327
з історії

164
учня

97
для 11 классу

303
відкореговано


Вашій увазі

510
кейсів
Останнє оновлення:
27.03.2017


Кейс-урок «Огонь – четвертая стихия»
Кейс-урок «Огонь – четвертая стихия»

Раздел: Науки, природа и человек

Уровень (класс): 8 +

Тема: Природные явления

Цель: Расширить и систематизировать знания об огне, его научном, технологическом, культурном, историческом и философском значении

Какая информация меня здесь ждет?

  • Что собой представляет огонь и что такое горение?
  • Что горит «синим пламенем»?
  • Как зажечь воду?
  • Как «зажигаются» звезды?
  • Какие фундаментальные и практические знания мне пригодятся?
  • Когда огонь помогает творить, а когда становится разрушителем, и как этого избежать?
6 разверток по предметам, явлениям и практикам:
Вступление

Что такое огонь? Одна из четырех стихий, которые согласно древним представлениям и создают все многообразие нашего мира (огонь, вода, земля и воздух).

Как же он возникает и каким бывает? Как его «приручить»? Еще в древние времена люди поклонялись огню. Огонь перевернул человеческую историю, он стал поворотной точкой в развитии человеческой цивилизации.

Он стал центральной фигурой философии, религии и представлений людей о мироустройстве. Огонь дал старт развитию технологии, проведя человечество от реторты алхимика до ракетостроения.

 

Огонь может зажечь и сжечь, осветить и потушить, дать тепло и забрать его (холодное свечение).

В огне та сила и мощь, которой мы учимся овладевать, открывая в нем все новые и новые возможности и предотвращая негативніе последствия.

Химия
Огонь – зримое проявление реакции горения. Но что же такое горение? На первый взгляд, это реакция окисления (ведь горение невозможно без кислорода!). Но и дыхание, и ржавление металлов – это тоже реакции окисления! И при дыхании мы «выдыхаем» тепло. Может это тоже горение, только какое-то медленное? Найдем ответы на все эти вопросы! Итак, химики говорят, что горение - реакция окисления, протекающая с достаточно большой скоростью, сопровождающаяся выделением тепла и света:

 

Условия возникновения горения таковы:

• горючее вещество

• окислитель (кислород)

• нагревание горючего вещества до температуры воспламенения

Однако температура воспламенения у каждого вещества «своя». Например: эфир может воспламениться от горячей проволоки, а для того чтобы поджечь дрова, нужно нагреть их до нескольких сот градусов. Температура воспламенения веществ различна. Сера и дерево воспламеняются при температуре около 270 °С, уголь – около 350 °С, а белый фосфор – около 40 °С.

Важнейшим условием горения является наличие кислорода:

 

Во многих других процессах тоже выделяется теплота: гниение листьев, прогоркание масла, окисление металлов (ржавление), дыхание аэробных существ. Но это выделение вследствие продолжительности процесса протекает медленно. Однако сгорит ли кусок дерева быстро или подвергнется медленному окислению на воздухе в течение многих лет, все равно – в обоих случаях при этом выделится одинаковое количество теплоты. Значит, разница между горением и медленным окислением такова:

 

Любая химическая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или поглощается в виде теплоты (реже - в виде световой или механической энергии).

Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или для моля продукта реакции. Количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при химической реакции, называется тепловым эффектом реакции (Q).

Например, тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить любым из двух уравнений:

2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 572 кДж

2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + Q

Это уравнение реакции называется термохимическим уравнением. Здесь символ "+Q" и означает, что при сжигании водорода выделяется теплота. В термохимических уравнениях часто указывают агрегатные состояния веществ. Реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими (от латинского "экзо" – наружу). Например, горение метана:

 

Когда реакция протекает с поглощением энергии, она называется эндотермической (от латинского "эндо" - внутрь). Например, образование оксида углерода (II) CO и водорода H2 из угля и воды, которое происходит только при нагревании.

