Задачи урока:
- Образовательные: повторить строение атома и аллотропию на примере углерода. Рассмотреть строение, сравнение свойств и применение алмаза и графита. Познакомить учащихся с явлением адсорбции и его практическом значении. Усвоить химические свойства углерода.
- Развивающие: развивать у учащихся умения сравнивать и анализировать теоретические сведения, применять их на практике, делать выводы; развивать логическое мышление.
- Воспитательные: формировать естественно-научное мировоззрение; информационную культуру.
Методы, используемые на уроке: частично-поисковые.
Оборудование: периодическая таблица химических элементов Д.И.Менделеева; компьютер; мультимедийный проектор и экран. Модели кристаллических решеток алмаза и графита. Образцы изделий из графита (карандаши, электроды) и сажи (тушь, краски, резина). Древесный уголь. Противогаз. Прибор для восстановления меди углем из её оксида.
Ход урока
Вводная часть.
После приветствия учитель называет тему урока и сообщает его цели и задачи.
Учитель: Любой человек, невзирая на возраст, любит путешествовать. Вот и я приглашаю вас совершить Путешествие в мир Углерода.
I. Немного истории.
Учитель: История знакомства человека с этим веществом уходит далеко вглубь веков. Неизвестно имя того, кто открыл углерод. Неизвестно, какая из форм чистого углерода – графит или алмаз – была открыта раньше. В XVII – XVIII вв., в период расцвета теории флогистона, считали, что уголь полностью состоит из этого таинственного вещества: ведь при горении угля почти не образуется твердого остатка. И только А.Л. Лавуазье, изучая горение угля на воздухе и в кислороде, пришел к выводу, что уголь – всего лишь простое вещество. А.Л. Лавуазье назвал новый элемент Carboneum вместо старого латинского названия carbone pur – «чистый уголь», которым долгое время пользовались химики. (Слайд 2)
II. Положение в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Строение атома.
Учитель: Определите положение углерода в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева.
Учащиеся: Второй период, IV группа, главная подгруппа.
Учитель: Состав атома?
Учащиеся: 6 протонов, 6 электронов, 6 нейтронов.
Учитель: Вспомним схему строения атома. (Слайд 3) Вывод: Углерод – неметалл, относится к р – семейству.
Учитель: Углерод может проявлять любые степени окисления от -4 до +4. все соединения углерода делятся на два особых класса: органические соединения, в состав которых всегда входит углерод в степени окисления -4, и неорганические, к которым относят все остальные соединения.
(Слайд 4)
III. Аллотропия. Строение кристаллических решеток.
Учитель: Вспомните явление аллотропии, характерной для многих элементов – неметаллов. (Слайд 5).
Учащиеся: Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. Эти простые вещества называются – аллотропными видоизменениями или модификациями.
Учитель: Углерод образует аллотропные модификации : алмаз, графит, карбин, фуллерен. Причина этого явления состоит в разном строении кристаллических решеток ( демонстрирует модели решеток алмаза и графита). 1) алмаз имеет объемную тетраэдрическую атомную решетку; 2) графит – плоскостную атомную кристаллическую решетку; 3) карбин – линейную; 4) фуллерен – сферическую. (Слайд 6).
IV. Физические свойства.
1. Алмаз. При слове «алмаз» сразу же вспоминаются окутанные завесой тайны истории, повествующие о поисках сокровищ. Когда-то люди, охотившиеся за алмазами, и не подозревали, что предметом их страсти является кристаллический углерод – тот самый углерод, который образует сажу, копоть и уголь. Впервые это доказал Лавуазье. Он поставил опыт по сжиганию алмаза, используя собранную специально для этой цели зажигательную машину. Оказалось, алмаз сгорает на воздухе при температуре 7000С, не оставляя твердого остатка, как и обычный уголь. В структуре алмаза каждый атом углерода имеет четырех соседей, которые расположены от него на равных расстояниях в вершинах тетраэдра. Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас. С этим связаны многие свойства алмаза, в частности его самая высокая среди минералов твердость. Кристаллы алмаза, особенно ограненные (бриллианты), очень сильно преломляют свет. Этим и обусловлена знаменитая «игра бриллиантов». (Слайд 7). (Слайд 8).
