СТЕКЛО – СОВРЕМЕННЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛКонтрольно-обобщающий интегрированный урок
Цели. Совершенствование представлений о физико-химических свойствах стекла; воспитание экологической культуры учащихся; ориентирование учащихся в выборе профессии. Оформление кабинета. Схемы оптических приборов, коллекция стекла, набор цветных стеклянных ваз. Раздаточный материал. Детская игрушка – калейдоскоп, жидкое стекло (конторский клей), известняк, кисточка, предметное стекло, универсальная лакмусовая бумага, фенолфталеиновая бумага. ХОД УРОКА Учитель физики. Промышленная компания «Южная» школы № 28 г. Чебоксары в лице учителей химии и физики рада приветствовать вас на заседании городского совета г. Чебоксары. Здесь решается вопрос о строительстве завода по производству стекла в нашем городе. Перспективы создания новых рабочих мест вызывают одобрение у некоторых местных жителей, а возможность ухудшения условий жизни в городе – опасение у других. Сегодня всем нам предстоит решить вопрос: нужен ли городу стекольный завод? Что скажет химик? Учитель химии. Замечу, что задача химической отрасли промышленности состоит в том, чтобы изменять природные материалы, делая их полезными для человека. Большинство людей не видит химических превращений и даже не представляет себе, как они происходят. Это создает таинственность, непонимание того, как работают химические предприятия в целом. Но ведь промышленность – это наш социальный партнер, и ответственность за производство химических продуктов с минимальным риском и к общей выгоде лежит на всех.
Один из первых стекольных заводов в России был построен в 1736 г. вблизи г. Воскресенска под Москвой. Курировал его работу М.В.Ломоносов, который прекрасно сказал о стекле в своих стихах:
Обратимся к словарю С.И.Ожегова с вопросом: что же такое стекло? «Стекло – прозрачный твердый материал, полученный из кварцевого песка и оксидов ряда металлов». Химик добавит, что существуют разные типы стекла: жидкое или растворимое, типичное, кварцевое, органическое. Наш завод планирует выпуск силикатного стекла. Познакомимся со свойствами стекла. Жидкое стекло (концентрированные растворы силикатов натрия и калия) получают сплавлением оксида кремния(IV) – песка со щелочами или карбонатами. Ученик пишет на доске уравнение:
Учитель химии. Перед вами в кюветах находится жидкое стекло. Исследуйте реакцию среды жидкого стекла при помощи универсальной лакмусовой бумаги, фенолфталеиновой бумаги. Наблюдения показали резко щелочную среду жидкого стекла. На доске учитель химии пишет уравнение гидролиза:
Учитель химии. Пропитанные жидким стеклом изделия из дерева и тканей очень трудно загораются, поэтому им пропитывают материалы, идущие на изготовление театральных декораций.
Учитель химии. Для придания стеклу нерастворимости в воде в него вводят третий компонент – известняк (мел) СаСО3. Процесс получения типичного стекла выражается уравнением:
Согласно общероссийским санитарно-гигиеническим и санитарно-противоэпидемическим правилам и нормам сода и песок – умеренно опасные вещества, а мел – малоопасное вещество. Эти вещества действуют на организм человека фиброгенно (на легкие). Наибольшей фиброгенной активностью по сравнению с другими промышленными пылями обладает SiO2, вследствие чего все работники, изготавливающие стекло, снабжаются респираторами или ватно-марлевыми повязками. Типичные стекла подразделяются на: • оконное и бутылочное;
Вопрос: где используется оптическое стекло? 1-й ученик. Линзы и лупы. В оптических приборах – фотоаппаратах, фильмоскопах, микроскопах, очках – применяются стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями (либо одна из поверхностей может быть плоской). Одни линзы собирают проходящий свет – их называют собирающими, другие рассеивают – рассеивающие. С помощью линз, располагая предмет на различных расстояниях, можно получить отчетливое уменьшение или увеличение объекта.
При помощи других приборов нам удается наблюдать за удаленными от нас предметами с отчетливым рассмотрением деталей: подробные рельефы поверхности Луны, огромное число звезд и туманностей во Вселенной. Такие приборы (телескопы, бинокли) как бы приближают к нам рассматриваемые предметы.
2-й ученик. Микроскоп. Увеличение для лупы в 30–40 раз является практически предельным. Чтобы получить увеличение в 500–600 раз, пользуются более сложным оптическим прибором – микроскопом. Его оптическая система состоит из двух линз. Одна из них (с малым фокусным расстоянием) обращена к предмету наблюдения. Она играет роль лупы и называется окуляром. Объективы микроскопов неподвижны в трубе (тубусе), а окуляр можно передвигать и заменять другими. Перед вами микроскоп с максимальным увеличением в 100 раз. Он применяется для биологических исследований. Есть микроскопы для изучения металлов, минералов... Рассмотрим под микроскопом образец песка, который имеется в нашей республике. Видно, что содержание кварцита (бесцветных, сверкающих песчинок) мало. Поэтому песок для варки стекла следует обогащать.
