По следам хрома

ПО СЛЕДАМ ХРОМА
Этот урок для учащихся старших классов (2 ч) основан на идее Мэри Херрманн.
преподавателя химии из штата Огайо (США). В ходе занятия учащиеся знакомятся с визуальным колориметрическим методом количественного анализа и используют его для
обнаружения соединений шестивалентного хрома в растворах с малой концентрацией.
Урок впервые проведён на занятиях межрегиональной зимней школы «Учитель года» в
Екатеринбурге в январе 2009 г.
Основная цель урока: повышение учебной мотивации учащихся к изучению химии.
Обучающие цели: создать условия для усвоения учащимися представлений о
свойствах соединений хрома в различных степенях окисления, применении хрома в
производственных целях, методах нейтрализации токсичных отходов, методике
проведения визуального колориметрического анализа; развивать умения применять
знания в сложных ситуациях, на практике, вести дискуссию и аргументировать своё
мнение; совершенствовать навыки исследовательской и проектной деятельности, работы с
лабораторным оборудованием, групповой работы.
Оборудование и реактивы. На демонстрационном столе: стаканы на 25 мл (4 шт.),
палочка стеклянная, спиртовка, спички, керамическая подставка, пробирки демонстрационные; образцы соединений хрома в твёрдом состоянии (Сг2;О3;. К2СгО4, К2Сг2О7, СгС13,
(NН4)2Сг2О7), сульфит натрия (твёрдый), раствор серной кислоты (1:5), стандартный
раствор дихромата калия (концентрация хрома 1 мг/л), раствор дихромата калия с
концентрацией в 10 раз меньше, раствор дифенилкарбазида в ацетоне.
На столах учащихся: оборудование для лабораторных опытов 1, 2, 3.
Ход урока
Этап1
Актуализация знаний. Формирование рабочих групп для коллективной работы
Учитель проводит эвристическую беседу с классом, основные цели которой —
актуализация имеющихся знаний по теме «Строение атома и Периодическая система
химических элементов Д. И. Менделеева», а также определение уровня подготовленности
учащихся. В ходе беседы демонстрирует слайд с фрагментом Периодической системы, где
в одной из клеток намеренно стёрты знак и название химического элемента, оставлен
только порядковый номер — 24. Учитель предлагает учащимся, не смущаясь отсутствием
названия элемента, извлечь из Периодической системы максимум информации о нём.
Учащиеся, используя известные им закономерности, определяют состав и строение
атома элемента № 24, прогнозируют возможные свойства образованных им веществ. Учитель обращает внимание школьников на тот факт, что название элемента совершенно несущественно для получения информации о нём из Периодической системы.
После этого кто-то из учеников произносит наконец название элемента, о котором
идёт речь, — хром. Учитель предлагает записать в рабочие листы название урока — «По
следам хрома».
Учитель демонстрирует ряд соединений хрома: оксид хрома(Ш). хромат калия, дихромат калия, хлорид хрома (III). дихромат аммония (степень окисления хрома в них
сознательно не называет), обращает внимание учащихся на разнообразие их окраски и
сообщает, что название этого элемента в переводе с греческого означает «цвет», «окрашенный».
Учитель предлагает учащимся рассчитать степени окисления хрома в
демонстрируемых соединениях, при необходимости напоминая способы определения
степеней окисления. Полученные значения школьники записывают в рабочие листы.
Учитель подводит итоги первой части урока и предлагает учащимся разделиться на
группы по четыре человека. Группы отличаются по уровню подготовленности, выявленной в ходе эвристической беседы (низкий уровень, продвинутый, высокий).
Этап 2
Углубление представлений
об окислительно-восстановительных
свойствах хрома
Учитель. Для хрома типичны три степени окисления: +2, +3 и +6. Сегодня речь
пойдёт о соединениях хрома в степенях окисления +3 и +6. Сгруппируем образцы
соединений хрома на демонстрационном столе: в одну группу включим образцы
соединений трёхвалентного хрома, а в другую — шестивалентного, которые называются
хроматами и дихроматами.