 

Тепловые эффекты химических реакций нужны для многих технических расчетов. Например, для двигателей космических ракет. Если известна работа (в кДж), которую придется затратить для доставки ракеты с грузом с поверхности Земли до орбиты и другие затраты энергии во время полета, то как рассчитать необходимый запас водорода и кислорода, которые (в сжиженном состоянии) используются в этой ракете в качестве топлива и окислителя?

Без помощи теплового эффекта реакции образования воды из водорода и кислорода сделать это затруднительно. Ведь тепловой эффект - это и есть та самая энергия, которая должна вывести ракету на орбиту. В камерах сгорания ракеты эта теплота превращается в кинетическую энергию молекул раскаленного газа (пара), который вырывается из сопел и создает реактивную тягу.

Какого цвета огонь? В зоне горения могут возникать свободные радикалы и молекулы в возбуждённых состояниях. Если интенсивность свечения достаточно высока, то его можно воспринимать невооружённым глазом. Цвет пламени определяется тем, на каких частотах идет излучение в видимой области спектра.

Значительная часть излучения, особенно при наличии пылинок или частиц сажи в пламени, приходится на инфракрасную область. Человеком она воспринимается как жар от огня. Регулируя подачу воздуха (например, в специальной горелке Бунзена, в которой горит пропан) можно тоже менять цвет пламени:

 

1 — подача воздуха в горелке закрыта; 2 — подача воздуха снизу почти перекрыта; 3 — смесь близка к стехиометрической (рассчитанной на основе уравнения реакции горения); 4 — максимальная подача воздуха.

Но всегда ли огонь такого цвета? Имеет ли фраза «гори оно синим пламенем» реальное отражение? Да! В зависимости от того, какое вещество сгорает, спектр горения меняется, а соответственно меняется цвет пламени:

Жидкие вещества тоже могут гореть, например, нефть, спирт. Но можно ли «заставить» гореть воду? Можно:

Задание:


Проведите мини-исследование на одну из предложенных теми подготовьте по результатам небольшое сообщение:

• Какие из веществ имеют самую высокую температуру горения?

• Какие вещества горят с необычным цветом?

Не забудьте привести соответствующие химические реакции!

Физика
Процесс горения – термодинамический процесс, прежде всего. Поэтому и описывается термодинамическим уравнением:

 

И хотя говорят «дыма без огня не бывает», но зато существует горение без огня! В отличие от обычного горения, когда наблюдается светящаяся зона пламени, возможно создание условий для беспламенного горения.

Примером может служить каталитическое окисление органических веществ на поверхности подходящего катализатора, например, окисление этанола на платиновой черни. Однако термин «беспламенное горение» не сводится только к случаю поверхностно-каталитического окисления, а обозначает ситуации, в которых пламя не видимо невооруженным глазом (но оно есть!).

Иногда процесс горения выглядит визуально как метель из искорок. Таким образом, например горит аммиак в присутствии оксида хрома:

Раскаленные частицы оксида хрома (III) ускоряют реакцию окисления аммиака кислородом воздуха. На поверхности частиц оксида хрома происходит экзотермическая реакция окисления аммиака. Образуется сноп искр, которые кружатся внутри сосуда, как снежинки в метель. Это частицы катализатора - оксида хрома (III), на котором происходит реакция окисления аммиака. Окисление аммиака кислородом воздуха происходит до оксида азота (II).

А что будет, если огонь зажечь в невесомости?

Несмотря на то, что экспериментировать с огнём на космических станциях очень опасно, в 1996 г. на МКС «Мир» были сожжены 80 свечей.

Оказалось, что свеча, полностью сгорающая на Земле за 10 мин, может гореть на станции 45 мин. Однако пламя было очень слабым и голубоватым, его даже нельзя было заснять на видеокамеру и, чтобы доказать существование этого пламени, пришлось вносить в него кусочек воска и снимать, как он плавится.

