Методическая разработка занятия "Цеолиты-кипящие камни"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»

г. Комсомольска-на-Амуре

Методическая разработка учебного занятия

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Введение в материаловедение и нанотехнологии»

1 год обучения (16-18 лет)

К кейсу №3:«Процессы, явления, наноматериалы»

Тема 3.8: «Цеолиты-кипящие камни»

Автор-составитель:

Кошелева Арина Александровна

педагог дополнительного образования

МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре,

2023

Конспект занятия

по программе «Введение в материаловедение и нанотехнологии»

К кейсу №3:«Процессы, явления, наноматериалы»

Тема 3.8: «Цеолиты-кипящие камни»

Цель:сформировать представление у учащихся об уникальном строении, физических и химических свойствах, области применения минералов цеолитов, встречающихся в повседневной жизни.

Задачи:

1) предметные:

• сформировать знания о строении, физических и химических свойствах природных и синтетических видов цеолитов;

• показать отличительные особенности природных и синтетических цеолитов;

• продемонстрировать способы применения цеолитов повседневной жизни;

• обучить проведению химического эксперимента над исследуемым объектом на примере цеолитов;

2) метапредметные:

• способствовать развитию коммуникативных навыков, умению правильно анализировать, сопоставлять, сравнивать, обобщать познавательные объекты, делать выводы;

• способствовать командообразованию (развитие культуры взаимоотношений при совместной работе в проектных группах/командах);

3) личностные:

• воспитывать познавательный интерес учащихся к дальнейшему изучение физических и химических наук.

• воспитывать ответственность за результаты учебного труда, понимание его значимости, соблюдение техники безопасности пр работе в химической лаборатории.

• воспитывать патриотические чувства и гражданскую гордость за своих соотечественников-химиков, самостоятельность, трудолюбие

Тип занятия: комбинированное.

Основные понятия: минерал, адсорбция, сорбант, сорбент молекулярное сито, природный и синтетический цеолит.

Оборудование и материалы: мультимедийное оборудование; презентация к занятию «Цеолиты-кипящие камни» (Приложение 1), 2 ноутбука (доступ в сеть Интернет), 2 планшета или смартфона (доступ в сеть интернет), приложение для считыванияQR-кодов, образцы природных и синтетических цеолитов, дистиллированная вода(или кипяченая), чашки Петри, химические пробирки на 10 мл, химические плоскодонные колбы на 250 мл, химические воронки, нагревательные плиты, электронные термометры, лупы, линейки, аналитические весы, шкалы Мосса, магнитные мешалки, ложки-шпатель, стеклянные палочки, фильтровальная бумага, химические штативы, растворы HCl (10 мл), NaOH (10 мл), сульфата железа (III), гексацианоферрат(III) калия, магнитная мешалка.

План занятия:

1. Организационный момент (3-5 мин.).

2. Актуализация знаний (7-10 мин.).

3. Объяснение нового материала (25-30 мин.).

4. Динамические паузы (2-3 мин.)

5. Закрепление материала (15-20 мин.)

6. Рефлексия. Подведение итогов (5 мин.)

Ход занятия

Приветствие обучающихся (проведение эмоциональной рефлексии)

Педагог:Здравствуйте, ребята! Очень приятно видеть вас всех на нашем занятии в наноквантуме. Хотелось бы узнать, как ваше настроение и самочувствие сегодня. Все ли готовы к работе на нашем занятии, которое будет очень увлекательным и интересным. Перед вами лежат атомы химических элементов разного цвета, а на флипчате нарисованы три пробирки, которые пронумерованы «1», «2», «3».

Если у вас прекрасное настроение и готовы сегодня узнать много новой научной информации, то заполняем пробирку под номером «1» зелеными атомами.

Если у вас прекрасное настроение и готовы к практической деятельности на занятиях, то заполняем пробирку под номером «2» желтыми атомами.

Если у вас прекрасное настроение и готовы к продуктивной деятельности в командной работе, то заполняем пробирку под номером «3» синими атомами.

Учащиеся:Приветствуют педагога, заполняют пробирки атомами, характеризующими настроение.

