Nazwa szkoły: Publiczne Gimnazjum nr 1 im. PCK w Grajewie ID grupy: 96/26_MP_G1 Opiekun: Mariola Pijanowska Kompetencja: matematyczno - przyrodnicza Temat projektowy: Epoka żelaza trwa Semestr/rok szkolny: V/2011/2012

Cele projektu Pogłębienie wiadomości dotyczących: - budowy materii, - sposobu obliczania gęstości substancji, - właściwości fizycznych i chemicznych metali, - zjawiska rdzewienia żelaza i metod zapobiegania temu procesowi.

Plan prezentacji Budowa kuli ziemskiej. Pierwiastki występowanie w skorupie ziemskiej. Informacje o wybranych metalach. Występowanie metali w Polsce. Otrzymywanie żelaza z rud. Właściwości fizyczne i zastosowanie metali. Właściwości chemiczne metali. Gęstość metali. Korozja metali. Stopy metali. Zastosowanie metali i stopów w życiu codziennym. Zagadki o metalach.

budowa wnętrza ziemi Wyróżniamy 3 podstawowe strefy: - skorupę ziemską, - płaszcz (górny i dolny), - jądro (zewnętrzne i wewnętrzne).

Skorupa ziemska zbudowana jest ze sztywnych skał magmowych, osadowych i przeobrażonych. Jej grubość sięga od około 5 km pod oceanami do ponad 70 km pod kontynentami, tworzą ją głównie skały zawierające dużo związków krzemu (Si) oraz glinu (Al). Wraz ze wzrostem głębokości, w skorupie ziemskiej rośnie ciśnienie (średnio o około 1 atmosferę na 3,7 metra) oraz temperatura (średnio 1°C na każde 33 m głębokości – stopień geotermiczny).

Płaszcz Ziemi położony pod skorupą ziemską sięga do głębokości około 650 km (górny) i dalej do około 2900 km (dolny). W składzie chemicznym zdecydowanie dominują tlenki krzemu (SiO2), magnezu (MgO) i żelaza (FeO). W zewnętrznej części płaszcza górnego wyróżnia się sztywną warstwę perydotytową oraz leżącą poniżej astenosferę.

Jądro Jądro ma cechy ciała ciekłego, natomiast wewnętrzne (od głębokości około 5100 km) zachowuje się jak ciało stałe. W składzie chemicznym dominują pierwiastki metali ciężkich – głównie żelazo (Fe) i nikiel (Ni). We wnętrzu naszej planety panuje bardzo wysokie ciśnienie (ok. 0,36 x 1012 GPa), a temperatura osiąga wartości ponad 6000°C.

Epoka żelaza Epoka żelaza to okres w dziejach ludzkości następujący po epoce brązu, charakteryzujący się rozwojem metalurgii żelaza oraz produkcją żelaznych narzędzi i broni. Na obszarze Europy rozpoczął się w IX-VI w p.n.e. i trwa, w znaczeniu historycznym, do dziś (w sensie archeologicznym skończył się w XIII w). Epokę żelaza najprawdopodobniej zapoczątkowali Hetyci (lud mieszkający na terenie obecnej Turcji). Wymyślili oni sposób wytapiania żelaza.

Epoka żelaza Początkowo stopy żelaza otrzymywano w otwartych ogniskach, a później w specjalnych piecach - dymarkach – przez ogrzewanie rud żelaza węglem drzewnym. Otrzymany produkt, czasem mocno zanieczyszczony, przekuwano i poddawano dalszej obróbce. W Polsce dymarki odkryto na terenie Kielecczyzny (dawne Zagłębie Świętokrzyskie), fragmenty są eksponowane w muzeum w Słupi Nowej.

Pierwiastki występujące w skorupie ziemskiej Skorupa ziemska zbudowana jest z 93 pierwiastków, spośród nich 8 stanowi 99,5% jej masy. Tych osiem najważniejszych pierwiastków to: tlen, krzem, glin, żelazo, wapń, sód, potas oraz magnez. Pozostałe 85 pierwiastków stanowi zaledwie 0,5%. Są to m.in. złoto, srebro, platyna.

Metale w układzie okresowym pierwiastków

Otrzymywanie metali Metale powstają z surowców mineralnych wydobywanych z głębi ziemi. Zwykle występują w postaci rudy, czyli skał zawierających domieszkę innych substancji. Po wydobyciu rudy trafiają do hut. Tam wytapia się z nich czyste metale. Żelazo i jego stopy to metale żelazne, pozostałe metale i stopy określa się jako nieżelazne.