Процесс горения в условиях невесомости может поддерживаться только за счёт молекулярной диффузии или искусственной вентиляции. Без вентиляции тепловое излучение очага горения лишь охлаждает его и в конце концов может остановить процесс, не оставляя даже дыма. Поэтому для прекращения пожара в невесомости достаточно выключить вентиляцию и немного подождать. В невесомости пламя свечи меньше по размеру и не такое горячее, как обычно, потому что нет достаточного притока свежего воздуха, содержащего кислород. Поэтому сажи очень мало, ведь она не образуется при температуре ниже 1000 °С. Но, даже если бы её и было достаточно, и тогда из-за низкой температуры она светилась бы в инфракрасном диапазоне, а значит, цвет у пламени в невесомости всегда голубоватый.

А из-за того, что в невесомости нет восходящего движения воздуха, пламя имеет шарообразную форму. По той же причине свеча в невесомости горит практически без дыма.

На космических челноках продемонстрировали, что шарики из газовой смеси горят, выделяя так мало энергии (<1Вт), что горение каждого из них может продолжаться несколько часов. Огонь в технике, в быту, в космосе… А что позволяет факирам «выдыхать» огонь? Вообще, «как работает дракон»? Ведь по легендам способностью выдыхать огонь обладали драконы, а цирковой аттракцион «выдыхание огня подобно дракону» (fire breathing) родился в Индии.

Этот аттракцион, как утверждают его исполнители, не требует особых навыков, но считается самым опасным аттракционом, связанным с огнём. И не только из-за очевидной опасности ожогов.

Чтобы сделать трюк более безопасным, огненные факиры применяют те вещества, которые имеют высокую температуру самовоспламенения (flash point, FP) в смеси с воздухом. Для безопасных трюков необходимо, чтобы FP была выше 50 градусов по Цельсию.

Этот параметр очень важен, так как он показывает, при какой температуре может продолжаться горение смеси, если источник воспламенения (факел) убрать. Например, для бензина FP = 43 C, а у дизельного топлива FP = 62 C, у керосина FP = 38-72 C, а у жидких парафинов FP = 90 C. Поэтому факиры чаще всего используют жидкие парафины, поджигая которые можно не опасаться, что произойдёт неконтролируемый взрыв горючей смеси.

Цвет пламени зависит не только от горящего вещества, но и от температуры горения. Если вы обращали внимание, то пламя свечи или огонь спички будет неоднородным по цвету. В нем можно выделить несколько цветных зон с разной температурой.

 

Задание:


Наблюдая за огнем (камина, печи, костра, свечи, горелки, спички и т.д.), отметьте для себя, какого цвета пламя и сделайте вывод о его температуре. Сформируйте таблицу своих наблюдений за некоторое время:

Материал или вещество, которое горит Условия горения Цвет Предполагаемая температура горения

Сравните свои наблюдения в классе и сделайте общий вывод.

Астрономия/Космология
Звезды – огромные огненные газовые шары. А так как они огненные, то по цвету звезды можно судить о температуре ее горения. Наиболее холодные звезды будут иметь красный цвет, а горячие звезды будут выглядеть синими.

А что же определяет температуру звезды? На самом деле все сводится к ее массе.

Зависимость цвета звезды от ее температуры

Звезд великое множество. Среди них есть самые необыкновенные:

Или такие:

Но самыми распространенными звездами во Вселенной являются красные карлики сравнительно небольших размеров. Эти звезды могут иметь меньше 7,5% массы Солнца , но быть при этом ярче примерно на 50%.

Красные карлики сжигают свои запасы водородного топлива достаточно медленно; полагают, что красный карлик с весом примерно 10% от массы Солнца может просуществовать на протяжении 10 триллионов лет или даже дольше.

Химические и физические превращения в звездах идут миллионы лет! Грубо говоря, это процессы горения растянутые на невероятные промежутки времени, только горения термоядерного.

Звезда начинает свою жизнь как холодное разреженное облако межзвёздного газа. Постепенно она сжимается под действием собственного тяготения и принимает форму шара.

