раствор сульфата меди(II); хранить и раздавать растворы только в подписанных сосудах.
- На каждую пару подготовить пробирки, штатив, пипетки, стеклянную палочку, шпатель, небольшую воронку и фильтровальную бумагу; обеспечить доступ к промывочной воде.
- Распечатать паспорт опыта и карточку-инструкцию с правилами безопасности — по одному комплекту на пару; подготовить 2 резервных комплекта для замены.
- Подготовить железные скрепки или небольшие зачищенные железные гвозди — по одному на пару, а также лоток для сбора твёрдых остатков.
- Разместить на доске или слайде схему превращения CuO → CuSO₄ → Cu и незаполненные уравнения двух реакций для совместного разбора.
- Подготовить очки и перчатки по числу учащихся, защитный халат для учителя, салфетки и ёмкость с маркировкой «Отходы с соединениями меди»; не сливать медьсодержащие растворы в раковину.
- Подготовить проектор или интерактивную доску для показа фотографии металлсодержащих отходов и схемы замкнутого цикла переработки; при отсутствии оборудования использовать распечатанную схему на группу.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и экологический крючок (3 мин)
Цель этапа: организовать безопасную работу и заинтересовать учащихся вопросом о возвращении металла из отходов.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и проверяет готовность рабочих мест: «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы проведём исследование, а не просто повторим готовый опыт. Перед вами будут вещества, которые требуют аккуратного обращения, поэтому сначала наденьте защитные очки и уберите лишние предметы со стола. Проверьте, что на рабочем месте есть инструкция и пустой паспорт опыта. До моего сигнала реактивы не трогаем». | Надевают очки, убирают личные вещи, проверяют наличие инструкции и паспорта опыта; отвечают, что реактивы пока не используют. |
2 мин | Учитель показывает закрытую ёмкость с модельным огарком и изображение медьсодержащего отхода: «Представьте, что в остатке производства сохранился металл, но он связан с кислородом и смешан с примесями. Можно ли вернуть медь в полезный оборот, не выбрасывая такой остаток как обычный мусор? Сегодня мы проверим это на безопасной лабораторной модели. Какой признак убедит нас, что медь действительно удалось получить?» | Предлагают проверяемые признаки: «Появится красно-бурый металл», «Изменится цвет раствора»; записывают вопрос исследования. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «У нас есть вопрос, на который нужно ответить наблюдениями, а не догадкой. Сначала вспомним, какие свойства оксида меди и солей помогут спланировать проверку».
Этап 2. Актуализация знаний и инструктаж по безопасности (6 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о реакциях оксидов с кислотами и реакциях замещения, а также предупредить риски практической работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель записывает на доске формулу CuO и проводит короткий опрос: «Назовите это вещество и определите, к какому классу оно относится. Как обычно взаимодействуют основные оксиды с кислотами? Что образуется при реакции железа с раствором соли менее активного металла? Давайте восстановим логику: сначала переведём медь из оксида в растворимую соль, затем проверим, сможет ли железо вытеснить медь». | Отвечают: «Оксид меди(II), основной оксид»; «Основной оксид с кислотой образует соль и воду»; «Более активный металл вытесняет менее активный из раствора соли». |
3 мин | Учитель показывает подписанные сосуды и демонстрирует безопасный способ добавления раствора: «Сейчас работаем только с малыми порциями. Серную кислоту не пробуем и не трогаем руками; раствор набираем пипеткой, не направляя её на себя и соседа. Если капля попала на кожу или стол, сразу сообщите мне и промойте место большим количеством воды. Все растворы и остатки, содержащие медь, собираем в отдельную подписанную ёмкость, в раковину их не выливаем. Кто назовёт правило для стеклянной посуды?» | Называют правила: не брать повреждённую посуду, не направлять пробирку на людей, сообщать о проливе; надевают перчатки после инструктажа. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили химическую логику превращений и правила безопасности. Теперь сформулируем гипотезу так, чтобы её можно было проверить в конкретном опыте».