Metale w stanie wolnym Platyna Złoto Srebro

Metale w stanie związanym Rudy żelaza magnetyt hematyt limonit piryt syderyt Rudy miedzi malachit chalkopiryt chalkozyn Rudy cynku i ołowiu galena galman cynkowy blenda cynkowa

wydobycie rud żelaza Rudy żelaza w Polsce występują pomiędzy Częstochową, a Zawierciem, jednak ich wydobycie jest nieopłacalne. Większe zasoby tego surowca odkryto w rejonie Suwałk, ale ze względu na głębokie położenie złóż i ochronę środowiska nie podjęto eksploatacji.

Zasoby i wydobycie rud miedzi

Zasoby i wydobycie rud cynku i ołowiu http://surowce-mineralne.pgi.gov.pl/znpb.htm

OTRZYMYWANIE ŻELAZA Z RUD Produkcja żelaza polega na redukcji związków żelaza zawartych w rudach od żelaza metalicznego. Proces ten przeprowadza się w wielkim piecu. Przez górny otwór - gardziel - podawane są oprócz rud żelaza dodatkowo koks i topniki. Koks dostarcza energii i jest reduktorem związków żelaza. Topniki przyspieszają i ułatwiają proces przetopu złoża rudy, łącząc się ze skałą płonną tworzą żużel wielkopiecowy. W dolnej części wielkiego pieca (gar) znajdują się otwory przez które okresowo spuszcza się ciekłą surówkę i żużel. Górną częścią pieca wydostaje się gaz wielkopiecowy zawierający składniki palne.

Właściwości fizyczne i zastosowanie metali

Żelazo Właściwości fizyczne: metal o barwie srebrzystobiałej, lśniący, dość twardy, trudnotopliwy, temperatura topnienia - 1535°, ciężki, kowalny i ciągliwy, gęstość- 7,87 g/cm3. Zastosowanie: w każdej gałęzi produkcji materiałowej, przemysł okrętowy, przemysł samochodowy, budownictwo, instalacja sanitarna, konstrukcje nośne.

Glin (Aluminium) Właściwości fizyczne: metal o barwie srebrzystobiałej, dość plastyczny, czysty krystaliczny glin jest kruchy i łamliwy, dobrze odbija fale elektromagnetyczne, temperatura topnienia – 660,4°C, gęstość- 2,7 g/cm3 Zastosowanie: różnego rodzaju opakowania, przewody elektryczne, naczynia kuchenne, blachy, części statków kosmicznych, koszulki elementów paliwowych.

Miedź Właściwości fizyczne: metal o barwie czerownobrązowej, metaliczny połysk, bezwonny, temperatura topnienia - 1084,45 °C. gęstość 8,96 g/cm³ Zastosowanie: pokrywanie dachów, elementy wykończeniowe: rynny, parapety, materiał do przesyłania energii elektrycznej, w elektronice, chłodnice, aparaty chemiczne elementy grzejne oraz wymienniki cieplne, w jubilerstwie, jako dodatek do srebra i złota, który znacznie poprawia ich własności mechaniczne.

ołów Właściwości fizyczne: metal o barwie szaroniebieskiej, silnie błyszczący w miejscach świeżego przekroju bardzo miękki i kowalny, temperatura topnienia – 327,46°C, gęstość - 11340 kg/m³ Zastosowanie: płyty akumulatorowe, baterie, kable, rury, amunicja (rdzenie pocisków), śruty myśliwskie, jako składnik szkła ołowiowego, wyrób stopu czcionek, ekrany zabezpieczające przed promieniowaniem rentgenowskim i promieniowaniem gamma

Cynk Właściwości fizyczne: metal o barwie błękitnobiałej, twardy, kowalny, ciągliwy, temperatura topnienia – 419,5°C, gęstość- 7,14 g/cm3 Zastosowanie: pokrywania żelaznych przedmiotów, aby zabezpieczyć je przed korozją (np. wiadra cynkowe, blacha ocynkowana), wolny cynk stosowany jest również w tzw. suchych bateriach, pył cynkowy używany jest jako reduktor.

Cyna Właściwości fizyczne: metal biały, błyszczący o lekko niebieskawym odcieniu, trwały, ciągliwy, kowalny, odporny na korozję, temperatura topnienia - 231,97°C, gęstość - 5,85 g/cm3. Zastosowanie: do powlekania blachy żelaznej stosowanej do wyrobu puszek konserwowych, stopy cyny z ołowiem używane są jako stopy czcionkowe i luty, do wyrobu sprężyn, łożysk, dzwonów służą stopy miedzi z cyną - brązy.