При сжатии энергия гравитации переходит в тепло, и температура объекта возрастает. Когда температура в центре достигает 15—20 миллионов К, начинаются термоядерные реакции и сжатие прекращается. Объект становится полноценной звездой.

 

Первая стадия жизни звезды подобна солнечной — в ней доминируют реакции водорода. В таком состоянии она пребывает большую часть своей жизни, пока не исчерпаются «запасы топлива» в её ядре. Когда в центре звезды весь водород превращается в гелий, образуется гелиевое ядро, а термоядерное горение водорода продолжается на периферии ядра.

Что же тогда собой представляют вспышки на Солнце? Это взрывной процесс выделения энергии (световой, тепловой и кинетической) в атмосфере Солнца. Вспышки охватывают все слои солнечной атмосферы.

Энерговыделение мощной солнечной вспышки может достигать 160 млрд. мегатонн в тротиловом эквиваленте, что, для сравнения, составляет приблизительный объем мирового потребления электроэнергии за 1 миллион лет.

История/Философия/Технология

Знакомство человека с огнем положило начало развитию религиозных представлений, философских концепций и технологии. Рассмотрим последовательно, как проходило развитие этих направлений. В палеолите человек стал использовать огонь и оберегать его, как одну из важнейших ценностей.

 

В неолите произошло дальнейшее развитие религиозных представлений, связанных с огнем и совершенствование технологий. Один из самых распространенных в то время способов получения огня – трение.

 

В Древнем Египте огонь «получает» собственную богиню – Сехмет, богиню космического огня. В философско-религиозных концепциях того периода огонь ассоциируется с животворящей силой, матерью, домашним очагом. Такой подход был повсеместно распространенным, а использование огня в религиозных практиках очень частым. Огонь стал и объектом поклонения, и символом, и способом принесения жертв.

 

Античные времена ознаменовались новым подходом не только к технологии использования огня, но и новым подходом к культовому и религиозному значению огня. Огонь стал восприниматься как одна из стихий, сущностей, лежавших по представлению греков в основе мира. Он также стал «военным союзником». Например, так выглядели «гранаты» с греческим огнем:

 

Стихии представлялись как материальные первоэлементы и одновременно как носители универсальных качеств. Отношения между ними объясняли всё многообразие явлений мира. В силу этого, учение о четырёх элементах (земля, вода, воздух и огонь) послужило в дальнейшем теоретической основой алхимии и одной из основ западноевропейской астрологии.

В греческой и римской мифологии с огнём отождествлялось несколько божеств (Гефест, Прометей, Веста, Гестия и другие). В древнеиндийской мифологии олицетворением огня был Агни, в кельтской мифологии богиня огня называлась Бригид.

В зороастризме огонь выступал как священная стихия и воплощение божественной справедливости, Арты. По традиционным представлениям зороастрийцев огонь пронизывает всё бытие, как духовное, так и телесное. Для зороастризма характерно выделение нескольких ипостасей огня:

• Березасаванг (Высокоспасительный) — горящий перед Ахура Маздой в раю.

• Вохуфриян (Благодружественный) — горящий в телах людей и животных.

• Урвазишт (Приятственнейший) — горящий в растениях.

• Вазишт (Действеннейший) — огонь молнии.

• Спаништ (Святейший) — обычный земной огонь, в том числе и огонь Варахрам (Победоносный), тот, что горит в храмах.

 

Технология использования огня совершенствовалась также, например, для производства оружия. Японская катана того периода считалась одним из самых совершенных видов холодного оружия, «рожденного в огне»:

В средние века, технологическое значение огня значительно возросло. И не только за счет металлообработки. Стекло, керамика, солеварение, парфюмерия, производство лекарств, красителей, алхимия были просто невозможны без него. Новые сплавы и материалы расширили возможности для других ремесел.

