Scenariusz zajęć

Autor: Daria Szeliga, Krzysztof Błaszczak

Przedmiot: chemia

Temat: Aluminotermia jako metoda otrzymywania metali z tlenków

Grupa docelowa: Uczniowie III etapu edukacyjnego – poziom podstawowy i rozszerzony

Podstawa programowa:

Zakres podstawowy

VII. Systematyka związków nieorganicznych. Uczeń:

3) pisze równania reakcji otrzymywania tlenków pierwiastków o liczbach atomowych od $1$ do $30$ (synteza pierwiastków z tlenem, rozkład soli, np. ${\text{CaCO}}_3$ i wodorotlenków, np. $\text{Cu}{\left(\text{OH}\right)}_2$.

Zakres rozszerzony

VII. Systematyka związków nieorganicznych. Uczeń:

3) pisze równania reakcji otrzymywania tlenków pierwiastków o liczbach atomowych od $1$ do $30$ (synteza pierwiastków z tlenem, rozkład soli, np. ${\text{CaCO}}_3$, i wodorotlenków, np. $\text{Cu}{\left(\text{OH}\right)}_2$).

Kształtowane kompetencje kluczowe:

• kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji;

• kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii;

• kompetencje cyfrowe;

• kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne

Uczeń:

• wyjaśnia, czym jest aluminotermia oraz reakcja termitowa;

• pisze równania reakcji redukcji tlenków metali za pomocą glinu;

• bilansuje równania reakcji chemicznych za pomocą metody jonowo‑elektronowej.

Strategie nauczania:

• asocjacyjna;

• problemowa.

Metody i techniki nauczania:

• dyskusja dydaktyczna;

• wirtualne laboratorium;

• analiza materiału źródłowego;

• ćwiczenia uczniowskie;

• eksperyment chemiczny;

• tarcza strzelnicza.

Formy pracy:

• praca indywidualna;

• praca w parach;

• praca całego zespołu klasowego.

Środki dydaktyczne:

• komputery z głośnikami, słuchawkami i dostępem do Internetu;

• zasoby multimedialne zawarte w e‑materiale;

• tablica interaktywna/tablica, pisak/kreda;

• rzutnik multimedialny.

Przebieg zajęć

Faza wstępna:

1. Rozpoznanie wiedzy wyjściowej uczniów. Krótkie przypomnienie dotyczące metod otrzymywania tlenków w reakcji redukcji za pomocą węgla i wodoru jako reduktorów.

2. Ustalenie celów lekcji. Nauczyciel podaje temat zajęć i wspólnie z uczniami ustala cele lekcji, które uczniowie zapisują w portfolio.

3. Zasady BHP. Nauczyciel zapoznaje uczniów z kartami charakterystyk substancji, które będą używane na lekcji.

Faza realizacyjna:

1. Eksperyment chemiczny – „Badanie reakcji tlenku żelaza($\text{III}$) z glinem”. Nauczyciel wybiera ucznia do roli asystenta, który w jego obecności przeprowadzi eksperyment pod wyciągiem. Na stole są przygotowane odczynniki chemiczne, szkło i sprzęt laboratoryjny. Uczniowie gremialnie na forum ustalają procedury wykonania eksperymentu, nauczyciel zatwierdza ostatecznie instrukcję wykonania i rozdaje uczniom karty pracy. Uczniowie indywidualnie wypełniają karty pracy wpisując pytanie badawcze hipotezę, obserwacje, równanie reakcji i wnioski. chętni uczniowie na forum klasy podają efekty swojej pracy, pozostali uczniowie i nauczyciel weryfikują poprawność merytoryczną wypowiedzi.

2. Chętny uczeń zapisuje na tablicy równanie reakcji chemicznej, jaka zaszła podczas przeprowadzonego eksperymentu chemicznego – prawidłowy zapis poniżej:
   ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3+2 \text{Al}\to 2 \text{Fe}+{\text{Al}}_2{\text{O}}_3+\text{energia}$ ($\Delta H°=-848 \frac{\text{kJ}}{\text{mol}}$)

3. Nauczyciel wprowadza pojęcia: aluminotermia, termit oraz reakcja termitowa – uczniowie wyszukują znaczenie tych pojęć w e‑materiale w sekcji „Przeczytaj” i zgłaszają swoje propozycje wyjaśnień tych pojęć na forum klasy.