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Этап 3. Постановка проблемы и планирование исследования (5 мин)
Цель этапа: сформулировать проверяемую гипотезу и согласовать последовательность исследования.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель организует приём «Подумай — обсуди в паре — поделись»: «Полминуты подумайте самостоятельно: каким образом можно перевести медь из твёрдого огарка в раствор, а затем выделить обратно? Теперь обсудите идею с соседом. Подумайте, какое наблюдение подтвердит каждый шаг. Я выслушаю две формулировки и запишу на доске наиболее проверяемую гипотезу». | Индивидуально обдумывают план 30 секунд, обсуждают в парах 1 минуту; предлагают гипотезу: «Если обработать оксид меди кислотой, медь перейдёт в раствор соли, а железо вытеснит её в виде металла». |
2 мин | Учитель фиксирует на доске этапы исследования и задаёт вопросы: «Сначала мы растворяем именно огарок или добавляем железо сразу? Зачем отделять нерастворимую примесь? Какие наблюдения внесём в паспорт опыта? Запишите план: обработка разбавленной кислотой, фильтрование при необходимости, добавление железа, фиксация результата и экологичный сбор остатков». | Записывают гипотезу и план в паспорт; называют ожидаемые наблюдения: изменение цвета раствора, появление красно-бурого налёта на железе. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «План и признаки проверки определены. Перед выполнением опыта оформим паспорт так, чтобы другой исследователь мог понять, что именно мы делали и на чём основан наш вывод».
Этап 4. Оформление паспорта опыта и начало исследования (7 мин)
Цель этапа: начать опыт по согласованному плану и систематично фиксировать сведения о его выполнении.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает образец паспорта на доске: «В верхней части укажите тему, цель и гипотезу; ниже перечислите оборудование и реактивы. В таблице разделите сведения на три графы: действие, наблюдение, объяснение. В конце оставьте место для уравнений и вывода. Паспорт заполняется по ходу работы, а не по памяти после опыта». | Заполняют в паспорте тему, цель, гипотезу; перечисляют пробирку, пипетку, шпатель, фильтр, раствор кислоты, модельный огарок и железо. |
5 мин | Учитель раздаёт парам небольшую порцию модельного огарка и раствор кислоты: «Поместите шпателем малое количество оксида меди(II) в пробирку. Добавьте несколько капель разбавленной серной кислоты, аккуратно перемешайте стеклянной палочкой и наблюдайте. Не закрывайте пробирку и не нагревайте смесь. Запишите, что происходит с чёрным твёрдым веществом и какого цвета становится раствор. Если после перемешивания осталась нерастворимая примесь, отделите её фильтрованием». | Добавляют к малой порции CuO разбавленную H₂SO₄, перемешивают; фиксируют уменьшение чёрного осадка и образование голубого раствора. При наличии твёрдой примеси фильтруют смесь, фильтрат сохраняют. |
Эталон решения
При растворении оксида меди(II) протекает реакция CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Голубой цвет раствора связан с ионами меди(II) в растворе сульфата меди. Нерастворимую примесь, если она присутствует, можно отделить фильтрованием; она не является доказательством растворения или получения металла.
Запись в тетрадях: учащиеся оформляют паспорт опыта с графами «Цель и гипотеза», «Оборудование и реактивы», «Ход работы», «Наблюдения», «Уравнения реакций», «Вывод».
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы получили раствор, содержащий соединение меди, и записали наблюдения. Теперь проверим следующий шаг гипотезы: сможет ли железо вернуть медь в виде простого вещества».