? Какая разница в свойствах прослеживается между соединениями хрома в этих
двух группах? (Учащиеся отмечают разницу7 в цвете: соединения трёхвалентного хрома
имеют зелёную окраску, а шестивалентного -жёлто-оранжевую. Они указывают в соответствующих колонках рабочих листов формулы соединений хрома и характерную для них
окраску.)
Учитель. Ещё одна особенность: соединения шестивалентного хрома обладают довольно высокой токсичностью. Соединения трёхвалентного хрома менее токсичны.
Учащиеся записывают эту информацию в рабочие листы.
Хром может переходить из одной степени окисления в другую. Для этого атом
трёхвалентного хрома должен отдать ещё электроны (сколько?), т. е. окислиться. Атом
шестивалентного хрома, наоборот, должен вернуть часть потерянных электронов, т. е.
восстановиться.
Демонстрация восстановления дихромата калия сульфитом натрия в кислотной
среде.
Проводя демонстрационный опыт, учитель обращает внимание учащихся на изменение окраски раствора при переходе хрома из степени окисления +6 в степень окисления +3.
Учитель. Похожую смену окраски можно наблюдать при разложении дихромата
аммония. Здесь восстановителем является азот, имеющий степень окисления -3, т. е. обладающий избытком электронов.
Демонстрация разложения дихромата аммония («Вулкан»),
Этап З
Создание игровой ситуации
Внезапно на экране появляется слайд с надписью «Alarm! Опасность!».
Учитель. Внимание! Что-то случилось...
Появляется текст, написанный в телеграфной манере: «Сообщает санитарноэпидемиологическая станция города NN: в бассейне реки NNN обнаружено повышенное
содержание шестивалентного хрома. Предположительно это дихромат калия. Просим
всех, кто может, принять участие в определении источника загрязнения».
Кажется, нам сегодня придётся поучаствовать в расследовании. Тем более что я
знаю метод обнаружения хрома даже в очень малых количествах.
Этап 4
Обучение основам методики
колориметрического анализа
Учитель. Шестивалентный хром в форме хроматов и дихроматов обнаруживают
особым реактивом. Это органическое соединение — дифенилкарбазид, или, более точно,
— 1,5 -дифенилкарбогидразид.
Слайд с формулой дифенилкарбазида: (C6H5NHNH)2CO.
В присутствии шестивалентного хрома в кислотной среде дифенилкарбазид приобретает красно-малиновую окраску. Причём чем больше концентрация хрома, тем ярче
цвет.
Демонстрация окрашивания дифенилкарбазида в растворе дихромата калия
концентрацией 1 мг/л и разведённого в десять раз. В две пробирки с растворами
дихромата калия разной концентрации учитель добавляет серную кислоту, чтобы
создать кислотную среду, и капает пипеткой несколько капель реактива — раствора
дифенилкарбазида в ацетоне. Интенсивность окраски разная.
Приготовление растворов
На уроке используются два раствора дихромата калия: так называемый маточный
раствор концентрацией 100 мг/л (0,1 г/л) и стандартный раствор концентрацией 1 мг/л
(0,001 г/л). Для приготовления первого раствора 0,3 г дихромата калия (содержат примерно 0,1 г шестивалентного хрома) учитель растворяет в 1 л воды. Берёт 100 мл полученного раствора (0,01 г хрома) и разбавляет водой до 1 л. Получает раствор концентрацией
0,01 г/л (10 мг/л).
От полученного раствора берёт 100 мл (0,001 г хрома), добавляет 10 мл концентрированной серной кислоты и разбавляет водой до 1 л. Получает стандартный раствор
концентрацией 0.001 г/л (1 мг/л).