Актуализация знаний

Педагог:Произвела эмоциональную рефлексию. По вашим карточкам, я вижу, что у всех замечательное настроение и все готовы к различным видам работы, это меня очень радует. Думаю, что сегодня мы проведём занятие максимально интересно и у многих из вас по его окончанию будет новый прилив сил, воодушевление и усилится желание изучать физические и химические науки. А перед тем как мы начнем занятие, хотела вас сегодня познакомить с одной очень полезной игрой, с помощью, которой можно намного быстрее выучить химические элементы, она называется «Химические реки». Согласны поиграть?

Учащиеся:Да!

Педагог:Отлично, для этого я предлагаю сейчас разделиться на две команды, сегодня в них мы будем работать на протяжении всего занятия.

Учащиеся:Делятся на две команды.

Педагог:На доске, флипчарте или слайде презентации написала следующие названия рек: Урал, Волга, Нева, Днепр, Лена, Дон, Шилка, Истра, Двина, Витим.

Перед вами реки России, ваша задача, работая в команде, в течении двух минут, превратить названия этих рек в химические элементы. Для этого можно переставить в каждом из них буквы в любом порядке и заменить одну-две буквы так, чтобы в итоге получились названия химических элементов. Рядом напишите их символы и найдите их в таблице Менделеева. По окончанию времени, каждая из команд представить полученный результат. Приступаем. (Слайд 1)Предположительный ответ: Уран (U), Олово(Sn), Неон(Ne), Радон (Rn), Сера (S), Бор (B), Калий (K), Радий (Ra), Индий (In), Магний (Mg)

Учащиеся:Решают задания, представляют свои решения по окончанию времени.

Педагог: Молодцы, каждая команда справилась с заданием. Приступаем к нашему занятию. Перед вами, на слайде представлен QR-код. Ваша задача, участники команд, взять на ваших столах планшеты с специальной программой для считывания этого кода и предположить, что же мы сегодня будет изучать на занятии, прочитав зашифрованную информацию (Слайд 2)

Другой вариант: выдать карточки командам с информацией о теме занятия (Приложение 2).

Учащиеся:Участники команд считывают информацию, проходят по предложенной ссылке в документ, изучают информацию по теме занятия

Предположительные ответы:

А) Мы будем изучать минерал, который может кипеть в определённых условиях, из-за этого свойства люди его добывают для своих различных нужд.

Б) Это минерал, предположительно по латинскому названию «цеолит», в состав которого входят алюмосиликаты, которые предают ему свойства «кипения», поэтому ему нашли применение в хозяйстве и нанотехнологиях.

Педагог:Слушаю, корректирую ответы учащихся. Да ребят, все вы близки к правильному ответу, наше занятие сегодня будет посвящено изучению минералов –цеолитов(Слайд 3). Исходя и темы нашего занятия давайте поставим цель и сформируем задачи для её достижения.

Учащиеся:

Предположительный ответ:

Цель: изучить строение, физические и химические свойства цеолитов и способы их применения в сфере нанотехнологий и жизни человека.

Задачи:1) Теоретически познакомиться со сведениями о цеолитах, 2) провести необходимое химическое исследование образцов; 3) предположить сферы применения в жизни человека.

Педагог:Зафиксирую эту цель и задачи на флипчарте, чтобы периодические к ним возвращаться.

Объяснение нового материала

Итак, давайте же более подробно познакомимся с этими минералами.

Цеолитами называются природные минералы, которые представляют из себя водные алюмосиликаты кальция, натрия, калия, бария и некоторых других химических элементов.

Ребят, к алюмосиликатам относятся комплексные химические соединения, которые содержат кремний и алюминий. Давайте запишу вам для наглядности, некоторые примеры комплексных соединений: [AlSiO₄]⁻, [AlSi₄O¹⁰]⁻.

В качестве катионов в этих соединениях выступают Na⁺, K⁺, Mg²⁺ , Ca^2+.

В группу цеолитов входит более 40 минералов. Каждый вид различается по составу, физическим и химическим свойствам(Слайд 4).

Педагог:Ребят, у цеолитов очень интересная, уникальное строение, которое вместе с составом определяет их некоторые интересные свойства.

Их атомы расположены в виде тэтраэдера, которые связаны между собой при помощи ионов кислорода. Ученые, в области минералогии досконально изучили структуры некоторых видов цеолитов вы выяснили, что любой количество атомов внутри этого минерала можно описать за счёт специальной формулы.