3-й ученик. Фотохромные стекла. 1965 г. – дата рождения фотохромных стекол, у которых облучение ультрафиолетовым светом вызывает потемнение, сменяющееся просветлением после прекращения действия света. Это – силикатные, боратные, боросиликатные стекла с равномерным включением кристалликов галогенидов серебра. При ярком солнечном освещении такие стекла темнеют благодаря реакции разложения АgBr приводящей к освобождению чистого серебра, но в помещении или на улице в тени (или в сумерках) катионы серебра тут же соединяются с анионамигалогенами, образуя прозрачные соли серебра. Стекло опять пропускает свет. Помимо утилитарного применения (в солнцезащитных очках) такие стекла – отличный материал для запоминающих устройств компьютеров. Учитель физики. В 60-х гг. XX в. появилась новая отрасль техники – волоконная оптика, основанная на явлении полного отражения света внутри стеклянных волокон. Рассмотрим схему следующего опыта. Пусть луч света переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Мы наблюдаем падающий луч и преломленный. При увеличении угла падения яркость преломленного луча уменьшается, но зато появляется отраженный луч. Если же угол падения луча равен или превышает некоторый угол, названный предельным, свет не выходит за пределы первой среды: он либо распространяется вдоль поверхности раздела сред, либо целиком отражается от нее. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения света. Подобное отражение света происходит и в том случае, если на торец изогнутого стеклянного стержня направить луч света (опыт со световодом). Что же происходит? Сам стержень слабо освещен, зато торец светится ярким зеленым светом. Почему? Потому что стекло, из которого изготовлен стержень, содержит примеси железа, придающие ему зеленый цвет. А что происходит внутри стержня? Луч света, входящий в один конец стержня, уже в начале изгиба падает на его внутреннюю поверхность под углом, большим предельного, и происходит полное внутреннее отражение света. Очевидно, что чем тоньше стержень, тем свет претерпевает большее число отражений и тем меньше потери света внутри стержня. Установлено, что тонкая нить 0,005 см в диаметре, изготовленная из кварцевого стекла с добавками германия, бора и титана, является самой прозрачной. Оптическое волокно – это стеклянная нить, покрытая тонкой пленкой из материала с меньшим коэффициентом преломления, чем у стекла. Создание высокопрозрачных, гибких волокон стало технологическим венцом. Появилось средство для подсветки в труднодоступных местах, для эндоскопии… Многими преимуществами обладает волоконно-оптическая лазерная связь: 1) затухание сигнала в волокне ничтожно малое, во много раз меньшее, чем у проводных линий; 2) фантастическая пропускная способность: по такому каналу полный текст Большой энциклопедии «проскочит» меньше, чем за одну секунду; 3) волоконным линиям не нужна тяжелая и дорогая экранировка от электромагнитных воздействий. Учитель химии. Калейдоскоп – всем известная детская игрушка. Горсточка пестрых осколков стекла отражается в трех плоских зеркальцах, образуются удивительно красивые фигуры, разнообразно меняющиеся при повороте калейдоскопа. Долго калейдоскоп был лишь игрушкой, а теперь его узоры используют в качестве орнаментов на обоях, коврах, тканях… Поэт Михаил Щербаков так сказал о калейдоскопе:
В калейдоскопе используются стекла различного цвета. Как достигается цвет у стекла? Для этого искусственно вводят добавки. Рассмотрим таблицу.
Чтобы сделать оконное стекло матовым, нужно дважды нанести на него кистью смесь порошкообразного мела с жидким стеклом. Эта смесь служит основой огнеупорной замазки. Она склеивает стекла и фарфор. Примеси искусственно вводят для получения цветного стекла. В других случаях введением примесей добиваются изменений свойств стекла. Например, стекло с примесью CdO задерживает нейтроны, с PbO – рентгеновские лучи, с оксидами ванадия – ультрафиолет… Учитель физики. Ломоносов возродил в России древнее искусство мозаики из цветного стекла, в его мастерской было создано 40 мозаик, до наших дней сохранилось 24. Стекло – аморфное тело. В структуре натрий-силикатного стекла в решетке размещаются металлические ионы: они без какой-либо четкой последовательности располагаются в пустотах силикатной сетки. Поэтому стекло в противоположность кристаллу не обладает определенной температурой плавления, а в процессе нагревания размягчается постепенно. В целом нас окружает стеклянный мир: его много в любой квартире – и окна, и посуда, и зеркала, и люстры, и лампочки, и предметы искусства… Вспомним стеклянные линзы в телескопе, микроскопе, очках, объективах фотоаппаратов…
Учитель химии. Члены городского совета и представители средств массовой информации выслушали рассказ о стекле в связи с проектом строительства в нашем городе стекольного завода. Теперь стоит задуматься о том, как он повлияет на жизнь города. Выслушайте отрицательные и положительные факторы проекта. При голосовании учитывайте и те, и другие. Отрицательные факторы.
Положительные факторы.
Проводится голосование (ученики голосуют при помощи сигнальных карточек: красная – строить завод, зеленая – не строить). После подсчета голосов учащимся предлагается тест. ТЕСТ 1. Показатели преломления относительно воздуха для воды, стекла и алмаза соответственно равны: 1,33, 1,5, 2,42. В каком из этих веществ предельный угол полного отражения при выходе в воздух имеет минимальное значение? а) В воде; б) в стекле; в) в алмазе; г) во всех веществах одинаковое. (Ответ. в.) 2. В состав обычного стекла входят: а) Nа2О, SiO2; б) Na2O, СаО, SiO2; в) К2О; СаО, SiО2; г) Nа2O, СаО, SiO2, В2O3. (Ответ. б.) 3. С помощью собирающей линзы получили изображение светящейся точки. Чему равно увеличение линзы, если d = 0,5 м, а f = 1 м. а) 0,33; б) 0,5; в) 1,5; г) 2. (Ответ. г.) 4. На чем основана сущность взаимодействия карбонатов с песком в производстве стекла? а) На реакции обмена; б) на свойстве нелетучих кислотных оксидов (ангидридов кислот) вытеснять при сплавлении с карбонатами летучие оксиды; в) на свойстве образовывать силикаты; г) на свойстве кислотных и основных оксидов сплавляться с образованием солей. (Ответ. б.) ЛИТЕРАТУРАХимия и общество. Под ред. М.Г.Гольдфельда. М.:
Мир, 1995; М.В.НИКОЛАЕВА,
|
Аg+ +
Вr–,