Часто алмазы имеют тот или иной оттенок. Известны алмазы оранжевого, голубого, розового, желтого, молочно-белого, синего, зеленого, черного цвета. Окраска связана как с дефектами в их кристаллической структуре, так и с замещением части атомов углерода на атомы бора, азота и даже алюминия. Серая и черная окраска алмазов обусловлена включениями графита.
Алмаз «Шах», знаменитый исторический алмаз с незначительным желтоватым нацветом, но большой чистоты. На нем три надписи на персидском языке. Камень найден в центральной Индии в конце XVI в. До 1595 года хранился у владетелей Ахмеднагары, после чего в результате войн, перешел к великим моголам, где в 1655 году известный путешественник Тавернье видел его висящим в качестве талисмана на троне Ауренг-Зеба. В 1739 году при разгроме Дели шахом Надиром алмаз вместе с другими камнями был увезен в Персию, а в 1829 году поднесен персидским шахом Николаю I как выкуп за убийство русского дипломата и писателя А.С. Грибоедова. (Слайд 9)
В России ювелирные алмазы вошли в моду в середине XVIII в. Ими украшали не только царские диадемы и скипетры, но также брелки, застежки, трости, табакерки и даже обувь! Собрание исторических бриллиантов и изделий из них хранится в Алмазном фонде Оружейной палаты Московского Кремля и золотых кладовых Санкт-петербургского Эрмитажа. (Слайд 10-14).
2. Графит. В древности графит считали одним из минералов свинца, возможно из-за того, что, подобно свинцу, он оставляет на бумаге след. В XVIII в. К.В.Шееле доказал, что графит представляет собой «особый минеральный уголь». Луи Бернар Гитон де Морво при осторожном нагревании алмаза без доступа воздуха получил порошок графита. Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям. Графит широко применяется в технике. Графитовый порошок используют для изготовления минеральных красок, а также в качестве смазочного материала – между отдельными слоями графита взаимодействие настолько слабое, что возникает скольжение. Графитовые стержни служат электродами во многих электрохимических процессах; из смеси графита с глиной изготавливают тигли для плавки металлов. Блоки из особо чистого графита являются основным материалом для создания атомных реакторов. В первом отечественном реакторе, например, было использовано 450 т графита. (Слайд 15).
3. Фуллерены. (Букиболы). Получен в 1985г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из четного числа атомов углерода в молекуле (60,70, 72,74,76,…, 108, и др.). В 1996 году трое ученых – Гарольд Крото (Великобритания), Роберт Керл и Ричард Смелли ( США) были удостоены Нобелевской премии в области химии за открытие молекулярной формы углерода – фуллерена). Фуллерены представляют собой кристаллическое вещество черного цвета с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников. (Слайд 16 - 17).
В 1992 году фуллерены обнаружены в природе – в минерале шунгите (аморфном углероде), названном в честь поселка Шуньга в Карелии. Неудивительно, что долгое время примесь фуллерена в шунгите не замечали: его там лишь около 0,001%. (Слайд 18).
Усилия многих ученых – физиков, химиков, материаловедов – направлены на развитие нанотехнологии – технологических процессов, осуществляемых на молекулярном уровне. В 1991 году японские ученые на стенках прибора, в котором проводили синтез фуллеренов, обнаружили наночастицы углерода – полые углеродные трубки диаметром 3-10 нм, их стенки состоят всего из нескольких слоев атомов. С одной стороны каждая такая трубка закрывается «крышкой», которая является не чем иным, как фрагментом структуры фуллерена. (Слайд 19- 23).
4. «Аморфный углерод» - как было установлено исследованиями, не является еще одним аллотропным видоизменением углерода, а представляет собой мелкокристаллический графит. Сортами этого углерода являются древесный уголь, кокс и сажа. Древесный уголь получается при нагревании без доступа воздуха древесины. Он применяется в качестве топлива в кузнечных горнах, жаровнях, используется в металлургии при выплавке некоторых цветных металлов и особо чистых сортов чугуна. Однако больше известно применение древесного угля, основанное на его способности к адсорбции – способности поглощать (адсорбировать) различные вещества (газы, растворенные в воде краски и т.д.). Открытое русским химиком Ловицем явление адсорбции широко используется для очистки сахара на рафинадных заводах от веществ, придающих ему желтый цвет; для очистки спирта. Н.Д. Зелинский на основе адсорбционных свойств древесного угля разработал фильтрующий противогаз. (Слайд 24 - 25).
