Урок-аукцион "Семейство углерода"

Цели:

• изучить особенности строение атома углерода;
• изучить аллотропные видоизменения углерода (алмаз, графит, карбин, фулерин);
• изучить применение алмаза, графита и угля на основе знаний о свойствах данных веществ;
• закрепить знания о зависимости свойств вещества от его строения;
• воспитание патриотичности; экологических и профориентационных знаний;
• развитие познавательного интереса, умений анализа и синтеза.

Приборы и оборудование:

1. карта Хакасии и России,
2. коллекция каменного угля,
3. таблица “Строение атома углерода”,
4. модель кристаллической решетки алмаза и графита,
5. фотографии изделий из бриллиантов,
6. аудиозапись “Ах, война, что ж ты сделала, подлая…”,
7. железный тигель,
8. штатив с кольцом,
9. фарфоровый треугольник,
10. горелка,
11. лист бумаги,
12. стеклянная палочка,
13. древесный уголь,
14. кристаллический перманганат калия,
15. порошок железа;
16. порох дымный;
17. указатели представителей промышленности,
18. раздаточный печатный материал.

Ход урока.

Организационный момент. Активизация внимания.

Изучение нового материала.

На столах учеников стоят указатели компаний, представителями которых они являются на сегодняшнем уроке – аукционе: ТЭЦ, Саянский алюминиевый завод, металлургический комбинат, Ювелирпром, нефте- и газодобывающая компания, фармацевтическая компания, Росвооружение, Министерство путей сообщения.

Добрый день, господа. Рады вас приветствовать на нашем аукционе, посвященном одному из интереснейших химических элементов. Содержание его на Земле довольно велико 0,1 % по массе.

Ядро его состоит из двенадцати нуклонов (6 протонов и 6 нейтронов). На относительно большом расстоянии от ядра расположена сфера ближайшей к нему орбитали, образованной двумя спаренными электронами. На втором энергетическом уровне есть четыре электрона, два из них образовывают также сферическую орбиталь. Электронные облака двух других располагаются в пространстве в виде симметричных объемных восьмерок перпендикулярно друг другу.

Чтобы данный атом вступил в химическое взаимодействие, нужно перевести атом в несколько другое состояние: один из электронов сферической формы внешней орбитали при получении дополнительной энергии в виде кванта изменяет форму своего облака и образует новую орбиталь в форме объемной восьмерки. Таким образом, на внешнем электронном уровне остается одна сферическая орбиталь, а три превращаются во взаимно перпендикулярные объемные восьмерки.

О каком химическом элементе идет речь в этой загадке? Изобразите строение атома данного элемента. Как называется процесс перехода электронов на подуровень с большей энергией?

Работа учащихся в тетради и на доске.

Молодцы, вы правильно определили элемент. Это, действительно, углерод. Не случайно называют его удивительным химическим элементом: оказывается, углерод способен образовывать несколько аллотропных видоизменений: алмаз, графит, карбин, фуллерен. С ними нам и предстоит сегодня познакомиться, они и будут объектами сегодняшних торгов. Попрошу вас, господа покупатели, внимательно ознакомиться с предлагаемыми к торгам лотами. По мере необходимости делать пометки в соответствующих графах тех таблиц, которые лежат на ваших столах.

Начнем с графита. (сообщение ученика)

Графит – это черные с металлическим блеском звездчатые кристаллы или довольно большие обломки темно – серого цвета. При соприкосновении с ними на коже остается темный жирный след, который также можно увидеть и на листе бумаги или другой поверхности.

В графите каждый атом углерода связан тремя одинаковыми по длине и прочности связями с другими атомами углерода, лежащими в одной плоскости, а четвертая связь более длинная и менее прочная, связывает между собой атомы углерода соседних слоев. Именно эта связь легко разрушается при соприкосновении графита с поверхностью листа бумаги.

Графит – тугоплавкое вещество, может находиться в присутствии кислорода, не сгорая, до 800 ⁰С, благодаря “жирности” улучшает скольжение между трущимися поверхностями деталей; хорошо проводит электрический ток. При температуре 1200 – 1600⁰С и давлении 10⁴Мпа графит способен превратится в алмаз.

(Демонстрация графита карандаша, запись в соответствующей графе таблицы)

Такое широко известное вещество, как уголь – не что иное, как тот же графит, только очень мелкокристаллический. (сообщение ученика)

Уголь – твердое вещество, образующееся в недрах земли при разложении органических останков растений за многие миллионы лет. Цвет колеблется от темно–бурого до черного, некоторые угли имеют красивый блестящий излом. Обладает высокой теплоемкостью. Достаточно широко распространен, в том числе и в Республике Хакасия: Минусинский угольный бассейн – Черногорское, Изыхское месторождения. Добывается как шахтным, так и открытым способом.

(работа с картой Республики Хакасия)

Человечеству уголь известен издавна.

Людям я совсем как брат.
Много тысяч лет назад
Я уже пылал в костре,
Освещая интерьер
Первобытных их квартир.

(демонстрация коллекции угля)

Ловиц открыл в 1785 году свойство угля поглощать и удерживать на поверхности некоторые газообразные и растворенные вещества. Это свойство называется адсорбцией. Уголь хорошо адсорбирует на своей поверхности такие газы, как оксид азота (IV), сероводород, дурно пахнущие примеси.

Демонстрация адсорбции - лабораторная работа

"Взаимодействие раствора перманганата калия с порошком древесного угля".

В 682 году китайский философ Сунь Сы-Мяо описал рецепт и состав “огненного порошка” пороха: в его состав входил уголь (15%), сера (10%) и селитра (75%). Позднее в Китае появилось и первое огнестрельное оружие – бамбуковая трубка, заряженная порохом и пулей. Московская Русь познакомилась с порохом еще в XIV веке. Из летописей известно, что в 1382 году москвичи уже обороняли свой город от нашествия войск татарского хана Тохтамыша с помощью огнестрельного оружия.

