Сера

9 класс

Жить – значит узнавать.
Д.И.Менделеев

Цели. На основе интеграции исторических, биологических и химических знаний изучить нахождение серы в природе и ее свойства, вскрыть причинно-следственные связи “строение–свойства” и “свойства–применение”, установить связь науки с практикой – изучить влияние серы и некоторых ее соединений на окружающую среду и организм человека.

Задачи. Образовательные: охарактеризовать серу в свете представлений о трех формах существования химического элемента: атомы серы, простое вещество (следовательно, обратить внимание на ее аллотропию), а также сера в составе некоторых соединений; при изучении химических свойств обратить внимание на окислительно-восстановительные реакции.

Развивающие: развивать логическое мышление учащихся, умение проводить исследование, расширять их кругозор.

Воспитательные: воспитывать чувства сотрудничества, сотворчества, сопереживания.

Методы обучения. Частично-поисковый, проблемно-дискуссионный, использование информационно-коммуникационных технологий.

Оборудование и реактивы. Набор минералов, видеофрагменты из фильма “Сера”, видеоопыты, инструктивные карты и информационный материал, компьютер, экран, проектор; химические стаканчики на 100 мл с водой, ступка с пестиком, шпатель, лабораторный штатив с кольцом, асбестовая сетка, спиртовка, спички, лучинка; сера, уголь, KNO₃.

На доске написаны опорные слова: “аллотропия”, “флотация”, “демеркуризация”.

ХОД УРОКА

I. Мотивационно-ориентировочный этап

Учитель. Мы продолжаем изучение отдельных элементов периодической системы Д.И.Менделеева, и я не сомневаюсь в том, что вас ждут сегодня открытия, потому что, по словам Ж.Пиаже, “понять что-либо значит открыть вновь”. Урок посвящен одному из самых интересных элементов. Этот элемент и его соединения известны с глубокой древности. В средние века он считался обязательной составной частью всех веществ.

Что же это за элемент, вы ответите мне через несколько минут, когда прочтете текст.

Информационный материал

В а р и а н т  1

Около 680 г. н.э. в морском бою против арабов византийцы впервые применили новое ужасное оружие – “греческий огонь”. Галеры византийцев выбрасывали на неприятельские суда заранее подожженную смесь из “пифонов” – установок, подобных огнеметам. Суда пылали как факелы, а огонь нельзя было потушить водой. Смесь горела на морских волнах, прилипала к корпусам судов и одежде людей. В 941 г. под стенами Царьграда “греческим огнем” был уничтожен флот киевского князя Игоря. Строки летописи в переводе на современный язык звучат так: “Словно молнию, которая в небе, греки имеют у себя и пускают ее, сжигая нас, поэтому мы не одолели их”. В состав “греческого огня” входили битум или нефть, а также неметалл Э. Этот неметалл на воздухе горит красивым сине-голубым пламенем, выделяя удушливый и едкий газ. При обработке концентрированной азотной кислотой неметалл Э превращается в сильную кислоту Н₂ЭО₄. При кипячении неметалла с солью состава Na₂ЭО₃ в растворе появляется другая соль, состава Na₂ЭО₃Э. Назовите неметалл Э.

О т в е т. Э – сера.

Уравнения упоминаемых в тексте реакций:

S + 6HNO₃ = Н₂SО₄ + 6NO₂ + 2H₂O,

В а р и а н т  2

Химик синтезировал оранжево-желтые кристаллы нитрида неметалла состава Э₄N₄ и решил изучить его свойства. Поручив лаборанту растереть кристаллы в порошок, он ушел по делам. А лаборант решил, что лучше всего растирать вещество ударами пестика. Недолго думая, он так и сделал. Раздался взрыв, а самого “умельца” обсыпало с ног до головы желтым порошком. Собрав этот порошок, лаборант скрыл от химика случай со взрывом. Удивленный химик обнаружил, что свойства нитрида ничем не отличаются от свойств исходного Э. Какое вещество в данном случае скрывается за символом Э?