Концентрация раствора дифенилкарбазида в ацетоне не имеет решающего значения
для выполнения предусмотренных лабораторных опытов. Этот раствор учитель готовит
растворением нескольких миллиграммов дифенилкарбазида в 20-30 мл ацетона.
Полученный раствор нужно хранить в плотно закрывающейся ёмкости.
Учитель. Таким способом можно получить информацию о приблизительном
значении концентрации хрома в растворе. У вас на столах стоит раствор, в котором
концентрация шестивалентного хрома равна 1 мг/л. Это значит, что в 1 л этого раствора
содержится 1 мг хрома +6.
? Рассчитайте массу хрома в 1 мл раствора. (0.001 мг.)
? Определите массу хрома в 5 мл раствора, в 6 мл. (Учащиеся осознают
взаимосвязь между объёмом раствора и содержанием в нём хрома.)
Далее учащиеся работают в группах по два человека, выполняют лабораторный
опыт 1 по инструкции. Задача каждой группы — разбавить исходный раствор в
определённое чисто раз (в итоге получают шесть разных растворов), рассчитать
концентрацию хрома в нём и добавить в полученный раствор одинаковое количество
реагента — дифенилкарбазида.
Лабораторный опыт 1
Приготовление эталонного раствора № 1 (2, 3, 4, 5)
Оборудование и реактивы: измерительная мензурка, стакан на 25 мл, пробирка с
пробкой, пипетка, стеклянная палочка, стандартный раствор Сг"6. раствор
дифенилкарбазида в ацетоне, раствор серной кислоты (1 : 5).
Вам выдан стандартный раствор, имеющий концентрацию Сг+61 мг/л. Это значит,
что 1 мл этого раствора содержит 0,001 мг хрома.
1. Отмерьте измерительной мензуркой ровно 2 мл стандартного раствора (для растворов № 2, 3,4, 5 — соответственно 4, 8,12, 16 мл).
2. Перелейте раствор в стакан, добавьте 4 мл раствора серной кислоты и 14 мл
воды (для растворов № 2,3,4,5 объём воды, соответственно, составляет 12, 8, 4, 0 мл). Размешайте стеклянной палочкой. Теперь объём раствора в стакане равен 20 мл.
• Масса шестивалентного хрома в стакане равна___мг.
• Таким образом, 20 мл полученного вами
раствора содержат___мг хрома, тогда 1000 мл
(1 л) этого раствора содержат___мг хрома.
• Значит, концентрация приготовленного вами эталонного раствора равна____мг/л.
3. Отмерьте цилиндром 10 мл приготовленного раствора, перелейте в пробирку,
добавьте в неё пять капель раствора дифенилкарбазида, плотно закройте пробкой и
встряхните.
По окончании опыта учитель выборочно берёт у учащихся пробирки с растворами
и выставляет их на демонстрационном столе рядом с раствором дифенилкарбазида, разбавленным 10 мл воды, составляя шкалу эталонных растворов.
Учитель. Таким образом, мы получили шесть так называемых эталонных
растворов с концентрациями шестивалентного хрома 0; 0.1: 0.2: 0.4: 0.6 и 0.8 мг/л. Как
видите, интенсивность окраски раствора постепенно уве-Л1гчивается с увеличением
концентрации растворённого хрома.
Теперь мы можем пользоваться полученной шкалой для измерения концентрации
неизвестных растворов, содержащих шестивалентный хром.
Этап 5
Деловая игра «Экологическая полиция»
Учитель. Вернёмся к нашей проблеме. На слайде (см. рисунок) вы видите схему
района загрязнения. Вдоль реки расположены пять предприятий, каждое из которых
может быть потенциальным источником сброса соединений хрома со сточными водами.