Этап 5. Проведение реакции замещения и фиксация результата (8 мин)
Цель этапа: получить медь из раствора соли железом и сопоставить наблюдения с уравнением реакции.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт очищенные железные скрепки или небольшие железные гвозди и поясняет: «Перелейте часть голубого фильтрата в чистую пробирку, если вы проводили фильтрование. Опустите в раствор один небольшой железный предмет и наблюдайте несколько минут. Не вынимайте его руками: используйте пинцет. Посмотрите, меняется ли поверхность железа и окраска раствора. Отделите наблюдение от объяснения: сначала запишите только то, что действительно видите». | Помещают железо в раствор CuSO₄; наблюдают красно-бурый налёт на железе и постепенное изменение окраски раствора; заносят наблюдения в паспорт. |
3 мин | Учитель записывает на доске схему Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu и спрашивает: «Какой металл здесь активнее — железо или медь? Что именно покрывает железо? Почему этот опыт относится к реакции замещения? Запишите уравнение и поясните его словами, опираясь на наблюдение». | Записывают Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu; формулируют: «Железо активнее меди и вытесняет её из раствора соли; красно-бурый налёт — выделившаяся медь». |
Эталон решения
Уравнение реакции замещения: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Железо вытесняет медь из раствора сульфата меди, поскольку железо активнее меди. Признаки, согласующиеся с реакцией: красно-бурый налёт меди на железе и изменение интенсивности голубой окраски раствора.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Наблюдаемое выделение меди подтверждает второй шаг нашего плана. Теперь проверим, насколько вывод каждой пары опирается на данные опыта, и обсудим связь этой модели с экологией и технологией переработки».
Этап 6. Анализ данных, межпредметная связь и первичное закрепление (8 мин)
Цель этапа: обосновать результат цепочкой реакций и связать лабораторную модель с экологией, технологией переработки и форматом ОГЭ.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель предлагает парам заполнить последнюю часть паспорта: «Соедините две реакции стрелкой и подпишите, в какой форме находится медь после каждого этапа. Какой результат опыта подтверждает каждое превращение? Сформулируйте вывод по схеме: “Мы предполагали…, наблюдали…, поэтому заключаем…”». Затем заслушивает две пары и просит класс оценить, подтверждены ли выводы наблюдениями. | Заполняют цепочку CuO → CuSO₄ → Cu; приводят признаки: исчезновение части чёрного твёрдого вещества, голубой раствор, красно-бурый налёт на железе. Формулируют вывод по предложенной схеме. |
2 мин | Учитель показывает схему замкнутого цикла переработки металлов и обращается к классу: «Свяжем химию с экологией и технологией. Почему содержащий металл остаток не следует просто выбрасывать? Какие этапы промышленной переработки наша модель показывает, а какие не показывает? В реальности учитывают состав отхода, расход реагентов, очистку растворов и безопасность производства». | Отвечают: «Можно вернуть ценное сырьё», «Уменьшается потребность добывать новую руду»; отмечают, что школьный опыт моделирует химическое извлечение, но не заменяет промышленную очистку и оценку воздействия. |
2 мин | Учитель предлагает мини-задание в формате ОГЭ: «Выберите верное утверждение и обоснуйте выбор. А: железо вытесняет медь из раствора CuSO₄; Б: медь вытесняет железо из раствора FeSO₄. Какое уравнение подтверждает ответ? Не переживайте из-за экзаменационного формата: здесь важнее применить уже известное правило ряда активности». | Выбирают утверждение А, записывают Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu и объясняют выбор рядом активности металлов. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы связали наблюдения, уравнения и экологический смысл переработки. Осталось самостоятельно проверить, можете ли вы без подсказки объяснить результат и безопасно завершить работу».
Этап 7. Самостоятельная проверка, уборка и рефлексия (8 мин)
Цель этапа: оценить индивидуальное понимание реакций, корректно собрать отходы и определить, что удалось освоить.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт короткую индивидуальную карточку: «Самостоятельно выполните три пункта: укажите формулу соли, образующейся при реакции оксида меди с серной кислотой; допишите продукты реакции железа с CuSO₄; назовите два наблюдения, подтверждающих получение меди. Это задание по типу экзаменационной проверки, но сегодня мы тренируем логику, а не скорость. После выполнения сверьте уравнения с доской». | Индивидуально записывают CuSO₄, FeSO₄ и Cu; указывают голубой раствор и красно-бурый налёт; проводят самопроверку по записи на доске. |
3 мин | Учитель организует уборку: «Сначала пинцетом поместите железо и твёрдые остатки в лоток для отходов с соединениями меди. Остатки растворов перелейте только в подписанную ёмкость, не в раковину. Промойте посуду согласно моей инструкции, протрите рабочее место и снимите перчатки. Проверьте, что паспорт опыта заполнен и в нём есть уравнения и вывод». | Собирают медьсодержащие твёрдые и жидкие остатки раздельно в обозначенные ёмкости, очищают рабочее место, проверяют паспорт опыта. |
2 мин | Учитель проводит рефлексию «Билет на выход»: «На небольшом листке ответьте на два вопроса: какое наблюдение лучше всего подтвердило получение меди и какое правило экологичной работы вы сегодня применили? Допишите самооценку: “Я могу объяснить обе реакции самостоятельно” или “Мне ещё нужно повторить…”». | Заполняют билет на выход, указывают наблюдение и правило сбора отходов; отмечают, нужна ли дополнительная помощь с уравнениями. |
Запись в тетрадях: учащиеся завершают паспорт опыта, записывают два уравнения реакций и вывод: «В модельном огарке медь находилась в составе оксида; после растворения в кислоте она перешла в раствор соли, а железо вытеснило её в виде металла. Медьсодержащие остатки требуют раздельного сбора».