О т в е т. Э – сера. При ударе нитрид серы S₄N₄ распадается на серу и азот.

Демонстрация видеофрагмента.

Учитель. Сера – “начало начал” древнейших философов, алхимиков, элемент, окруженный мистикой и тайнами.

Переходим к изучению новой темы. На доске записываем тему урока.

II. Актуализация знаний учащихся.
Строение и свойства серы на основании положения в периодической системе Д.И.Менделеева

Учитель. Периодическая система химических элементов – это графическое отображение периодического закона, и каждое принятое в таблице обозначение отражает какую-либо особенность в строении атома.

Беседа с учащимися.

Учитель. Какое положение занимает сера в периодической системе Д.И.Менделеева? Каков физический смысл данных показателей серы?

Ученик. 3-й период, VI группа, главная подгруппа, порядковый номер 16. Заряд ядра +16, 16 электронов вращаются на 3-х электронных уровнях, на внешнем уровне 6 электронов, как и у атома кислорода, до завершения недостает 2-х электронов. Сера может принять два электрона, проявляя степень окисления –2 ().

Учитель. Давайте вспомним известные вам основные закономерности изменения свойств атомов и простых веществ, образованных химическими элементами главных подгрупп периодической системы.

Итак, в главных подгруппах сверху вниз:

• радиус атома возрастает;

• восстановительные свойства возрастают;

• окислительные свойства убывают;

• неметаллические свойства ослабевают.

Ученик. У атома кислорода два энергетических уровня, а у атома серы три. Радиус атома серы больше радиуса атома кислорода, восстановительные свойства серы больше, а окислительные – меньше, чем у кислорода.

Учитель (проблемный вопрос). Может ли атом серы проявлять другие степени окисления?

Для ответа на этот вопрос распределим электроны по уровням, подуровням, по орбиталям (рис. 1).

Это задание выполняет один из учащихся на магнитной доске и объясняет распределение электронов, а остальные ученики выполняют задание в тетрадях.

Ученик. На первом уровне один подуровень и одна орбиталь, заполненная полностью. На втором уровне два подуровня и четыре орбитали, заполненные полностью. На третьем уровне три подуровня и девять орбиталей. Появляется d-подуровень, в спокойном состоянии атома серы он не заполнен: внешний электронный слой такой же, как и у кислорода. Есть две орбитали, имеющие пары электронов, и две орбитали, имеющие по одному электрону. В возбужденном состоянии атома может происходить разъединение пар электронов. При разъединении одной пары один электрон перескакивает на d-подуровень, образуется четыре неспаренных электрона, которые сера может предоставлять более электроотрицательным атомам, проявляя при этом степень окисления +4 (). При разъединении еще одной пары электронов образуется 6 неспаренных электронов, которые сера также может предоставлять более электроотрицательным атомам, проявляя при этом степень окисления +6 ().

Учитель. Сделаем вывод. Сера может быть и окислителем, и восстановителем и иметь степени окисления –2, 0, +4, +6. Приведем примеры (рис. 2).

По отношению к кислороду сера проявляет восстановительные свойства. По отношению к водороду, металлам и менее электроотрицательным неметаллам сера проявляет окислительные свойства.

Дальше рассмотрим серу как простое вещество.

III. Операционно-исполнительский этап

Учитель. В нашей творческой мастерской сегодня работают три лаборатории.

Учащиеся работают по инструктивным картам и информационному материалу. Затем докладывают всему классу отчеты лабораторий по результатам исследования.

Учитель. Более подробно мы будем изучать свойства кристаллической серы.

В качестве закрепления посмотрим видеофрагмент.

Ответ обучающихся на вопрос “Природные соединения серы” сопровождается видеофрагментом.

Учитель (подводит итог обсуждения серы как элемента и как простого вещества). Вывод: сера имеет три энергетических уровня. Радиус атома серы больше радиуса атома кислорода. Сера может быть окислителем и восстановителем. Молекулы серы имеют четное число атомов: S₂, S₄, S₆, S₈.