Поисковые группы санитарной службы города NN произвели забор проб воды из реки
NNN в пяти контрольных точках. Эти пробы перед вами в пяти пронумерованных
ёмкостях (на демонстрационном столе — пять больших ёмкостей с заранее
приготовленными растворами). И теперь только от вас зависит, сможем ли мы
определить предприятие-нарушитель. Группы будут работать как исследовательские
отделы экологической полиции. Задача каждого отдела — измерить концентрацию хрома
в одной из пяти проб воды. Для этого вам следует отмерить 10 мл пробы, перенести в
пробирку, добавить, как и раньше, дифенилкарбазид и определить концентрацию хрома,
сравнивая окраску с эталонными растворами.
В работе исследуются пять растворов (пробы, «взятые» в пяти контрольных точках
реки NNN).
Гальванический
цех
Схема района загрязнения
Первые два образца — чистая вода.
Третий образец готовится из расчёта 50 мл воды на 50 мл стандартного раствора
+6
Сг концентрацией 1 мг/л. Концентрация Сг+6 равна примерно 0,5 мг/л.
Четвёртый образец: 70 мл воды на 30 мл стандартного раствора Сг+6 концентрацией
1 г/л. Концентрация Сг+6 равна примерно 0,3 мг/л.
Пятый образец: 80 мл воды на 20 мл стандартного раствора Сг+6 концентрацией 1
мг/л. Концентрация Сг+6 равна примерно 0,2 мг/л.
Далее учащиеся работают в парах, выполняя лабораторный опыт 2 по инструкции.
Каждая пара исследует одну из пяти проб. При наличии в классе большого числа
учащихся несколько пар могут независимо исследовать одну и ту же пробу.
Лабораторный опыт 2
Определение концентрации Сг+6 в исследуемом растворе
Оборудование и реактивы: измерительный цилиндр, пробирка с пробкой, пипетка,
раствор серной кислоты (1 : 5), раствор дифенил-карбазида в ацетоне.
Ваша задача — определить концентрацию хрома в пробе воды, взятой в реке в точке №__,
рядом с предприятием__________.
1. Отмерьте измерительным цилиндром ровно 10 мл исследуемого раствора.
2. Перенесите раствор в пробирку.
3. Добавьте в пробирку 4 мл раствора серной кислоты, пять капель раствора
дифенил-карбазида, плотно закройте пробкой и встряхните.
4. Сравните окраску полученного раствора со шкалой эталонных растворов и
сделайте вывод о концентрации хрома.
Подготовьте сообщение, в которое включите информацию о концентрации хрома и
применении хрома на предприятии.
В рабочих листах учащихся имеется таблица, включающая четыре колонки: номер
контрольной точки, концентрация хрома, название предприятия, применение соединений
хрома. В четвёртой колонке, где содержится информация о применении соединений хрома
на одном из предприятий, расположенных вдоль берегов реки NNN, у каждой группы
заполнена только одна строка — соответствующая конкретному предприятию. Например,
в рабочих листах группы, исследующей пробу воды из точки № 1, имеются сведения о
применении хрома в металлургии и т. д.
Применение хрома
Завод металлоизделий. Хром — важная добавка, улучшающая свойства стали.
Сталь — это сплав железа с углеродом, где содержание углерода не выше 0,3%,
остальное — железо.
Если часть железа заменить хромом, то сталь становится устойчивой к окислению.
Самая известная из таких сталей — нержавеющая. Ее состав: 18% хрома, 8% никеля, 0,1%
углерода, остальное — железо.
Гальванический цех. Хром наносят в качестве покрытия на изделия из других
металлов. Покрытие хромом (хромирование) позволяет улучшить внешний вид и
уменьшить окисляемость изделия.
Хром наносят гальваническим методом. Хромируемое изделие погружают в ванну
с электролитом — хромовой кислотой, из которой под действием электрического тока
осаждается хром.
Красильная фабрика. В производстве красок широко используют соединения
хрома. Трёхвалентный хром (в частности, оксид хрома) входит в состав зелёных красок
(хромовая зелень), шестивалентный — жёлтых и красных (например, красный крон
содержит хромат свинца(И) РЬСЮ4).