Me_x/n[Al_xSi_yO₂(x+y)]×zH₂O, где Me — металл, n — его степень окисления, х — число атомов алюминия, у — число атомов кремния, z — число молекул воды.(Слайд 5).

Более того, в природных цеолитах за счёт такого расположения атомов, наблюдается пористая структура, образованная пустотами и каналами. Из-за такой структуры цеолиты носят названия «молекулярные сита». Такое название дано им не спроста. Именно такая структура позволяет всем природным цеолитом проявлять адсорбирующие свойства. Поэтому все природные цеолиты выступают в роли сорбентов. (Слайд 6)

Педагог: Цеолитов очень много, и сразу возникает вопрос, как же и различают в современном мире? Существует ребят общепринятая классификация, все цеолиты делятся по происхождению: на природные и синтетические. Предположите, по какому признаку в данной категории их отличают?

Учащиеся: Природные цеолиты скорее всего созданы в природной среде с помощью вулканических воздействий. Синтетические цеолиты созданы руками человека.

Педагог: И вы абсолютно правы, на слайде представлены некоторые примеры природных и синтетических цеолитов. (Слайд 16)

Второй критерий, по которому отличают цеолиты-это структура.

Чаще всего в природных цеолитах встречается 3 структуры: трёхмерная, волокнистая, пластиковая. (Слайд 17)

Ребят, визуально вы уже можете отличить все эти три структуры. Сейчас мы с вами представим, что мы с вам ученые минерологи. Нам пришли три образца природных цеолитов, которые следует определить, определять мы их будем по структуре, давайте мы посмотрим на изображения и предположим какие у нашей образцова структуры. (Слайд 8)

Учащиеся: трехмерная-филлипсит, волокнистая-скопепцит,пластинчатая-клиноптиолит.

Педагог:Замечательно, команды минерологов.

За счёт своего строения, природные цеолиты проявляют интересные свойства:

1) Адсорбционные — это способность поглощать и отдавать различные вещества. Именно за счёт этого свойства ребят, цеолиты прозвали «кипящими камнями».

Ионообменные — способность обменивать катионы.

Каталитические — способность ускорять химические реакции.

Не так давно учёные в сфере нанотехнологий обнаружили в цеолитах интересную способность, оказывается в этих минералах возможно внутри их пор варьировать химический состав и геометрические параметры.

Это открытие быстро превратилось в идею, которое стал новым продуктом-синтетическим цеолитом. (Слайд 10)

Синтетические цеолиты - новый класс неорганических пористых кристаллов. Сегодня существует два вида синтетических цеолитов: цеолиты группы А и Цеолит X(Y). (Слайд 11.12)

Динамическая пауза

Выполнение танцевального задания с помощью игры «Джанс Дэнс» (13 слайд, 14 слайд).

Закрепление изученного материала

Педагог:Сейчас ребят мы с вами представим, что мы с вами нанотехнологи, перед нами на площадках находится всё необходимое оборудование для предстоящего выполнения задания. Каждой команде выдаются технологические карты с заданиями, которые надо выполнить(Приложение 3). Ваши ответы помогут решить нам следующую проблемную ситуацию:

Недавно компании «Цеолит Z» поступил заказ на природные и синтетические образцы цеолитов, которые бы лучше всего можно было использовать при очистки сточных вод от примесей различных наночастиц тяжёлых металлов. Работники компании попросили провести вас физико-химический анализ некоторых образцов цеолитов и предложить им образцы, которые больше всего подходят для решения задачи данного заказа. Приступаем. Не забываем о правилах техники безопасности при проведении опытов.

Учащиеся:решают проблемную ситуацию в команде, представляют ответы.

Педагог:Интересные ответы, могу сказать, что обе команды справились с ситуацией и могли компании в выборе нужных образцов. А как вы, считаете, где бы мы могли применить образцы, которые не подошли для очистки сточных вод?

Учащиеся:

А) Животноводство, строительство, земледелие, водоочистка.

Б) Затрудняются с ответом, просматривают предложенный видеоролик о цеолитах(https://www.youtube.com/watch?v=W0ozBdAkJ4A), отвечают на вопрос.

Педагог: Абсолютно правильно.