6KNO₃ + 2S +3C = 2K₂CO₃ + CO₂ + CO +3N₂ + 2O₂ .

(демонстрация горения пороха; музыкальное сопровождение)

Следующий лот – алмаз.

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан с четырьмя соседними очень прочными ковалентными связями, расстояния между ними все одинаковы, образуется пространственная фигура тетраэдрическая.

(демонстрация модели кристаллической решетки алмаза)

Благодаря такому строению кристаллической решетки, алмаз тугоплавкое, химически стойкое вещество, не проводит электрический ток, прозрачен, обладает высокой твердостью: по шкале Мооса занимает самое верхнее положение, имея значение твердости 10 из 10 возможных.

(демонстрация шкалы Мооса)

(сообщение ученика)

Философы древности Тит Лукреций Кар и Плиний Старший считали, что алмаз не только не горит, но и его нельзя расколоть ударом молота. Слово “алмаз” в переводе с древнеиндийского означает “тот, который не разбивается”. Это заблуждение сохранялось и в средние века.

Алмаз при температуре до 1500⁰С без доступа воздуха превращается в графит.

Алмазам с древних пор приписывали чудодейственные свойства. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он до глубокой старости сохраняет веселое расположение духа и острую память, пользуется царской милостью.

Вначале алмазы носили лишь военоначальники, короли и императоры, т.к. считалось: “Если воин на левой стороне в оружии своем носит алмаз, то не будет убит; алмаз же, носимый в перстне на руке, лихие сны отгоняет и приносит пользу беспокоящимся лунатикам”.

В качестве женского украшения алмазы стали использовать лишь с середины XV века: моду на алмазы ввела француженка Агнесса Сорель. С этого времени алмазы стали получать собственные имена.

И украсить был я рад
Дам и рыцарей наряд,
Чтоб блистали при дворе.

(Демонстрация фотографий изделий из алмазов)

Третье аллотропное видоизменение углерода – карбин.

Карбин – это линейный полимер, у которого атомы углерода соединены в цепочку:

- С С – С С – С С –

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета, по твердости занимает промежуточное положение между алмазом и графитом, карбин является полупроводником. Сначала он был получен искусственно в бывшем СССР, а позже открыт и в природе.

Четвертое аллотропное видоизменение – фуллерен.

Получен в начале 90-ых годов российскими учеными. Представляет собой кристаллы диаметром 5-6 мм, их острые грани царапают алмаз также легко, как и алмаз царапает стекло. Если попытаться представить себе строение кристалла фуллерена, то наиболее близкая аналогия будет с зеркальным шаром на дискотеке: отдельные ячейки – тетраэдры собраны в сферу, расстояние между атомами, как и у алмаза, по всем направления равны.

Итак, мы рассмотрели все аллотропные видоизменения углерода, познакомились с их свойствами. А сейчас я попрошу господ покупателей сделать свой выбор в пользу того или иного лота и по истечении времени представить доводы, обосновывающие ваш выбор.

(работа в группах по заполнению таблицы)

Памятка покупателя.

• Какое аллотропное видоизменение углерода Вы, как представитель компании, выберете?
• Какие свойства этого вещества будут использованы в Вашей компании?
• Какое применение Вы найдете в своей компании для выбранного Вами вещества?

Ученики на доске напротив названия аллотропных модификаций углерода прикрепляют названия своих предприятий, мотивируя выбор той или иной модификации свойствами и направлениями применения для данной отрасли.

Подведем итог наших торгов. Проданы две наиболее широко распространенные модификации углерода - алмаз и графит, а оставшиеся две в силу малой изученности их свойств остались пока невостребованными. Но мы будем надеяться, что со временем ситуация изменится, и карбин и фуллерен найдут своих покупателей. А мне осталось только поблагодарить вас всех за активную работу и попросить заполнить "Книгу отзывов аукциона":

"Книга отзывов аукциона".

Что дал тебе урок? Ответьте на этот вопрос предельно честно!

IV. Пусть наградой нам за активную работу будет этот фейерверк (опыт "Огненный дождь"), а домашнее задание: записать уравнения химических реакций при опыте "Звездный дождь", если в состав исходной смеси входят: древесный уголь, перманганат калия, порошок железа.

ПРИЛОЖЕНИЕ №1.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА "Взаимодействие раствора перманганата калия с порошком древесного и активированного угля".

В двух пробирках содержится раствор перманганата калия. В одну из них добавьте небольшое количество растертого в порошок древесного угля, а в другую - порошок активированного угля. Пробирки плотно закрыть пробками и хорошо встряхнуть. Наблюдается обесцвечивание раствора - адсорбция перманганата калия на поверхности угля.

ПРИЛОЖЕНИЕ №2.

ОПЫТ "ЗВЕЗДНЫЙ ДОЖДЬ".

Оборудование: железный тигель, штатив с кольцом, фарфоровый треугольник, горелка, лист бумаги, стеклянная палочка, порошки железа и древесного угля, сухой мелкокристаллический порошок перманганата калия.

На чистом листе бумаги (или на стекле) тщательно смешайте стеклянной палочкой или шпателем равные количества (примерно по 1-2 чайной ложки) порошков железа, древесного угля и перманганата калия.

Полученную смесь перенесите в железный тигель, закрепленный в фарфоровом треугольнике, который находится на кольце штатива. Нагрейте тигель в пламени горелки. Через некоторое время из тигля начнут разлетаться раскаленные частицы железа в виде снопа искр. С появлением искр горелку следует погасить.

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂

C + O₂ = CO₂

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