Критерии оценивания практической работы
- «5» — паспорт опыта заполнен полностью; оба уравнения реакций составлены верно; наблюдения записаны отдельно от объяснения; вывод подтверждён данными; все правила безопасной работы и сбора отходов соблюдены.
- «4» — опыт выполнен безопасно, основная часть паспорта заполнена, обе реакции поняты; допущена одна неточность в оформлении наблюдений или объяснении экологического смысла.
- «3» — опыт выполнен при дополнительной помощи учителя; в паспорте зафиксированы основные наблюдения и хотя бы одно верное уравнение; учащийся соблюдал основные требования безопасности.
- Нарушение правил безопасной работы требует немедленной остановки эксперимента и корректирующего инструктажа независимо от правильности химического результата.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Какое наблюдение убедило вас, что медь выделилась из раствора? | Проверить, связывает ли ученик вывод с экспериментальными данными. |
Как связаны между собой две реакции, проведённые сегодня? | Выявить понимание последовательности превращений и роли каждого реактива. |
Что было самым трудным: спланировать опыт, записать уравнения или сформулировать вывод? | Определить затруднения для адресной поддержки на следующем уроке. |
Почему растворы с соединениями меди нельзя выливать в раковину? | Проверить осознанность экологически ответного обращения с отходами. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня вы не просто провели две реакции, а проверили гипотезу и оформили результат как исследование. Мы проследили путь меди от оксида к раствору соли и далее к металлу, опираясь на наблюдаемые признаки. Помните типичную ошибку: изменение цвета само по себе ещё не доказывает выделение металла — вывод нужно подтверждать совокупностью наблюдений и уравнением реакции. Отдельно важно, что металлсодержащие растворы собирают специально, а не сливают в канализацию. На следующем занятии мы продолжим применять ряд активности металлов для прогнозирования реакций замещения и решения заданий экзаменационного формата».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Повторить две реакции из паспорта опыта и письменно ответить на три вопроса: как получить сульфат меди(II) из оксида; какой металл вытесняет медь из раствора CuSO₄; почему раствор с соединениями меди собирают отдельно. | Закрепляет уравнения реакций и понимание безопасного обращения с металлсодержащими остатками; при проверке обратить внимание на правильные формулы и причинное объяснение. |
Средний (повышающий) | Составить и уравнять три схемы реакций замещения железа с растворами солей меди и цинка, определить, в каких случаях реакция возможна, и кратко обосновать ответ рядом активности металлов. | Развивает применение ряда активности и прогнозирование реакций; при проверке оценить корректность продуктов и аргументации. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткую схему из 5–6 шагов, показывающую путь металлсодержащего остатка к повторному использованию; указать, какие стадии школьного опыта можно считать моделью переработки, какие меры нужны для очистки и почему нельзя без оценки состава обращаться с неизвестными отходами. | Развивает исследовательское и экологическое мышление; при проверке обратить внимание на различение лабораторной модели и промышленного процесса. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какое вещество образуется при реакции CuO с разбавленной серной кислотой? Как железо вытесняет медь из раствора CuSO₄? Какое наблюдение подтверждает выделение меди и куда следует поместить медьсодержащие остатки?»
