Разработка урока химии в 9 классе на тему "Химический элемент "Углерод" и его аллотропные модификации"

9 класс

Урок 37.

Тема урока: Углерод

Цели урока: изучить строение атома углерода и его химические свойства свойства, познакомить с аллотропными видоизменениями, которые образует углерод, рассмотреть строение и свойства алмаза и графита, познакомить их практическим значением, дать понятие об аморфном углероде и его сортах, познакомить учащихся с явлением адсорбции и его практическим значением.

продолжать развивать понятие - химическая реакция, степень окисления химических элементов и ее значение, отрабатывать умения и навыки в расстановке коэффициентов в уравнениях, развитие понятия химический элемент и простое вещество на основании уже имеющихся знаний о строении атома химического элемента и зависимости свойств химического элемента от положения его в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, развивать самостоятельность учащихся в работе с учебником, с научно-популярной литературой, художественными произведениями, продолжить формирование умений наблюдать, сравнивать, делать выводы на основе результатов своих собственных исследований, развивать познавательную активность учащихся в работе.

воспитание и развитие навыков индивидуальной работы, развитие коммуникативных способностей учащихся, формирование умений работать с Периодической системой химических элементов Д.И.Менделеева, воспитание бережливости и аккуратности.

Учащиеся должны знать: характеристику углерода, как химического элемента и простого вещества, его аллотропные видоизменения и их практическое значение, понятие адсорбции и его практическую направленность.

Учащиеся должны уметь: доказывать химические свойства углерода, как простого вещества, записывать уравнения химических реакций, пользоваться методом расстановки коэффициентов в результате составления схем электронного баланса, сравнивать и анализировать учебный материал, пользоваться Периодической системой химических элементов Д.И.Менделеева, воспитание бережливости и аккуратности, используя при этом ранее полученные знания.

Методы: словесный – беседа, рассказ,

наглядно-иллюстративные – демонстрация таблиц, моделей кристаллических решёток углерода,

практический – решение задач.

Оборудование: Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева, модели кристаллических решёток углерода - алмаза и графита, активированный уголь, древесный уголь.

Ход урока: 1. Организационная часть урока.

2. Проверка знаний учащихся.

Вопросы и задания опроса:

1.Запишите уравнение химической реакции с точки зрения электролитической диссоциации между хлоридом меди (II) и карбонатом натрия.

 

2. Запишите уравнение химической реакции каталитического окисления аммиака и разберите его с точки зрения окислительно-восстановительного процесса.

 

3.Вопросы:

       - Что называют химическим элементом? 

(Химический элемент – это атомы одного вида, имеющие одинаковый заряд ядра).

     - В каких формах существует химический элемент?

(Химический элемент существует в трех формах: свободные атомы, простые вещества, сложные вещества).

-  Какие вещества называют сложными? 

(Сложными называют вещества, молекула которых образована атомами разных химических элементов).

   -    На какие классы делятся сложные вещества?

 (Сложные вещества делятся на четыре класса: оксиды, основания, кислоты, соли).

    -  Какие вещества называют солями? 

(Соли – это сложные вещества, молекула которых состоит из атомов металла и кислотных остатков).

       -  Какие вещества называют кислотами? 

(Кислоты – это сложные вещества, молекула которых состоит из атомов водорода и кислотного остатка).

      -  Какие вещества называют оксидами?

 (Оксиды – это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых кислород со степенью окисления – 2).

      -  Какие вещества называются простыми? 

(Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного химического элемента, называются простыми).

3. Изучение программного материала.

1.Подгруппа углерода. Общая характеристика химических элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу элементов четвертой группы периодической системы составляют: углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (Рb). На внешнем уровне у них по четыре электрона, электронные конфигурации имеют вид: nS²nP². Они в соединениях проявляют степени окисления от –4 до +4. Сверху вниз в подгруппе металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают. Углерод и кремний являются типичными неметаллами, германий проявляет амфотерные свойства, а олово и свинец являются типичными металлами.

Углерод существует в следующих аллотропных модификациях: алмаз, графит, карбин. В 1990 г. из сажи, образованной при испарении графита в электрической дуге в атмосфере гелия, была выделена новая форма С – фуллерен С₆₀.

