Конспект урока химии "Аллотропия"

Тема урока:  «Аллотропия. Аллотропные модификации неметаллов».

Цель:

·      Ознакомить обучающихся с явлением аллотропии.

·      Активизировать знания обучающихся, полученные при изучении основ химии в 9 классе.

·      Формировать у обучающихся преставления о единстве материи.

Оборудование:

1.                  Шаростержневые модели.

2.                  Портреты ученых- химиков.

3.                  Образцы  веществ.

4.                  Оборудование для демонстрации их свойств

План.

1.                  Организационный момент.

2.                  Тема и цель.

3.                  Актуализация.

4.                  Развитие познавательного интереса. Мотивация. 

5.                  Основная часть.

6.                  Закрепление. Тренировочные задания ЕГЭ.

7.                  Вывод по уроку.

8.                  Домашнее задание.

9.                  Итоги урока.

Ход урока:

1.                  Организационный момент.

2.                  Тема и цель.

3.                  Актуализация.

4.                  Развитие познавательного интереса. Мотивация. 

5.                  Основная часть.

6.                  Аллотропия – способность одного химического элемента образовывать несколько простых веществ.

Простые вещества, образованные одним химическим элементом, называются аллотропными видоизменениями или аллотропными модификациями. Эти простые вещества различаются по составу молекул, по форме кристаллических решеток, по свойствам.

Аллотропные видоизменения кислорода

Аллотропные видоизменения серы
Аллотропные видоизменения углерода

Аллотропные видоизменения фосфора

Информация

Углерод занимает шестую позицию в таблице Менделеева; его атомная масса равна 12,011. При обычных условиях он химически инертен, при высоких температурах соединяется со многими элементами. Температура плавления углерода равна 4020 градусов Кельвина. В природе известны в основном две кристаллические формы углерода — алмаз и графит.

Алмаз — полиморфная модификация углерода; в виде кубической сингонии алмаз бесцветен, но его октаэдрические кристаллы приобретают окраску. Плотность алмаза равна 3, 5 грамма в кубическом сантиметре. Он — самый твердый природный материал, обладает высоким показателем оптического преломления и в виде крупных кристаллов относится к числу драгоценных камней. Алмаз — полупроводник.

Графит — наиболее распространенная и устойчивая гексогональная полиморфная модификация углерода, имеющая чешуйчатые агрегаты. Цвет графита — от темно-серого до черного. Его плотность равна 2,2 грамма в кубическом сантиметре. Графит огнеупорен (изделия из него выдерживают температуру в 3700 градусов Цельсия) и вообще химически стоек; он обладает электропроводностью. В технике он используется в качестве твердой смазки.

Известны также линейные полимеры углерода — карбин и поликумулен; они представляют собой высокопрочные нити, которыми армируют композиционные материалы. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами: под действием света его проводимость сильно увеличивается.

В начале 60-х годов советские химики В. В. Коршак, А. М. Сладков и В. И. Касаточкин каталитическим окислением ацетилена синтезировали «одномерный» полимер элемента № 6 и назвали его карбином (корень «карб» от сагboneum — углерод, а окончание «ин» принято в органической химии для веществ, содержащих тройные связи). Атомы углерода соединены в цепочку строго чередующимися одинарными н тройными связями. Внешний вид карбина не очень впечатляющ: черный мелкодисперсный порошок, обладающий полупроводниковыми свойствами. Его электропроводность заметно возрастает при освещении. На этом основаны первые практические шаги по использованию нового материала в технике. Карбиновые фотоэлементы надежны вплоть до 500 градусов, превосходя в этом смысле другие подобные приборы.

История химии знает немало примеров, когда какое-нибудь вещество, полученное в лаборатории, находили затем в природе. Так случилось и с карбином. В журнале «Сайенс» было опубликовано сообщение, что в кратере Рис, расположенном недалеко от Мюнхена, ученые обнаружили минерал, состоящий практически из чистого углерода. Ко всеобщему удивлению его структура ничуть не напоминала ни алмаз, ни графит. А вот с карбином у него много общего, и прежде всего — одинаковая структура элементарной ячейки. Правда, параметры граней решетки различны, но величины их кратные. Кроме того, вещество из кратера Рис серого цвета. Такие расхождения легко объясняются хотя бы с той точки зрения, что сравниваемые соединения — полимеры, свойства которых в значительной мере зависят от степени полимеризации. К тому же если это не алмаз и не графит, согласитесь, ему нечем быть, кроме как природным карбином.

Так оно и оказалось. Дифракция рентгеновских лучей в углероде, найденном в Баварии, и в углероде, синтезированном в лаборатории, практически одинаковая. Кстати, совсем недавно  ученые из графита с помощью лазерного луча идентифицировали микрокристаллы белого карбина. А в Институте физики высоких давлений попробовали было превратить карбин в алмаз по проверенной на графите схеме, но тщетно. Впрочем, так оно должно и быть. Ведь теоретические расчеты как раз и говорят о наибольшей термодинамической устойчивости новой формы элементарного углерода. Кроме того, ожидается, что нитевидные кристаллы карбина окажутся самыми прочными материалами на Земле.
Учеными синтезирован еще один линейный полимер углерода, названный поликумуленом. От карбина он отличается тем, что связи между атомами углерода в новом веществе исключительно двойные. Это открытие ничуть не противоречит теории, которая допускала возможность существования такого соединения.

Особое место среди аллотропических модификаций углерода занимает алмаз — самое твердое вещество в природе. В прежние времена из него делали только украшения — бриллианты. Для этой цели на камнях шлифовали новые грани, которые подбирались таким образом, чтобы падающий свет полностью отражался, а потеря материала была минимальной.

В природных кладовых наряду с бесцветными встречаются окрашенные алмазы: фиолетовые, коричневые, светло-синие, бледно-зеленые, желтые. В Бразилии найдены даже черные камни — карбонадо. Самыми дорогими считаются совершенно прозрачные самоцветы — «чистой воды». Этому требованию удовлетворяет лишь двадцатая часть всех добываемых алмазов. Остальные тусклые, свинцово-серые камни употребляются для технических целей.

Резец из самого твердого сплава — карбида вольфрама — выдерживает 1500—1600 километров «рабочего пути». Алмазный же резец пробегает свыше 6000 километров! С помощью алмаза весом в один карат (0,2 грамма) можно протянуть столько проволоки, что ее длина почти составит расстояние от Земли до Луны, или изготовить несколько тысяч камней для часов, или нарезать миллион погонных метров стекла.

Мы часто говорим о молекулах — мельчайших скоплениях вещества. А можно ли увидеть простым глазом такую частичку, положить на ладонь? Вы недоверчиво улыбнетесь, чувствуя какой-то подвох. Но это не шутка. Воспользуемся традиционным приемом популярной литературы и приведем такой пример. Да, молекулу можно не только увидеть, но и при удобном случае подержать в руках. Лучи Рентгена открыли нам очень любопытную картину: оказалось, что алмазный кристалл представляет собой... одну молекулу! Причем каждый атом равноудален от четырех других, расположенных тетраэдрически. Силы, действующие между ними, очень велики, чем и объясняется большая твердость и химическая стойкость алмаза. Достаточно сказать, что ни один химический агрессор не сумел подобрать к нему ключей.

С незапамятных времен люди знают этот драгоценный камень. В ведах, написанных ранее VI века до нашей эры, индусы упоминают о его чудесном сверкании. В более поздних произведениях («Брхатсанхита») описываются другие свойства алмаза. Хорошо знали его и древние греки. У Теофаста, жившего в IV веке до нашей эры, встречается термин «аламас», что в буквальном переводе означает «несокрушимый».

Крупные алмазы встречаются очень редко. Все они имеют собственные имена, и «биография» каждого связана с переходами от одного владельца к другому. Не случайно этот красивейший самоцвет часто называют камнем раздора. Из-за него люди совершали тягчайшие преступления и не стеснялись в выборе средств, пытаясь любой ценой заполучить желаемое. Англия растоптала две бурские республики — Оранжевую и Трансвааль в Южной Африке — только потому, что на их территории были обнаружены алмазные россыпи. За кровь убитого поэта и дипломата А. С. Грибоедова правитель Персии «расплатился» с русским царем крупным индийским алмазом «Шах»...

В 1905 году найден самый большой из всех известных сейчас алмазов. Назвали его «Куллинан», по имени одного из владельцев месторождения. Весил он более 600 граммов. Но из-за нескольких трещин, которые были в камне, его не удалось огранить без потерь. После специальной обработки ювелиры вырезали более сотни бриллиантов, и самый крупный из них — «Звезда Африки» — имеет форму капли и весит около 500 каратов. Второй по величине алмаз, найденный в природе, — «Эксцельсиор» — до обработки весил почти 200 граммов.