А в христианстве того периода огонь получил двойную трактовку: с одной стороны он был олицетворением адского огня, но с другой – благодатного огня Пасхи:

В алхимии же и средневековом мистицизме у стихии огня были свои духи, обитавшие в нём – саламандры.

 

Из средневековых алхимических опытов родилась химия, которая была бы немыслима без использования огня: выпаривание, ректификация, озоление и многие другие процессы, ставшие основой современного химического синтеза и выросшие в высокотехнологические производства наших дней.

А как же разжигали огонь в те времена? До изобретения спичек, огонь разжигали при помощи огнива:

Более необычнчый способ – разжигание огня при помощи солнечного света:

Такой способ возможен только при достаточной обработке стекла или других материалов, фокусирующих свет. Эксперименты показывают, что в качестве линзы можно использовать даже обработанный лед! Подобные видео есть в интернете.

Современная металлургия – наследница огня кузнечного горна. Но процессы, которые используются в современной промышленности, значительно сложнее и невозможны без современного уровня «владения» огнем:

Задание:


Сделайте мини-проект «Огонь в современном мире». Выберите одно из направлений применения огня в промышленности в наши дни и опишите его. Можете подготовить небольшую презентацию об этом. При подготовке обязательно обратите внимание, какие именно свойства огня, из тех с которыми вы уже ознакомились, применяются при этом?
Искусство

Огонь может быть и «полотном», и «кистью», и «моделью» для современных художников.

Огонь вместо модели и палитры. Например, Адиль Кусов создает потрясающие фотографии огня. Он наливает горючую жидкость на стол, поджигает ее и ждет хороший кадр. Сам автор огненных фотографий говорит, что не все могут увидеть котов, собак, людей на его фотографиях. А вы видите?

 

 

Огонь вместо кисти – основа искусства выжигания по дереву:

В современном мире популярными стали фаер-шоу, наследники древних факиров и жонглеров огнем. Это разновидность уличного перформанса, значительная часть которого заключается в исполнении трюков с огнем, а также использовании огня для реализации творческих задумок, идей. Огненное шоу, как правило, исполняется группой из нескольких артистов, традиционно называемой театр огня.

Как вы думаете, в какой технике нарисована эта картина?

 

Для ее создания использовали специальную программу – «рисовалку огнем»: flamepainter.ru

Можете тоже попробовать ваши силы и создать свой шедевр.

Огонь может стать и инструментом для парикмахерского искусства:

Существует теория, согласно которой такая процедура не только эффектно выглядит, придает уникальность прическе, но и благотворно влияет на сами волосы.

Техника безопасности/Здоровье

Огонь – это не только красота, философия, технология и наука в «одной стихии». Он таит в себе потенциальную опасность, которая при несоблюдении правил может стать вполне реальной и разрушительной.

Основные правила безопасности:

 

Если же пожар все-таки возник, самое главное – не паниковать! И следовать таким правилам:

 

А какие средства тушения огня используют? И когда каждое из них стоит применять?

Вода считается самым распространенным средством от возгорания. Она способна охладить горящий предмет и уменьшить при этом температуру огня. Если заливать очаг возгорания сверху, вода сбивает огонь с поверхности предмета, а стекая вниз, не дает ему разгореться вновь и перекинуться на другие объекты.

Поскольку вода хорошо проводит электрический ток, не рекомендуется заливать ей загоревшиеся предметы, подключенные в сеть. Есть опасность возникновения короткого замыкания. Поэтому если горит электрический предмет, для начала нужно отключить его из розетки, а также обесточить общий рубильник в доме. Только после этого можно использовать воду, песок, и огнетушитель.

Также нельзя заливать водой легковоспламеняющиеся средства, такие как бензин и керосин, особенно если возгорание произошло в помещении. Подобные жидкости намного легче воды, поэтому они просто всплывают на ее поверхность, и горят дальше. При этом площадь возгорания может увеличиться, так как вода будет растекаться по поверхности.

Для тушения горючих жидкостей необходимо применять песок, землю, и огнетушитель.