Подгруппа углерода – IV группа, главная подгруппа - «А» - углерод, кремний, германий,

олово, свинец.

 Строение атомов химических элементов углерода и кремния

Название химического элемента	Схема строения атома	Электронное строение последнего энергоуровня	Формула высшего оксида RO2	Формула летучего водородного соединения RH4
1. Углерод	C+6 )2 )4	…2s22p2	C+4O2	C-4H4
2. Кремний	Si +14)2 )8 )4	…3s23p2	Si+4O2	Si-4H4

Как видно из схем строения атомов, на внешнем энергетическом уровне этих элементов находится 4 электрона, поэтому, углерод и кремний проявляют степень окисления +4 и -4.

Из схемы видно, что у тома углерода два неспаренных электрона на внешнем уровне ( аналогично и у кремния). Этим объясняется, что углерод и кремний могут иметь степень окисления +2 (Например, СО – угарный газ). Переходя в возбуждённое состояние, один из s-электронов может перейти на свободную p-орбиталь. Тогда в атомах появляется 4 неспаренных электрона и степень окисления равна +4 и – 4.

Изменение свойств в подгруппе.

В подгруппе углерода с ростом порядкового номера заряд ядра атомов увеличивается, число электронов на внешнем уровне постоянно, число энергетических уровней в атомах растёт и радиус атома увеличивается от углерода к свинцу, притяжение отрицательных электронов к положительному ядру ослабевает и  способность к отдаче электронов увеличивается, и, следовательно, в подгруппе углерода с ростом порядкового номера неметаллические свойства убывают, а металлические усиливаются.

С и Si – неметаллы, Ge – полупроводник, Sn и Pb – металлы.

2.Положение атома углерода в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

1. Химический знак – С
2. Порядковый номер – 6
3. Атомная масса – 12,01
4. Углерод находится в IV группе, гл. подгруппе, 2 малый период.

3. Строение атома углерода

• Заряд ядра атома +6
• Состав ядра: 6 протонов и 6 нейтронов ,12
• Электронная оболочка: 2е,4е

Электронная формула: ₊₆ С 2е;4е

₊₆ С 1S² 2S²2р²

Из схемы видно, что у атома углерода два неспаренных электрона. Следовательно, углерод в этом случае имеет валентность равную двум и степень окисления +2. Например, в оксиде

 С⁺²О^-2. Но при  притоке энергии один из s-электронов может переходить на свободную

 р-орбиталь. Тогда образуется 4 неспаренных электрона. Повышается валентность до 4 и степени окисления оказываются равными +4 и -4. Например в веществах С⁺⁴О₂^-2 и С^-4Н₄⁺.

                                        +6  С     2е,4е ,  1s²2s¹2p³

Семейство – р-элемент

Важнейшие степени окисления:   – 4; 0; +4.

Характер элемента –  Углерод неметалл.

+4 е С - 4е

окислитель с Ме и Н₂ восстановитель с НеМе

Mg₂С; СH ₄ СCl₄

    Вывод: Углерод отдавая все внешние электроны элементам, окисляется, переходя в С⁺⁴. Принимая 4 электрона на свой внешний электронный уровень от более сильных восстановителей, он восстанавливается до С^-4.

4. Углерод в природе, аллотропия углерода.

Все вы знаете алмаз.

Уголь видели не раз,

Черный уголь антрацит,

Хорошо в огне горит.

Я в строительство пришел,

Примененье там нашел,

И куда я не пойду,

Всюду людям помогу!

Знаю, что ты – углерод,

Отепляешь весь народ,

Ты тепло приносишь людям,

И тебя мы не забудем.

Итак, углерод – это царь живой природы, хотя в природе его находится только 0,35%.