(Демонстрация видеофрагмента.)

Для серы как химического элемента характерна аллотропия. Наиболее устойчива модификация, известная под названием ромбической серы. В природе сера встречается в трех формах – самородная, сульфидная, сульфатная.

Переходим к изучению следующего раздела.

Ученик. В стихотворении упоминаются H₂S и SO₂, последний с глубокой древности использовался для дезинфекции (окуривание горящей серой).

Если ученики затрудняются с ответом, то его дает учитель.

Ученик. При обычных условиях сера вступает в реакцию со щелочными и щелочно-земельными металлами, медью, ртутью, серебром. Реакция серы с ртутью используется для сбора пролитой ртути. Такой процесс называют демеркуризацией. При нагревании сера реагирует и с другими металлами (Zn, Al, Fe), и только золото не взаимодействует с ней ни при каких условиях.

Учитель с учениками рассматривают на доске несколько реакций взаимодействия серы с различными веществами с использованием метода электронного баланса.

1) В з а и м о д е й с т в и е  с  м е т а л л а м и.

а) Взаимодействие со ртутью:

б) Взаимодействие с натрием:

в) Взаимодействие с медью:

2Cu + S = Cu₂S.

Учитель. Эти реакции мы рассмотрели теоретически, а сейчас увидим их на практике. Внимание на экран.

Демонстрация видеофрагмента “Взаимодействие серы с металлами – Fe, Cu, Hg” и видеоопыта “Взаимодействие серы с Na”.

Учитель обращает внимание на горение пучка тоненьких медных проволочек в парах серы – при этом образуется черный сульфид меди(I).

2) В з а и м о д е й с т в и е  с  в о д о р о д о м.

Учитель. Вывод: с металлами, с водородом сера проявляет окислительные свойства и образует соединения со степенью окисления –2.

3) В з а и м о д е й с т в и е  с  к и с л о р о д о м.

Демонстрация видеоопыта “Горение серы”.

Учитель. Обратите внимание на цвет пламени. Запишите уравнение реакции, поясняющее восстановительные свойства серы.

Учитель. При окислении SO₂ образуется SO₃, обратите внимание на степени окисления серы:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃.

Эту реакцию мы рассмотрим подробно на следующем уроке, когда будем говорить о производстве серной кислоты.

Вывод: по отношению к сильным окислителям сера проявляет восстановительные свойства и степень окисления +4.

Общий вывод: сера вступает в реакции и с металлами, и с неметаллами. По отношению к металлам и водороду сера является окислителем (степень окисления серы в этих соединениях –2). По отношению к фтору и кислороду – более электроотрицательным элементам – сера является восстановителем (степени окисления серы в соединениях +4,+6).

Девиз нашего урока – высказывание Д.И.Менделеева: “Жить – значит узнавать” – можно продолжить словами академика А.Н.Несмеянова: “Знать – значит победить!” и И.В.Гете: “Просто знать – еще не все, знания нужно уметь использовать”. Послушаем обучающихся из 3-й лаборатории, которые изучали биологическую роль серы в организме и рассматривали диоксид серы (сернистый газ) как загрязнитель атмосферы, а также способы его улавливания.

Информационный материал

Диоксид серы — загрязнитель атмосферы

В настоящее время хозяйственная деятельность человека вносит существенные изменения в естественный круговорот серы в природе.

Атмосферные потоки переносят газообразные соединения серы на большие расстояния, поэтому значительный вклад в их содержание в воздухе в европейских странах вносят не только “собственные источники” каждой страны, но и трансграничный перенос.

Большую экологическую опасность (с учетом масштабности действия) представляет диоксид серы – SO₂. Наибольшее количество – до 70 % – выбрасывают с дымовыми газами топливно-энергетические установки, перерабатывающие угли и мазуты с большим содержанием серы, а также предприятия цветной и черной металлургии (15 %) при переработке сульфидных руд, например:

Cu₂S + 2О₂ = 2CuO + SO₂,

4FeS₂ + 11О₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂.

Наряду с массовыми загрязняющими выбросами медеплавильных заводов, а также при производстве серной кислоты, при травлении металлов, на литейных производствах, SO₂ образуется и выделяется в атмосферу на нефтеперегонных, кожевенных, суперфосфатных и других заводах, в кузницах и котельных.

Воздействие диоксида серы на окружающую среду проявляется в увеличении заболеваемости людей, снижении продуктивности сельскохозяйственных угодий, ускорении коррозии металлоконструкций, разрушении архитектурных сооружений и памятников культуры.

Причиной возникновения кислотных дождей явились массовые промышленные выбросы SO₂ и оксидов азота в атмосферу. Взаимодействуя с атмосферной влагой, диоксид серы создает кислую среду. Растворимость SO₂ в воде достаточно велика и составляет 40 объемов на один объем воды. Лишь небольшая часть растворенных молекул обратимо взаимодействует с водой, однако при дальнейшем окислении образуется серная кислота, которая, являясь сильным электролитом, в разбавленном водном растворе диссоциирует практически полностью. Это приводит к повышению кислотности атмосферной воды.

В районах сосредоточения промышленных производств 60 % кислотности дождевой воды дает серная кислота, 30 % – азотная, 5 % – соляная и только 2 % – углекислый газ (остальные 3 % связаны с другими примесями).

По результатам многолетних наблюдений на станциях контроля кислотности осадков на территории бывшего СССР отмечается возрастание их рН в направлении с запада на восток, которое искажается лишь влиянием промышленных центров и рельефа. Как в северном, так и в южном направлениях, кислотность осадков в целом уменьшается. Как правило, более кислые осадки выпадают в холодный период с экстремальными значениями в феврале-марте.

Экологические последствия закисления природной среды сейчас достаточно хорошо изучены. Увеличение концентрации ионов водорода приводит к массовой гибели обитателей рек и озер. При подкислении почвы происходит растворение многих труднорастворимых в естественных условиях соединений алюминия, цинка, марганца и других элементов. В результате этого гибнут леса.

Значительные выбросы в атмосферу приводят в конечном итоге не только к образованию в ней серной кислоты, но и сульфатов. Частицы сульфатов переносятся на большие расстояния и служат ядрами конденсации при образовании водяных капель. При этом плотность и яркость облаков могут возрастать. Облака отражают солнечный свет назад в космическое пространство, что приводит к охлаждению планеты, т.е. глобальному изменению климата.

В настоящее время разработано довольно большое количество способов очистки промышленных газовых выбросов от диоксида серы.

Наибольшее распространение в промышленности получили методы, основанные на абсорбации SO₂ водными растворами, содержащими вещества основного характера, такие, как известь (Са(ОН)₂ и СаО), аммиак (NH₃), известняк (СаСO₃), соду (Na₂CO₃•10H₂O), доломит (СаСО₃•MgCO₃).

Образующиеся сульфаты находят применение как в строительной промышленности (CaSO₄•MgSO₄), так и в виде удобрений ((NH₄)₂SO₄).

Однако, учитывая истощение природных месторождений серы, такие газы могут рассматриваться и как резерв производства серы. Наблюдаемая тенденция к поиску регенеративных технологий проявляется в повышенном интересе исследователей к реакции взаимодействия диоксида серы и сероводорода:

SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O,

которая приводит к получению товарной серы.

IV. Оценочно-рефлексивный этап

Учитель. В завершение поделитесь своими впечатлениями об уроке. Для этого допишите предложения, посвященные сегодняшнему дню.

Сегодня я узнал ………………………………. .

Я удивился ……………………………………. .

Я хотел бы …………………………………… .

V. Итоги урока

Учитель. Заканчиваем урок общими выводами.