Фабрика по выделке кожи. Соединения шестивалентного хрома — дихроматы
(например, К2Сг207) — применяют для дубления кожи. Дубление придаёт коже красивый
блеск и прочность. Отсюда выражение «хромовые сапоги».
Мебельная фабрика. Пропитка древесины специальным раствором, содержащим
хроматы и дихроматы, увеличивает стойкость изделия к действию грибков, насекомых,
пламени.
По завершении лабораторного опыта 2 каждая пара прикрепляет карточку со значением концентрации хрома на схему района загрязнения (в точках № 1 и 2 — 0, в точке №
3 - 0,5 мг/л, № 4 - 0,3 мг/л, № 5 - 0,2 мг/л), сообщает полученные результаты и рассказывает о применении хрома на данном предприятии. Остальные учащиеся записывают эту
информацию в свои рабочие листы. В результате после отчёта всех групп каждый учащийся имеет в своём рабочем листе сжатую информацию о применении хрома на всех
пяти предприятиях и о концентрациях хрома во всех пяти точках.
Затем учитель организует эвристическую беседу. Задача — интерпретировать
результаты измерений.
Сравнивая результаты анализа проб и учитывая направление течения реки,
учащиеся приходят к выводу, что предприятием-нарушителем является красильная
фабрика. Именно напротив неё концентрация растворённого в речной воде хрома резко
возрастает. Школьники без труда объясняют, почему ниже по течению концентрация
хрома вновь падает: это связано с постепенным разбавлением раствора.
Отметим, что по усмотрению учителя значения концентрации шестивалентного
хрома в контрольных пробах могут отличаться от предложенных. Ведь эти растворы
учитель готовит сам до урока. Это позволяет многократно проводить деловую игру
'Экологическая полиция», варьируя полученные учащимися результаты и предприятия,
загрязняющие воду реки.
Этап 6
Проектная деятельность:
нейтрализация шестивалентного хрома
Учитель. Найти виновника загрязнения реки сточными водами — это не
единственная наша задача сегодня. Попробуем решить задачу посложнее: как бороться с
загрязнением окружающей среды соединениями шестивалентного хрома? Ведь отходы
всех производств города NN включают токсичный шестивалентный хром. Есть разные
подходы к решению этой проблемы.
Учащиеся возвращаются к исходному делению на группы по четыре человека. У
каждой группы на столе имеется оборудование, которое и подскажет школьникам
гипотезу об одном из методов нейтрализации шестивалентного хрома.
Оборудование для групп
Для группы 1 (уровень готовности низкий): большой пустой стакан, измерительный
цилиндр и большой объём воды (500 мл).
Для группы 2 (уровень готовности продвинутый): таблица растворимости, раствор
ацетата свинца(П), набор для фильтрования (коническая колба, воронка, стеклянная
палочка, фильтровальная бумага).
Для группы 3 (уровень готовности высокий): раствор сульфида натрия, карточка с
заданием: «Рассчитайте степень окисления серы в данном соединении».
Учащиеся в группах проводят мозговой штурм.
Группа 1 должна прийти к выводу о возможности сильного разбавления
хромсодержащих отходов перед сбросом в водоём, группа 2 — о возможности осаждения
хромат-дихромат-)-ионов и последующего их отделения фильтрованием, группа 3 — о
возможности снижения токсичности сточных вод путём восстановления шестивалентного
хрома в трёхвалентный.
Убедившись, что каждая группа нашла нужный подход к решению проблемы, учитель выдаёт группам инструкции к выполнению лабораторного опыта 3. Учащиеся выполняют опыт и готовят устный отчёт о проделанной работе.