Углерод в природе находится как в свободном виде, так и в виде соединений. В свободном виде углерод встречается в виде графита и алмаза, а в виде соединений в живых организмах. Его соединения составляют основу живой природы – флоры и фауны. Каменный уголь, торф, нефть содержат углерод. В земной коре содержится 0,23% углерода по массе. Природными неорганическими соединениями углерода являются – карбонаты. Их содержание в земной коре 10 в 16 степени тонн. Основным карбонатным материалом является кальцит CaCO3, который образует известняк, мел, мрамор. Много углерода и в горючих ископаемых: углях (99%), нефти, торфе (57%), сланцах, природных газах. Некоторые каменные угли – антрациты – содержат до 98% чистого углерода.

5. Аллотропные видоизменения углерода.

Чистый углерод встречается в виде двух модификаций: алмаза и графита. Обе они известны человеку с давних времен. В 1797 г. Лавуазье доказал, что алмаз и графит представляют собой углерод. Через 10 лет Теннант обнаружил, что при сжигании одинаковых масс алмаза и графита выделяется одинаковое количество СО₂.

Графит.

Графит – кристаллическое вещество серого цвета с металлическим блеском. Графит имеет строение слоистой гексагональной кристаллической решетки. Он проводит электрический ток, мягок, легко измельчается.

В природе графит встречается в кристаллическом виде. Наиболее известен чешуйчатый графит, кристаллы которого представляют собой мелкие чешуйки. Множество подобных мелких чешуек оставляет на листе бумаге грифель карандаша. Другая разновидность графита – скрытокристаллический или аморфный. Его кристаллы настолько малы, что их можно обнаружить только при помощи микроскопа.

     Графит – вещество темно-серого или черного цвета, имеет металлический блеск, плавится при температуре 3800 градусов, хорошо проводит тепло и электрический ток, в химическом отношении инертен.

    Графит имеет магматическое происхождение или образуется в результате метаморфизма углей и даже известняков под воздействием высоких температуры и давления.  Беря в руки карандаш, и не подумаешь, что его графитовый стержень родился из растения.

    Человек издревле применял графит в качестве красящего вещества, для изготовления огнеупорных сосудов, а с 16 века в качестве грифелей для карандашей. Сейчас спектр применения гранита значительно расширился: его используют не только для изготовления карандашей, но и в литейном деле, порошковой металлургии, электротехнике, производстве смазочных материалов, красок, замедлителей нейтронов для атомных реакторов. Из графита получают искусственные алмазы, полупроводники.

Структурная формула участка одного углеродного слоя графита (а) и пространственное расположение атомов в кристаллической решетке графита (б). Внутри слоев атомы углерода связаны друг с другом прочными ковалентными связями, а между слоями действуют гораздо более слабые силы межмолекулярного взаимодействия.

Алмаз.

Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе. Алмаз  имеет кристаллическое строение тетраэдра, где один атом углерода находится в центре, а в четырех вершинах тоже по атому углерода. Каждый атом углерода связан с четырьмя соседними прочными ковалентными связями. Такое строение обусловливает высокую твердость алмаза. Он не проводит электрический ток.

Алмаз – самый твердый материал на Земле, недаром  в переводе с арабского это слово означает «твердый». По твердости он в 1000 раз превосходит кварц и в 150 раз – корунд, который занимает второе место в шкале твердости. Это свойство сочетается с высокой механической прочностью, устойчивостью к химическим реагентам: кислоты и щелочи на алмаз не действуют. Все эти особенности связаны с тем, что алмаз – чистейший углерод с особой кристаллической структурой.

   И еще одно качество этого камня – редкость. Среди природных алмазов преобладают мелкие, крупные – большая редкость, алмазы в сотни карат уникальны, поэтому им присваивают собственные имена.

   В витринах Алмазного фонда в Москве размещено более 500 крупных ювелирных алмазов: «Звезда Якутии» (232 карата) , «Большая Медведица» (114 карат), «Мария» (106 карат). А самый крупный алмаз «Имени 26 партсъезда», найденный в 1981 году, имеет массу 68,5г. здесь же хранится  известный во всем мире прозрачный с голубовато-зеленым оттенком бриллиант «Орлов». Еще один алмаз, оставивший заметный след в истории, носит название «Шах» (88,7 карата). Он прозрачный с желтоватым оттенком, по форме напоминает саркофаг.

  Говорят, что три главных достоинства настоящего драгоценного камня – это красота, долговечность, редкость. Луч света преломляется в алмазе и, отражаясь от многочисленных граней, радужно сверкает. Эта праздничная игра света и сделала его королем драгоценностей.

    Техника 21 века с ее высокими требованиями к качеству немыслима без алмазов. В технических целях для изготовления режущих инструментов используют мелкие и непрозрачные камни. Алмазными коронками бурят сверхглубокие скважины.

Структурная формула алмаза (а) и строение его атомного кристалла (б). Атомы углерода образуют изогнутые шестичленные кольца. При этом каждый атом углерода находится в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого - другие углеродные атомы. связанные с ним ковалентными связями. Углы между связями составляют 109^о - как в математическом тетраэдре.

Карбин 

Карбин  - представляет собой линейный полимер с чередующимися простыми и тройными связями, проявляет полупроводниковые свойства. Чёрный порошок; ρ = 2 г/см³; полупроводник.

Состоит из линейных цепочек  –C≡C–C≡C–  и  =С=С=С=С=.

При нагревании переходит в графит.

 В конце 80-х годов XX века было обнаружено ещё одно аллотропное видоизменение – фуллерит. Он, в отличие от алмаза и графита, имеет не атомную, а молекулярную кристаллическую решётку.

Атомы углерода могут образовывать также полые трубки – так называемыенанотрубки. В настоящее время фуллерены и нанотрубки рассматриваются в качестве основы для технологий будущего.

Соединения углерода весьма распространены: все живые организмы, каменный уголь, торф, нефть и др. содержат углерод. Углерод входит в состав многих неорганических веществ (известняк, мел, мрамор).

6. Химические свойства углерода.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА

Углерод — малоактивен, на холоде реагирует только со фтором; химическая активность проявляется при высоких температурах.

С – восстановитель С0 – 4 е-→ С+4 или С0 – 2 е-→ С+2

С – окислитель С0 + 4 е-→ С-4

1. с кислородом C0 + O2  t˚C → CO2      углекислый газ при недостатке кислорода наблюдается неполное сгорание образуется угарный газ: 2C0 + O2  t˚C → 2C+2O 2.   со фтором С + 2F2 → CF4 3. с водяным паром C0 + H2O  t˚C →  С+2O + H2     водяной газ 4.    с оксидами металлов С + MexOy = CO2 + Me C0 + 2CuO  t˚C → 2Cu + C+4O2 5.    с кислотами – окислителями: C0 + 2H2SO4(конц.) →  С+4O2­ + 2SO2­ + 2H2O С0 + 4HNO3(конц.) →  С+4O2­ + 4NO2­ + 2H2O

1. с некоторыми металлами образует карбиды 4Al + 3C0   t˚C →    Al4C3-4 Ca + 2C0   t˚C →    CaC2-1 2.  с водородом C0 + 2H2 t˚C →  CH4

Вывод: Углерод проявляет как восстановительные, так и окислительные свойства,

самой распространенной является реакция взаимодействия углерода с кислородом, в результате которой образуются два оксида СО – угарный газ и СО₂ – углекислый газ.

7. Адсорбция углерода.

Адсорбция - поглощение газообразных или растворённых веществ поверхностью твёрдого вещества.

Обратный процесс — выделение этих поглощённых веществ — десорбция.

Применение адсорбции: очистка от примесей в производстве сахара,

для защиты органов дыхания –противогазы,

в медицине -таблетки «Карболен».

 

8. Круговорот углерода в природе.

В атмосфере содержится углекислый газ. Это соединение образуется при дыхании живых организмов и при сгорании топлива. Поэтому в городской местности, вблизи фабрик и заводов, из-за огромного количества транспорта углекислого газа, конечно, же больше, чем в сельской местности. Он образуется при тлении и гниении органических веществ. Гораздо больше, чем в воздухе, углекислого газа содержится в водах морей и океанов. Углерод – составная часть каменного угля, торфа, нефти. Все перечисленные источники углерода участвуют в круговороте его в природе. Из атмосферы и природных вод углекислый газ поглощается зелеными растениями (фотосинтез), а в результате процессов дыхания, брожения, гниения, он снова поступает в атмосферу и воды морей и океанов. Очень большие количества Углекислого газа выделяются при извержении вулканов.