• Для серы, как и для кислорода, характерна аллотропия. Наиболее известны три аллотропных видоизменения серы: сера ромбическая, моноклинная, пластическая.

• Сера может быть и окислителем, и восстановителем, она имеет в соединениях степени окисления: –2, 0, +4, +6.

• Сера – один из “исторических” неметаллов. Она известна человеку с древнейших времен.

(Демонстрация видеофрагмента.)

И в наши дни сера не теряет, а все более увеличивает свое значение в жизни человека. Бумага и резина, эбонит и спички, ткани и лекарства, косметика и пластмассы, краски, удобрения – это все только небольшой перечень того, что нуждается в сере для своего изготовления.

Д.Хевеши говорил: “Мыслящий ум не чувствует себя счастливым, пока ему не удается связать воедино разрозненные факты, им наблюдаемые”. сегодня мы попытались создать “портрет серы” из тех фактов, которые были известны, и из новых сведений об этом химическом элементе и простом веществе.

VI. Домашнее задание

Учитель. Прочитайте в учебнике § 21, выполните задания 1, 3 на с. 99 (О.С.Габриелян. Химия. 9 класс. М.: Дрофа, 2005).

Решите проблемную ситуацию (рис. 3).

1. Внесите в рисунок недостающие элементы. Анализируя рисунок, ответьте на следующие вопросы.

а) Как отразится на биоценозе водоема воздействие кислотных дождей (образовавшихся с участием SO₂), выпавших на почву?

б) Каким образом могут быть устранены изменения, происшедшие в водоеме под действием попавшего туда SO₂?

2. Вы – директор предприятия, изображенного на рисунке. Экспертами-экологами обнаружены отклонения от нормы состава воды из близлежащего озера и установлена причина: большие выбросы SO₂ вашим предприятием.

Что вы предпримете?

– Закроете предприятие;

– усовершенствуете очистные сооружения;

– займетесь очисткой воды в озере.

Обоснуйте выбранный вами вариант.

Наш урок мы закончим занимательным опытом “Горение черного пороха”, в состав которого входят три вещества: сера, уголь и калийная селитра. Эта смесь поджигается длинной горящей лучинкой. Происходит яркая вспышка – взрыв.

Желающие к следующему уроку могут подготовить сообщение по теме “Состав пороха”.

Сейчас прозвенит долгожданный звонок,
Увы, но к концу подошел наш урок.
А я благодарность вам всем объявляю,
Отметки все ваши в журнал выставляю.
Надеюсь привычно,
Что будут они “хорошо” и “отлично”.
Большое спасибо я вам говорю.
Мы цели достигли. Благодарю!

Л и т е р а т у р а

Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М.: АСТ-ПРЕСС, 2002; Габриелян О.С. Настольная книга учителя химии. 9 класс. М.: Блик и Ко, 2001; Егоров А.С., Шацкая К.П., Иванченко Н.М. и др. Репетитор по химии. Ростов-на-Дону: Феникс, 2008; Егоров А.С., Шацкая К.П., Иванченко Н.М. Химия внутри нас: Введение в бионеорганическую и биоорганическую химию. Ростов-на-Дону: Феникс, 2004; Кузьменок Н.М., Стрельцов Е.А., Кумачев А.И. Экология на уроках химии. Минск: Красико-принт, 1996; Иллюстрированный словарь: Химия. М.: АСТ-Астрель, 2005; Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Занимательные задания и эффектные опыты по химии. М.: Дрофа, 2002; Павлищева А.Ю. Соединения серы и их значение // DVD: Фестиваль педагогических идей “Открытый урок”. Материалы участников. 2007/2008. Диск 2. ИД “Первое сентября”; Руина Л.А. Разработка урока “Сера: нахождение в природе, свойства, применение, влияние на окружающую среду”. Там же; Сергеева В.А. Урок химии в 9 классе по теме “Сера”. Там же.

Н.В.МАЛЬКОВА,
учитель химии
средней школы № 15
(г. Йошкар-Ола)