4. Nauczyciel wyjaśnia efekt energetyczny reakcji. (Reakcje redukcji tlenków za pomocą glinu są reakcjami silnie egzotermicznymi, w których wydziela się duża ilość ciepła oraz światła. Osiągana temperatura dochodzi nawet do $3000°\text{C}$, co sprawia, że powstające w reakcji metale ulegają stopieniu i występują w postaci płynnej. Dochodzi wówczas do gwałtownej redukcji tlenku metalu do czystego metalu oraz utlenienia glinu do jego tlenku.)

5. Wybrany uczeń rysuje na tablicy schematyczny wykres zależności energii od postępu reakcji dla reakcji egzotermicznej.

6. Nauczyciel zwraca uwagę na częste wykorzystywanie inicjatorów reakcji, takich jak magnez lub potas, które dodawane są do mieszanki termitowej a następnie zapalane, aby zapoczątkować proces i szybko osiągnąć temperaturę zapłonu termitu (ok. $1000°\text{C}$).

7. Nauczyciel wyjaśnia, że często stosowanym tlenkiem w reakcji termitowej jest tlenek żelaza($\text{II}$, $\text{III}$). Wybrany uczeń zapisuje równanie reakcji chemicznej tlenku żelaza($\text{II}$, $\text{III}$) z glinem, a następnie bilansuje równanie metodą bilansu jonowo‑elektronowego.

8. Uczniowie pracują w parach z częścią „Sprawdź się”. Uczniowie wykonują zadania. Nauczyciel może wyświetlić treść poleceń na tablicy multimedialnej. Po każdym przeczytanym poleceniu, nauczyciel daje uczniom określony czas na zastanowienie się, a następnie chętny uczeń z danej pary udziela odpowiedzi/prezentuje rozwiązanie na tablicy. Pozostali uczniowie ustosunkowują się do niej, proponując ewentualnie swoje pomysły. Nauczyciel w razie potrzeby koryguje odpowiedzi, dopowiada istotne informacje, udziela uczniom informacji zwrotnej. Ćwiczenia, których uczniowie nie zdążą wykonać podczas lekcji mogą być zlecone do wykonania w ramach pracy domowej. A następnie tłumaczy, że reduktorem w redukcji tlenków może być również glin. Wówczas otrzymuje się zawsze tlenek glinu, a wyjściowy tlenek metalu redukowany jest do czystego metalu.

Faza podsumowująca:

1. Tarcza strzelnicza. Celem tej metody jest bardzo szybkie uzyskanie informacji zwrotnej. Uczniowie na tarczy strzelniczej zawieszonej w sali lekcyjnej, z użyciem małych samoprzylepnych kolorowych karteczek, zaznaczają w skali od $0$ do $10$ swoje „strzały”. Koło można podzielić na części, w których oceniać można różne aspekty pracy, np. przydatność, atrakcyjność, stopień trudności materiału, zaangażowanie uczniów, zainteresowanie tematem, stopień opanowania zagadnienia wynikający z zamierzonych do osiągnięcia celów lekcji, itp. Nauczyciel może odnieść się do tego ogólnie na podsumowanie.

Praca domowa:

1. Uczniowie mają za zadanie wyszukać w dostępnych źródłach i opisać zastosowania aluminotermii.

2. Uczniowie wykonują w e‑materiale w sekcji „Sprawdź się” pozostałe ćwiczenia, których nie zdążyli wykonać na lekcji.

3. Praca z wirtualnym laboratorium uczniów nieobecnych na lekcji.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania multimedium:

Wirtualne laboratorium może być wykorzystane przez uczniów podczas przygotowania się do lekcji czy pracy kontrolnej. Uczniowie nieobecni na lekcji mogą skorzystać z medium celem uzupełnienia luk kompetencyjnych.

Materiały pomocnicze:

1. Nauczyciel przygotowuje planszę z tarczą strzelniczą (wg poniższego załącznika) oraz  małe kolorowe samoprzylepne karteczki.

2. Doświadczenie chemiczne „Badanie reakcji glinu z tlenkiem żelaza($\text{III}$)

Szkło i sprzęt laboratoryjny: tygiel, szczypce metalowe, zapalniczka.

Odczynniki chemiczne: wióra magnezowa, sproszkowany tlenek żelaza($\text{III}$), sproszkowany glin.

3. Karty charakterystyk tlenku żelaza($\text{III}$), glinu i magnezu.

4. Karta pracy ucznia: