"Углерод, его строение, физические и химические свойства"

Тема: Углерод, соединения углерода

Цель: изучить состав и строение атома углерода и его соединений, познакомить с областями применения соединений углерода.

Задачи: 1. Обеспечить усвоение учащимися на уровне восприятия, осмысления и первичного запоминания состава, строения, свойств, применения углерода и его соединений; закрепить знания учащихся об аллотропии.

2.Формировать навыки экспериментальной и самостоятельной работы с учебником и раздаточным материалом, развивать умения наблюдать, делать выводы, формулировать высказывания.

3.Воспитывать бережное отношение е к своему здоровью, окружающей природе, учить понимать прекрасное, ценить произведения искусства.

Оборудование и материалы: компьютер, мультимедийный проектор, ЦОР, учебник химии (9 класс, О. С. Габриелян). Коллекция минералов — карбонатов (мел, мрамор, известняк, кальцит, доломит, сидерит, малахит).

План урока

1.Орг. момент

2.Введение в тему

3.Самостоятельное изучение нового материала

4.Закрепление

5.Итоги урока

6.Домашнее задание

Ход урока:

1. Организационный момент (постановка цели и задач урока).

2. Введение в тему. Элемент, который мы с вами будем изучать, называют некоторые химики, миллионером. Как вы думаете, почему можно назвать химический элемент миллионером? Кроме того, этот химический элемент входит в состав всех растительных и животных организмов и является макроэлементом. Назовите элемент. (Моно задать дополнительные вопросы: Сколько всего макроэлементов, Какие 4 элемента составляют 95% всего живого организма?). Этот элемент – углерод. Сегодня подробно мы с вами с ним и познакомимся.

3. Изучение нового материала

Учитель: Сперва определим положение углерода в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Попытается это сделать Станислав Шемякин
Учащиеся: Второй период, IV группа, главная подгруппа.
Учитель: Вспомним схему строения атома, состав атома (Паторова)
Учащиеся: 6 протонов, 6 электронов, 6 нейтронов Вывод: Углерод – неметалл, относится к р – семейству.
Учитель: Какие степени окисления может принимать углерод? Попытается объяснить Подилкин Михаил
Учащиеся: Углерод проявляет степени окисления от -4 до +4 так как на внешнем уровне у него 4 электрона, которые он может отдавать - процесс окисления и не хватает до завершения уровня тоже4 электрона, которые он может принимать - процесс восстановления.
Учитель: Чем будет являться углерод в окислительно-восстановительных реакциях?
Учащиеся: Углерод может быть и окислителем и восстановителем.
Учитель: Углерод может проявлять любые степени окисления от -4 до +4. все соединения углерода делятся на два особых класса: органические соединения и неорганические. В 9 классе мы изучаем неорганические вещества степенями окисления -4, +2, +4.

4. Простое вешество. Учитель: Строение определяет свойства простых веществ, рассмотрим простые вещества, которые образует химический элемент углерод. Учитель: Какова степень окисления простых веществ?
Учащиеся: Степень окисления простого вещества углерода равна 0.
5. Аллотропия. Строение кристаллических решеток.
Учитель: Сначала давайте вспомним, что такое аллотропия, какие изученные вами элементы обладают этим свойством? (кислород и озон, сера (кристаллическая и пластическая) фосфор (красный и черный), углерод (алмаз и графит)
Учащиеся: Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ называется аллотропией. Эти простые вещества называются – аллотропными видоизменениями или модификациями.

Учитель: Правильно, ребята. Углерод образует несколько аллотропных модификаций : алмаз и графит, но еще незнакомые вам модификации: 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. Кроме того существует «аморфный углерод».
Рассмотрим самостоятельно используя учебник и раздаточный материал физические свойства аллотропных модификаций углерода. Кому какая модификация попадется
6. Физические свойства.
Учащиеся выступают с мини-сообщениями(2-3мин) о разных аллотропных модификациях углерода.
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 700 С, 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». Алмазы – прочные, очень твердые кристаллы. Кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение. Расстояния между всеми атомами углерода одинаковые. Четыре валентных электрона каждого атома углерода в алмазе образуют прочные ковалентные связи друг с другом. В кристаллической решетке алмаза нет свободных электронов, следовательно, алмаз не проводит электрический ток.
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 цветом, но большой чистоты. На нем три надписи на персидском языке. Камень найден в центральной Индии в конце XVI в. До 1595 года хранился у властителей Ахмеднагары, после чего в результате войн, перешел к великим монголам, 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.
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.
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 молекулярной же решетке графита атомы углерода располагаются в параллельных плоскостях по углам правильного шестиугольника. Расстояние между плоскостями значительно больше, чем между соседними атомами в шестиугольнике.  Каждый атом углерода в кристаллической решетке графита образует три прочные ковалентные связи с атомами, расположенные в том же слое. В образовании этих связей участвуют три электрона, а четвертый валентный электрон является относительно свободным. Наличие свободных электронов и обуславливает электропроводность графита. 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.
3).Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9÷2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Карбин— линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полииновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение). Это вещество впервые получено советскими химиками В.В.Коршаком, А.М.Сладковым, В.И.Касаточкиным и Ю.П.Кудрявцевым в начале 60-х гг.. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение— в фотоэлементах.