Можно также избавиться от огня с помощью одеял, пальто, и плотных тканей, смоченных перед этим в воде.

Соблюдение правил. Как бы банально это не звучало, залог того, что огонь будет только источником тепла и вдохновения, а не разрушений и бед.

Подведение итогов урока-кейса

Наименование

Содержание

1

Результаты урока-кейса можно дополнить такими находками учеников

 

2

Какие 3 сайта помогли найти важную информацию?

http://edufuture.biz/

https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/8-klass/urok-no23-gorenie-i-medlennoe-okislenie-teplovoj-effekt-himiceskih-reakcij

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

 

3

В помощь ученику и коучу:

http://edufuture.biz/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D1%8F_%D0%B4%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B8_%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D1%8C%D0%BC%D0%B8

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BC

http://bezopasnost-detej.ru/spravochnik-zashchita-detej/30-p/40-pozhar-pravila-povedeniya-detej

 

4

Где брать информацию для кейса:

http://edufuture.biz/

https://sites.google.com/site/himulacom/zvonok-na-urok/8-klass/urok-no23-gorenie-i-medlennoe-okislenie-teplovoj-effekt-himiceskih-reakcij

http://fas.su/page-508

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BE%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5

http://pikabu.ru/story/plamya_v_nevesomosti_2019575

http://fizika-vnutri-nas.narod.ru/mol_physics/fire.html

http://v-kosmose.com/zvezdyi-vselennoi/temperatura/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B2%D1%81%D0%BF%D1%8B%D1%88%D0%BA%D0%B0

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D1%8C

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%B2%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%BE%D0%B3%D0%BD%D1%8F_%D0%B4%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%BD%D0%B8%D0%BC%D0%B8_%D0%BB%D1%8E%D0%B4%D1%8C%D0%BC%D0%B8

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B0%D1%81%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B7%D0%BC

http://bezopasnost-detej.ru/spravochnik-zashchita-detej/30-p/40-pozhar-pravila-povedeniya-detej

5

Локация проведения урока-кейса

Урок – кейс проходит в классе. Возможно проведение в музее, библиотеке.

6

Соревновательность:

Команды мальчиков и девочек.

Счет составил:….

Задания для них:

1. Попробуйте поиграть в игру: «Горючее – негорючее» по принципу игры «Съедобное – несъедобное». Каждый правильный ответ - 1 бал, побеждает команда – лидер по балам.

2. С какими физическими и химическими явлениями связан огонь? Побеждает команда, давшая большее количество правильных ответов.

3. Предложите сою пиктограмму – изображение огня. Каждая команда представит и защитит свой проект.

7

Домашнее задание

Попробуйте пофантазировать на тему: «Что было бы с нашим миром, если бы люди не научились использовать огонь?» Результаты можете представить в форме рассказа, сочинения-размышления, картинки, презентации.

8

Продолжительность:

90 мин (спаренный урок)

 

9

Возможность схемы проведения с учеником-дублером

 

возможно.

10

Полученные знания и наработанные компетенции:

  • Понимание взаимосвязи химических, физических процессов, связанных с огнем.
  • Умение быстро находить, систематизировать и анализировать полученную информацию.
  • Умение критически осмысливать и сравнивать полученную информацию, устанавливать причинно-следственные связи на примере исторических процессов освоения огня человечеством.

11

Теги:

Горение, окислитель, температура воспламенения, количество теплоты, тепловой эффект реакции, эволюция звезд, алхимия, стихия, металлургия, пожар

 

12

Авторы:

Грабовская Лариса Леонидовна

13

Принимали участие в апгрейде кейса:

 

The End

«Знання завжди повинні бути свіжими!»

Цікаві факти

Протягом життя у людини виділяється така кількість слини, що нею можна заповнити два басейни середнього розміру.

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!

Знайшли помилку? Виділіть текст та натисніть Ctrl + Enter, ми будемо Вам дуже вдячні!