V. Химические свойства углерода.
Учитель: Рассмотрим химические свойства углерода: (Слайд 26-33).
В нормальных условиях углерод химически малоактивен, однако при высокой температуре он реагирует со многими веществами. Самой активной формой является аморфный углерод, менее активен графит, самый инертный – алмаз.
При нагревании углерод соединяются с кислородом, образуя оксид углерода (IV), или углекислый газ:
С + O2 = CO2
При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ:
2С + О2 = 2СО
С водородом углерод соединяется только при высоких температурах и в присутствии катализаторов. В зависимости от температуры образуются различные углеводороды, например, метан:
С + 2H2 = CH4
Углерод взаимодействует при нагревании с серой и фтором, в электрической дуге с азотом:
С + 2S = CS2
С + 2F2 = CF4
2С + N2 = (CN)2
Углерод – сильный восстановитель. При нагревании с водяным паром он вытесняет из воды водород:
Н2O + С = СО + Н2
При нагревании углерода с оксидом углерода (IV) образуется угарный газ:
С + СО2 = 2СО
Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:
2Fe2O3 + 3С = 4Fe + 3CO2
Демонстрационный опыт «Восстановление меди из оксида меди (II) углем»
2CuO + C = CO2 + 2Cu
С металлами или их оксидами углерод образует карбиды:
CaO + 2C = CaC2 + СО
V. Круговорот углерода в природе.
Учитель: (Слайд 34). В земной коре углерода содержится примерно 0,35% по массе. В природе углерод встречается в свободном и связанном состоянии, главным образом в виде карбонатов (мел, известняк, мрамор), в каменных и бурых углях, торфе. Углерод входит в состав нефти, природного газа, воздуха, растений, организмов человека и животных. Его соединения составляют основу живой природы – флоры и фауны. Среди жизненно важных элементов углерод – один из важнейших: жизнь на нашей планете построена на углеродной основе. Почему? Ответ на этот вопрос находим в «Основах химии» Д.И. Менделеева:
«Углерод встречается в природе как в свободном состоянии, в весьма различных формах и видах… Способность атомов углерода соединяться между собой и давать сложные частицы проявляется во всех углеродистых соединениях… Ни в одном из элементов… способности к усложнению не развито в такой степени, как в углероде… Ни одна пара элементов не дает столько много соединений, как углерод с водородом».
Действительно, атомы углерода могут соединяться разнообразными способами между собой и с атомами многих других элементов, образуя огромное разнообразие веществ. Их химические связи могут возникать и разрушаться под действием природных факторов. Так возникает круговорот углерода в природе: из атмосферы – в растения, из растений – в животные организмы, из них – в неживую природу и т.д. Где углерод, там многообразие веществ, где углерод, там самые разнообразные по молекулярной архитектуре конструкции. Неоценимо значение соединений углерода в жизни человека – повсюду нас окружает связанный углерод: в атмосфере и литосфере, в растениях и животных, в нашей одежде и пище. Соединения углерода играют большую роль и в существовании самого человеческого организма.
Домашнее задание. По учебнику О.С. Габриеляна «Химия 9 класс» (М.: Дрофа, 2008) § 29.
Список использованной литературы:
- О.С. Габриелян «Химия 9 класс» ( М.: Дрофа, 2008), учебник для 9 класса.
- О.С. Габриелян «Настольная книга учителя химии. 9 класс», М.: «Блик и К0», 2001 год
- Энциклопедия для детей «Аванта +» «Химия», М.: «Аванта +», 2001 год
- В. Малышкина «Занимательная химия. Нескучный учебник», Санкт-Петербург, «Тригон», 2001 год.
- CD: «Химия–9 («Просвещение»)», мультимедийное учебное пособие нового образца.
- Иллюстрации : ресурсы сети Интернет; Большая Советская Энциклопедия, 1978 год.
Архив презентации с включенным видеофайлом.