По предположениям ученых, месторождения алмазов — глубины нашей планеты, где действуют огромные температуры и давления. Иногда магма выплескивается оттуда в виде узкой, расширяющейся кверху кимберлитовой трубки. Такие выходы есть на юге Африки и в Бразилии, на территории нашей страны — в Якутии. Месторождение это считается богатейшим. Но не забывайте: на каждую тонну добытой породы приходится всего один грамм алмазов! Гора рождает мышь...
Впервые фуллерены синтезированы в 1985 Робертом Керлом, Харолдом Крото и Ричардом Смолли (получившими за это открытие Нобелевскую премию по химии в 1996). Названы в честь инженера и дизайнера Р. Бакминстеру Фуллеру, который строил свои конструкции по этому принципу. В 1992 фуллерены обнаружили в породах докембрийского периода. Установлено, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, легко образуются в дуговом разряде на графитовых электродах. Самый распространенный и симметричный фуллерен - С₆₀ (футболен, букибол, букминстерфуллерен), состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч. Следующим по распространенности является фуллерен C₇₀ (регбен), отличающийся от фуллерена C₆₀ вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C₆₀, в результате чего молекула C₇₀ оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игру в регби. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и Фуллереновая химия - одна из самых бурно развивающихся областей современной органической химии.

Метастабильность — состояние неустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время.

Сингония — форма элементарной ячейки кристалла.

Дефект структуры — нарушение идеальной периодичности кристаллической решётки.

Метаморфизм — процесс твердофазного минерального и структурного изменения горных пород под воздействием температуры и давления в присутствии флюида (вещества с параметрами выше критических).

Импактный метаморфизм — процесс преобразования структуры и минерального состава горных пород в результате падения крупных метеоритов на поверхность Земли.

Подавляющее большинство ювелирных алмазов — алмазы жёлтого и коричневого цвета. Для алмазов жёлтых оттенков характерен дефект структуры. В зависимости от концентрации этих дефектов возможны оттенки жёлтого цвета от едва уловимых до ясно видимых. В бесцветных алмазах, в которых даже спектрофотометром не удается зафиксировать наличие дефектов, они также могут присутствовать, если присутствует голубая люминесценция.

Каждый цветной бриллиант — совершенно уникальное произведение природы. Существуют редкие цвета алмазов: розовый, синий, зеленый и даже красный.

Алмаз — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет назад алмазы в промышленных масштабах добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовые трубки, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях.

О происхождении и возрасте алмазов до сих пор нет точных научных данных. Учёные придерживаются разных гипотез — магматической, мантийной, метеоритной, флюидной, есть даже несколько экзотических теорий. Большинство склоняются к магматической и мантийной теориям, к тому, что атомы углерода под большим давлением (как правило, 50000 атмосфер) и на большой (примерно 200 км) глубине формируют кубическую кристаллическую решётку — собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых «трубок взрыва».

Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.

Известны метеоритные алмазы, внеземного происхождения. Алмазы также образуются при ударном метаморфизме при падении крупных метеоритов.

Карбин — аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной –С≡С–С≡С–, или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.

Структуру карбина образуют атомы углерода, собранные в цепочки двойными связями (β-карбин) или чередующимися одинарными и тройными связями (α-карбин). Полимерные цепочки имеют химически активные концы (т. е. несут локализованный отрицательный заряд) и изгибы с цепочечными вакансиями, в местах которых цепочки соединяются между собой за счет перекрывания π-орбиталей атомов углерода. Важное значение для образования сшивок имеет присутствие таких примесей металлов, как железо, калий.

На основании результатов дальнейших исследований структуры кристаллического карбина была предложена модель его элементарной ячейки. Согласно этой модели она составлена параллельными цепочками углерода, имеющими зигзаги, благодаря которым ячейка оказывается двухслойной. Толщину одного слоя составляет цепочка из шести атомов углерода.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью. Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Основной из существующих в настоящее время способов получения графена, в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния гораздо ближе к промышленному производству. Поскольку графен впервые был получен только в 2004 году, он ещё недостаточно хорошо изучен и привлекает к себе повышенный интерес.

Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, отличные от других двумерных систем, электрофизические свойства.

С, Р,

7.                  Закрепление. Тренировочные задания ЕГЭ.

8.                  Вывод по уроку.

a)                  Аллотропия- это (от алло... и греч. tropos - поворот - свойство), существование химических элементов в виде двух или более простых веществ. Может быть обусловлена образованием молекул с различным числом атомов (напр. кислород O₂ и озон O₃) либо кристаллов различных модификаций (напр., алмаз и графит, состоящие из атомов углерода). В последнем примере аллотропия - частный случай полиморфизма.

b)                   Аллотропные видоизменения кислорода-

c)                  Аллотропные видоизменения серы-

d)                  Аллотропные видоизменения фосфора-

e)                  Аллотропные видоизменения углерода-

9.                  Домашнее задание.

10.               Итоги урока.