Złoto Właściwości fizyczne: metal o jasnożółtym kolorze i wyrazistym połysku, ciężki, miękki, najbardziej kowalny i ciągliwy spośród wszystkich metali, nie utlenia się w wodzie i powietrzu, temperatura topnienia - 1064 0C , gęstość - 19300 kg/m³ Zastosowanie: w jubilerstwie, stomatologii, elektronice.

srebro Właściwości fizyczne: metal biały o lśniącym połysku, bardzo ciągliwy i kowalny (nieco twardszy od złota), posiada największą z wszystkich metali przewodność elektryczną, nie reaguje z czystym powietrzem i wodą, ale matowieje w zetknięciu z ozonem, siarkowodorem, powietrzem zanieczyszczonym związkami siarki. Zastosowanie: głównie jako metal szlachetny, srebro próby 925 w stopie z miedzią jest używane do produkcji biżuterii, naczyń i sztućców, do produkcji medali oraz instrumentów muzycznych wysokiej klasy.

Właściwości Fizyczne metali Podobieństwa Różnice stały stan skupienia (wyjątek: rtęć – ciecz) barwa srebrzystobiała (wyjątki: złoto i miedź) połysk metaliczny kowalność i ciągliwość dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne twardość temperatura topnienia gęstość (za metale lekkie uważa się te, których gęstość jest mniejsza od 5g/cm3, np.: Na i Al, metale ciężkie to te, których gęstość jest większa od 5g/cm3, np.: Fe i Pb) aktywność chemiczna.

Temperatura topnienia Metal Temperatura topnienia Temperatura wrzenia Miedź 1083°C 2567°C Ołów 327,5°C 1740°C Cyna 231,97°C 2270°C Cynk 419,4°C 906°C Złoto 1064°C 2600°C. Srebro 962°C 2212°C

Właściwości chemiczne metali Właściwość chemiczna – cecha substancji, którą można zaobserwować podczas reakcji chemicznej. Przykłady właściwości chemicznych: toksyczność,  palność,  reaktywność. Właściwość chemiczna stanowi kontrast dla właściwości fizycznej.

Właściwości chemiczne metali Aktywność chemiczna metali określa możliwość wyparcia wodoru z roztworu kwasu przez dany metal. Metale umieszczone z lewej strony wodoru są od niego aktywniejsze - wypierają wodór z kwasu np.: sód, magnez, wapń. Metale znajdujące się w szeregu po prawej stronie wodoru, są od niego mniej aktywne i nie wypierają go z kwasu - metale szlachetne.

Niemetale mają różne barwy, nie mają połysku, nie przewodzą ciepła, są izolatorami, nie przewodzą prądu elektrycznego, mają niższą temperaturę topnienia i wrzenia od metali. Niemetale: a) jod – substancja stała, która szybko sublimuje; b) brom – ciecz, która łatwo odparowuje i staje się gazem; c) chlor - gaz; d) fosfor czerwony; e) siarka.

Gęstość wyrażamy w kg/m3 lub w g/cm3. Gęstość metali Gęstość informuje nas o tym, jaka jest masa 1m3 lub 1cm3 danej substancji. Wyznaczając doświadczalnie gęstość, możemy dowiedzieć się, z jakiej substancji zostało wykonane ciało. m – masa ciała V – objętość ciała d – gęstość Gęstość wyrażamy w kg/m3 lub w g/cm3.

Wyznaczanie objętości przedmiotów wykonanych z metali „sposobem Archimedesa”

W czasie zajęć: obliczaliśmy objętości brył o regularnym kształcie, wyznaczaliśmy objętość ciała o nieregularnym kształcie, obliczaliśmy gęstość badanych przedmiotów wykonanych z metalu, porównywaliśmy otrzymane wyniki z danymi w tablicach chemicznych.

Korozja Korozja to niszczenie metali lub ich stopów pod wpływem tlenu znajdującego się w powietrzu, czynników atmosferycznych oraz niektórych związków chemicznych (roztworów kwasów, zasad i soli). Korozja rozpoczyna się na powierzchni metalu i postępuje w głąb, zmieniając jego właściwości. Jedynie metale szlachetne są odporne na korozję.

Korozja Najbardziej typowe efekty korozji to rdza, powstała w wyniku niszczenia materiałów zawierających żelazo i patyna - zielony nalot powstający na przedmiotach wykonanych z miedzi.