9. Применение углерода.

Алмазы широко применяются для резки горных пород и шлифования особо твердых материалов. Из алмазов при огранке делают ювелирные украшения. Графит применяют для изготовления инертных электродов и грифелей карандашей. В смеси с техническими маслами в качестве смазочного материала. Из смеси графита с глиной изготавливают плавильные тигли. Графит используют в ядерной промышленности, как поглотитель нейтронов.

Кокс применяют в металлургии, как восстановитель. Древесный уголь – в кузнечных горнах, для получения пороха (75%KNO₃ + 13%C + 12%S), для поглощения газов (адсорбция), а также в быту. Сажу применяют, как наполнитель резины, для изготовления черных красок – типографская краска и тушь, а также в сухих гальванических элементах. Стеклоуглерод применяют для изготовления аппаратуры для сильно агрессивных сред, а также в авиации и космонавтике.

Активированный уголь поглощает вредные вещества из газов и жидкостей: им заполняют противогазы, очистительные системы, его применяют в медицине при отравлениях.

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ.

Древе́сный у́голь — микропористый высокоуглеродистый продукт, образующийся при разложении древесины без доступа воздуха. Применяется в производстве кристаллического кремния, сероуглерода, чёрных и цветных металлов, активированного угля и т. д., а также как бытовое топливо (удельная теплота сгорания 31,5—34 МДж/кг).

В произведении Ж.Верна «Таинственный остров» говорится: «Уголь – ценнейшее из полезных ископаемых и природа как будто решила доказать это, создав алмаз, ибо он, в сущности не что иное, как кристаллический углерод ».

Древесный уголь получают при нагревании без доступа воздуха. Этот уголь благодаря своей пористой поверхности обладает замечательной способностью поглощать газы и растворенные вещества. Именно это свойство называется адсорбцией. Чем больше пористость угля, тем эффективнее адсорбция. В аптеках его продают в виде черных таблеток карболена (активированный уголь).

Очень интересно описано подобное свойство углерода в сказке В.Ф.Одоевского «Мороз Иванович»: «…между тем Рукодельница воротится, воду процедит, в кувшин нальет, да еще какая

затейница: коли вода не чиста, так свернет лист бумаги, наложит в нее угольков, да песку крупного насыплет, вставит ту бумагу в кувшин, да нальет в нее воды, а вода - то, знай, проходит сквозь песок и угли и капает в кувшин чистая, словно хрустальная…».

Активированный уголь хорошо применяется в промышленности для очистки многих продуктов, например спирта, сахарного сиропа и т.д. На основе адсорбционных свойств древесного угля русский химик-органик – Н. Д. Зелинский совместно с инженером А. Кумантом в 1915г. создал фильтрующий противогаз (если внимательно рассмотреть устройство противогаза, можно обнаружить фильтрующую коробку, половина объема которой занимает активированный уголь).

И в заключении хотелось бы зачитать слова И.Ефремова «Звездные корабли»:

«.. доказана общность химических и физических законов во всех глубинах мирового пространства… живое вещество, состоящее из наиболее сложных молекул, в основе своей должно иметь углерод – элемент, способный образовывать сложные соединения».

4.Закрепление материала.

Вопросы и задания:

1. Закончите уравнения реакций, составьте электронный баланс, укажите окислитель и восстановитель для каждой реакции:

С+О_{2 (изб)} =

С+О_{2 (недост)}=

С + H₂ =

C + Ca =

C + Al =

2. Составьте уравнения реакций, протекающих при нагревании угля со следующими оксидами: оксидом железа (III) и оксидом олова (IV). Составьте электронный баланс для каждой реакции, укажите процессы окисления и восстановления; окислитель и восстановитель.

3. Определить степень окисления углерода в соединениях:

CO, CaCO₃, CaC₂ ,CO₂, Na₂CO₃, CH₄ .

4. Выполнить схему электронного баланса ОВР, указать окислитель и восстановитель:

Ca + C → CaC₂ ;

CO₂ + C → CO.

Конец урока.