Рефлексия

Педагог:Итак, ребят! Давай снова с вами посмотрим на цель и задачи нашего занятия. Если вы считаете, что мы выполнили абсолютно все задачи, достигли цели и у вас настроение всё такое же превосходное, какое было в начале занятия, показываем руку как на слайде с надписью: «Лайк», если наоборот, то показываем руку как под надписью: «Дизлайк».

Учащиеся:Показывают выбранную руку с надписью: «Лайк» или «Дизлайк»

Подведение итогов занятия

Педагог:На этой позитивной ноте мы завершаем наше занятие по теме «Цеолиты-кипящие камни». Спасибо вам большое за участие, до встречи.

Список используемой литературы:

1. Деффейс К. Удивительные наноструктуры / Деффейс К., Деффейс С., ред. Патрикеева Л.Н. — Москва: Лаборатория знаний, 2020. — 207 c. — ISBN 978-5-9963-2501-6

2. Евдокимов, А. А. Получение и исследование наноструктур. Лабораторный практикум по нанотехнологиям/ А. А. Евдокимов и др.; под ред. А. С. Сигова. - 2-е изд. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 146 с.: ил. - (Нанотехнологии). - ISBN 978-5-9963-2198-8.

3. Сайт «СТЕМФОРД» - режим доступа: https://stemford.org/ ( дата обращения 14.05.2022)

Приложение 1

Презентация к учебному занятию на тему «Цеолиты-кипящие камни»

Слайд 1. Тема учебного занятия «Цеолиты-кипящие камни».

Слайд 2. Задание с QR- кодом.

Слайд 14. Музыкальное задание «Джанс Дэнс»

Приложение 2

Загадочные миниралы

Название этого минерала происходит от двух греческих слов: zeo - кипеть и lithos — камень. Объясняется оно тем, что при быстром и сильном нагреве минерал вспучивается с образованием пузырчатого стекла, как бы вскипает. Впервые этот минерал описаны в XVIII веке.

В пределах СНГ разведано 10 месторождений этих загадочных минералов из 6 - в Российской федерации: на Сахалине (Лютогское), на Дальнем Востоке (Чугуевское), в Якутии (Хонгуруу), в Кзбассе (Пегасское) и в Забайкалье (Шивертуйское и Холинское).

За счёт своего уникального химического состава, который в основном из алюмосиликатов, эти минералы признаны не токсичными, не обнаружено в них мутагенных действий, могут применяться без ограничений во всех областях народного хозяйства.

Предположите, что же это за загадочный минерал?

Приложение 3

Лабораторная работа: Физические и химические свойства цеолитов

Цель:Изучение физических и химических свойств природных и синтетических цеолитов.

Оборудование и реактивы: образец цеолитов, дистиллированная вода, чашки Петри, химические пробирки на 10 мл, химические плоскодонные колбы на 250 мл, химические воронки, нагревательные плиты, электронные термометры, лупы, линейки, аналитические весы, шкалы Мосса, магнитные мешалки, ложки-шпатель, стеклянные палочки, фильтровальная бумага, штативы, растворы HCl (10 мл), NaOH (10 мл), сульфата железа (III), гексацианоферрат(III) калия, магнитная мешалка.

Передами образец цеолита определите его происхождение, подчеркните правильный ответ.

А) 1 образец-природный цеолит

Б) 2 образец- синтетический цеолит

Проведите с вашим образцом предложенные опыты.

Опыт 1. Изучение физические характеристики цеолитов.

Изучите органолептическим методом образцы 1 и 2: внешний вид: форму, размер, вес, запах, твёрдость. Заполнить таблицу.

2. Изучение химических свойств цеолитов

А) Возьмите несколько штук цеолитов 1, 2 образца и нагрейте в чашке Петри при температуре 100°C. Что наблюдаете, как вы думаете, почему цеолиты называют «кипящие камни»?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Б) Возьмите несколько штук цеолитов 1, 2 образца и опустите их в пробирку с водой,HCl и NaOH. Что вы наблюдаете? Ответы занесите в таблицу.

В) Сорбционные свойства цеолитов.

Придумайте и соберите «очистковую» систему с цеолитами из следующего оборудования: штатив, фильтровальная бумага, воронки на 50 мл, плоскодонная колба.

Смешайте в воде из-под крана на магнитной мешалке растворы сульфата железа (III) и гексацианоферрат(III) калия. Пропустите через очистковую систему цеолитов 1 и 2 образца, полученный раствор. Что наблюдаете?

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________