Лабораторный опыт 3
Метод разбавления (для группы 1)
Оборудование и реактивы: стандартный раствор Сг+6, раствор дифенилкарбазида в
ацетоне, раствор серной кислоты (1 : 5), вода водопроводная (не менее 500 мл), пипетка,
цилиндр измерительный, стакан на 100 мл, две пробирки.
Вам выдан стандартный раствор с концентрацией хрома (Сг*6) 1 мг/л.
1. Отмерьте измерительным цилиндром 5 мл стандартного раствора и перенесите
его в стакан на 100 мл.
2. Рассчитайте объём воды, которую надо добавить в стакан, чтобы концентрация
хрома уменьшилась до предельно допустимого уровня (0,05 мг/л).
3. Добавьте необходимый объём воды в стакан.
4. Возьмите в две пробирки пробы растворов до и после разбавления (объёмом по
10 мл).
5. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раствора серной кислоты и по пять капель
реактива на шестивалентный хром — дифенилкарбазида.
6. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих
предложениях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.
Метод осаждения (для группы 2)
Оборудование и реактивы: стандартный раствор Сг+6, раствор дифенилкарбазида в
ацетоне, раствор ацетата свинца(П), раствор серной кислоты (1 : 5), пипетка, стакан на 25
мл, колба коническая, воронка стеклянная, бумага фильтровальная, палочка стеклянная,
две пробирки, таблица растворимости (расширенная).
Вам выдан стандартный раствор с концентрацией хрома (Сг+6) 1 мг/л.
1. Отмерьте измерительным цилиндром 10 мл стандартного раствора Сг+6.
2. Добавьте 5 мл раствора ацетата свинца(П).
3. Соберите прибор для фильтрования и отфильтруйте полученную смесь.
4. Возьмите в две пробирки пробы стандартного раствора и полученного
фильтрата (объёмом по 10 мл).
5. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раствора серной кислоты и по пять капель
реактива на шестивалентный хром — дифенилкарбазида.
6. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих
предложениях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.
7 (для хорошо подготовленных учащихся). Напишите уравнение реакции
осаждения дихроматионов в молекулярной и ионной форме.
Метод восстановления (для группы 3)
Оборудование и реактивы: раствор Сг+6 (1 мг/л), раствор дифенилкарбазида в
ацетоне, раствор серной кислоты (1 : 5), раствор сульфида натрия, пипетка,
измерительный цилиндр, две пробирки с пробкой.
Вам выдан стандартный раствор с концентрацией хрома (Сг+6) 1 мг/л.
1. С помощью измерительного цилиндра перенесите в две пробирки по 10 мл
стандартного раствора Сг+6.
2. Добавьте в обе пробирки по 4 мл раствора серной кислоты.
3. В одну из пробирок добавьте немного раствора сульфида натрия. О чём
свидетельствует изменение окраски?
4. Добавьте в обе пробирки по две капли реактива на шестивалентный хром —
дифенилкарбазида.
5. Сравните результаты, сделайте выводы. Подготовьте сообщение о своих
предложениях по снижению токсичности сточных вод и результатах эксперимента.
6 (для подготовленных учащихся). Напишите уравнение реакции восстановления хрома
Сг+6 в Сг4"3 и подберите коэффициенты методом электронного баланса.
Отчёты учащихся о проделанной работе учитель сопровождает демонстрацией
видеофрагментов, которые воспроизводят действия учащихся, выполняющих лабораторный опыт 3- Учащиеся комментируют видеофрагменты.
Школьники заносят в рабочие листы краткую информацию о методах
нейтрализации токсичного шестивалентного хрома, разработанных своей и другими
группами.
При наличии времени учитель организует работу в группах с целью критического
анализа всех трёх методов нейтрализации токсичного шестивалентного хрома. Учащиеся
приходят к выводу, что метод разбавления решает проблему в минимальной степени, так
как общее количество хрома, попадающего в водоём, не меняется. При использовании
методов осаждения и восстановления необходимы дополнительные реактивы, кроме того,
возникает проблема утилизации отходов.