4). Фуллерены. 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.
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%.
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.
5).Технический углерод (Carbon black) — высокодисперсный аморфный углерод продукт, производимый в промышленных масштабах.«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.

Отдельные учащиеся сообщают об аллотропных модификациях углерода (алмаз и графит). (рассказ сопровождается слайдами)

7. Явление адсорбции. Так вот ребята, для углерода характерно еще одно интересное свойство – адсорбция. Кто знает, что за свойство? Никто? Нестрашно, сейчас и узнаем. Найдите в тексте учебника определение явления адсорбции, внимательно прочитайте. Кто как понял? Виноградов отвечает.

Учитель: Что такое древесный уголь? (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). В аптеках его продают в виде черных таблеток карболена (активированного угля). Слышали, видели? А теперь Яна прочитает отрывок из сказки: «Между тем Рукодельница воротится, воду процедит, в кувшины нальёт, да ещё какая затейница: коли вода нечиста, так свернет лист бумаги, наложит в неё угольков да песку крупного насыплет, вставит ту бумагу в кувшин да нальёт в неё воды, а вода-то знай проходит сквозь песок да сквозь уголья и капает в кувшин чистая, словно хрустальная».
[Демонстрация высокой адсорбционной способности активированного угля. Попробую выступить в роли Рукодельницы. Для этого стеклянную воронку кладу на кольцо и помещаю в неё рыхлый слой ваты, растертый в порошок активированный уголь и немного чистого, сухого песка. Подставляю под кольцо стакан для собирания жидкости. Далее наливаю в воронку чернильную воду. Мы наблюдаем, как в стакан стекает прозрачная, бесцветная жидкость]. Вопрос. Какие методы очистки воды использовала рукодельница? Учащиеся объясняют описанное явление. Отмечают методы очистки веществ – фильтрование, адсорбция (поглощение газообразных или растворенных веществ поверхностью твердого вещества). А теперь попробуйте вы:

Лабораторная работа «Взаимодействие раствора перманганата калия с порошком древесного угля». У вас на столе в пробирке содержится малиновый раствор перманганата калия. Добавьте в нее три таблетки активированного угля. Содержимое пробирки хорошо перемешайте стеклянной палочкой. Что вы наблюдаете? Ответ: (В пробирке с древесным углем наблюдается обесцвечивание раствора вследствие адсорбции перманганата калия на поверхности угля.)

Применение: активированный уголь хорошо применяется в промышленности для очистки многих продуктов, например спирта, сахарного сиропа и т.д. Где еще в настоящее время широко используется явление адсорбции? (Медицина, очистка питьевой воды).

Профессор, в последствии, академик Н.Д. Зелинский, выдающийся химик и ученый, изобрел, провел испытания и в июле 1915 г. Предложил противогаз, действующий на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через противогаз целиком освобождало воздух от ядовитых примесей и предохраняло солдат, защищенных противогазом, от действия газообразных отравляющих веществ.

8. Физкультминутка «Одевание противогаза»: Теперь, все встали и быстро вышли к доске. Для Вас я приготовила сюрприз, правда, не очень приятный - принесла ваши противогазы, быстро разобрали, подготовились, «Газы». По скорости несупер, но в норму уложились, одели правильно. А теперь отбой. Сняли противогазы, положили на место. Эта была физкультминутка.

9. А теперь изучим химические свойства углерода.

(Задание выполняется каждым учащимся самостоятельно и фиксируется в тетради. Около доски работает Кузьмина).

Подумай и предположи, какими химическими свойствами будет обладать углерод. Запиши уравнения химических реакций углерода с кислородом, кальцием, водородом, хлором., концентрированной азотной кислотой, конц. серной кислотой).

10. Открытие углерода. Как вы думаете, когда стал известен людям этот элемент?”
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 флагистона, 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

11. Нахождение в природе.

1. Как вы думаете, встречается ли углерод в природе в свободном виде?

1. Вы уже раньше встречались соединениями, содержащими углерод и встречающимися в природе. Давайте вспомним их.

3.Рассмотрите коллекцию природных соединений углерода. Запиши формулы и названия важнейших соединений углерода.

«Углерод встречается в природе, как в свободном, так и в соединенном состоянии в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен, по крайней мере, в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе, а в виде солей углекислоты и органических остатков в почве и массе земной коры. (Коллекция минералов — карбонатов (мел, мрамор, известняк, кальцит, доломит, сидерит, малахит).

4.Круговорот углерода

5. Проверка знаний

6. Рефлексия

7. Домашнее задание

Пожелание: способность алмаза сильно преломлять лучи света и при огранке красиво блестеть –мы называем бриллиантом. А теперь послушайте высказывание графа Льва Николаевича Толстого: "Каждый человек алмаз, который может очистить и не очистить себя. В той мере, в которой он очищен, через него светит вечный свет. Стало быть, дело человека не стараться светить, а стараться очищать себя".
Как вы понимаете толстовское выражение "каждый человек-алмаз"?
Л.Н. Толстой считал, что человек " может очистить и не очистить себя". От чего это зависит?
Что такое "вечный свет"? Конечно, ребята, очистить себя человек может только человечностью, гуманностью и добротой. Желаю в будущем, чтобы через вас ребята проходило как можно больше света. Помните, что только доброта и человечность спасет мир.