Metody ochrony metali przed korozją powłoki ochronne: pokrywanie metali cienką warstwą np. cynku (cynkowanie), chromu (chromowanie), niklu (niklowanie) lub malowanie farbą, emalią czy lakierowanie, osłabienie agresywności środowiska, stosowanie stopów odpornych na korozję np. stal nierdzewną uzyskuje się przez dodanie do stali chromu, manganu i niklu.

Badanie wpływu różnych czynników na metale Doświadczenie: Do czterech zlewek umieść dobrze oczyszczone gwoździe. Do drugiej zlewki wlej olej, do trzeciej – wodę, do czwartej – roztwór soli kuchennej. Pozostaw zlewki z zawartością na kilka dni.

Wniosek: Żelazo najszybciej uległo zniszczeniu w roztworze soli, wolniej w wodzie, ale w obydwu wypadkach są widoczne skutki korozji. Gwoździe pozostawione w oleju nie uległy zmianie, a na powietrzu zmiany są widoczne po dłuższym czasie.

Wizyta w serwisie blacharsko – lakierniczym Podczas wycieczki zobaczyliśmy skutki korozji blach samochodowych. Poznaliśmy technikę polerowania , lakierowania i koszty z tym związane.

Stopy metali Stopy to mieszaniny jednorodne metali lub niemetali stopione w odpowiednich proporcjach. Właściwości stopów zależą od właściwości połączonych składników oraz ich zawartości procentowej.

stal Stal – stop żelaza z niewielką ilością węgla (około 2%) oraz bardzo małymi dodatkami krzemu, fosforu i siarki. Niektóre gatunki stali zawierają chrom, nikiel, molibden, wolfram, wanad lub cyrkon. Zastosowanie: konstrukcje budowlane, pręty zbrojeniowe, łożyska, zlewozmywaki, garnki, sztućce, samochody, okręty, wagony kolejowe.

Mosiądz – stop miedzi z cynkiem. Zastosowanie: monety, medale, instrumenty muzyczne, kłódki, świeczniki, klamki, odważniki, elementy maszyn i różnych urządzeń.

brąz Brąz – stop, najczęściej cyny z miedzią. Stop ten znany był już w czasach prehistorycznych (epoka brązu). Zastosowanie: łożyska, śruby, części armatury chemicznej, monety, odlewy dzwonów i pomników.

Duraluminium Duraluminium – stop glinu z niewielkim dodatkiem miedzi, manganu, magnezu oraz krzemu. Charakteryzuje się małą gęstością i dużą wytrzymałością mechaniczną. Zastosowanie: przemysł lotniczy i maszynowy, elementy konstrukcji budowlanych.

Zastosowanie metali i stopów w naszym domu Sztućce z chromoniklowej stali Części sprzętu AGD Akcesoria kuchenne Obudowy do komputerów stalowe lub aluminiowe Miedziane rury Żeliwne grzejniki Elementy łazienkowe Mosiężne klamki Stalowe zlewozmywaki Stalowe lampy i żyrandole

Zagadki o metalach

Stop złota z niklem i cynkiem to Stop Cu i to mosiądz. Metal biały o lśniącym połysku, nieco twardszy od złota to Stop używany w lotnictwie Ciecz, która łatwo odparowuje i staje się gazem Substancja stała, która szybko sublimuje to Mowa jest , a milczenie białe złoto. cynku srebro. duraluminium brom jod srebrem złotem

Bibliografia Białka Urszula „Technika” podręcznik dla gimnazjum. Operon. Gdynia 2007 Łabecki Lech , Łabecka Marta „Jak to działa?”. Podręcznik z ćwiczeniami do zajęć praktycznych. Nowa Era. Warszawa 2011 Kulawik Jan, Kulawik Teresa, Litwin Ewa „Chemia Nowej Ery” (podręcznik dla gimnazjum). Część I . Warszawa 2009 Sagnowska Barbara, Rozenbajgier Maria „Świat fizyki” podręcznik dla gimnazjum. ZamKor. Kraków 2009 http://www.technikag2.republika.pl/materialy.html http://www.sciaga.pl/slowniki-tematyczne/860/kryteria-podzialu-metali/ http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C5%82a%C5%9Bciwo%C5%9B%C4%87_chemi czna http://www.wiking.edu.pl/article_print.php?id=16#budowa%20wnetrza%20ziemi http://www.bryk.pl/teksty/liceum/chemia/chemia_nieorganiczna/ http://portalwiedzy.onet.pl/18147,,,,zelaza_epoka,haslo.html http://portalwiedzy.onet.pl