Конспект урока по теме "Углерод. Оксид углерода"

Тема урока: Углерод

Цель урока: рассмотреть строение атома и аллотропные модификации углерода, ознакомиться с явлением адсорбции, сформировать представление о химических свойствах углерода, рассмотреть круговорот углерода в природе.

 Задачи урока:

образовательные: на основе положения углерода в периодической системе, охарактеризовать его строение и свойства; познакомить с явлением адсорбции и его практическим применением; охарактеризовать биологическое значение углерода; применение алмаза и графита;

развивающие: развивать умение владеть химической терминологией, самостоятельной работы с учебником, устанавливать причинно-следственные связи; проводить эксперимент;

воспитательные: способствовать воспитанию аккуратности при выполнении эксперимента; самостоятельности мышления; взаимоуважения, взаимопомощи, терпимости.

Оборудование: модели кристаллических решеток графита и алмаза; образцы изделий из графита (карандаши, электроды) и сажи (тушь, краски, резина); древесный уголь; противогаз; ПСХЭ, штатив, прибор для восстановления меди из оксида меди (II), порошок древесного угля, оксид меди (II), спиртовка, раствор перманганата калия, активированный уголь.

Тип урока: изучение нового материала.

Ход урока:

I.                   Организационный момент

Приветствие учащихся. Проверка готовности класса к уроку. Настрой учащихся на работу.

II. Актуализация знаний.

Вступительное слово учителя (загадка).

Из меня состоит всё живое,
Я - графит, антрацит и алмаз,
Я на улице, в школе и в поле,
Я в деревьях и в каждом из вас. (Углерод)

- Что будем изучать на уроке?

- Что узнали об углероде из загадки?

- Что еще знаете об углероде? А что еще хотели бы узнать?

III. Изучение нового материала.

(слайд 1) 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.

1. Биологическая роль углерода.

Углерод играет особую роль в природе. Все без исключения живые организмы построены из соединений углерода. Особенностью атома углерода является их способность соединяться между собой, образуя сколь угодно длинные цепи, которые могут быть и разветвленными, содержащими миллионы и миллиарды атомов углерода, соединенных с атомами других элементов (самые из известных молекул - это молекулы белков, содержащих до миллиарда углеродных звеньев). Их длина может даже достигать одного метра! Углерод является биогенным элементом.

Углерод входит не только в состав белков, но и жиров и углеводов. Один из представителей класса углеводов - обыкновенный сахар.

Демонстрация опыта: “Обугливание сахара концентрированной серной кислотой”.

С₁₂Н₂₂О_и + 2Н₂S0₄= 2SO₂ +13Н₂O + 11С+ СO₂

Вопросы к опыту:

- Что мы наблюдаем?

- Чем является черное вещество?

- Почему уголь выбрасывает из стакана?

- Какой вывод о составе сахара можно сделать?

2. Строение атома углерода и его свойства на основе его положения в ПСХЭ

Строение и свойства атомов:

(слайд 2) Охарактеризуйте положение углерода в ПСХЭ Д.И. Менделеева: (II период, IV группа главная подгруппа).

Составьте схему строения атома углерода: 1S²2S²2P²

Состав атома-  6 протонов, 6 электронов, 6 нейтронов.

Углерод – неметалл, относится к р – семейству.

Атомы углерода содержат на внешнем энергетическом уровне 4 электрона, поэтому они могут принимать 4 электрона, приобретая степень окисления -4, т.е проявлять окислительные свойства и отдавать свои электроны, т.е проявлять восстановительные свойства , приобретая степень окислении +4.

(слайд 3) 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.

Определите степень окисления углерода в следующих соединениях: CО₂; СО; Al₄C₃.

3. Аллотропия углерода.

Сообщения учащихся: а) алмаз; б) графит;

Вспомните явление аллотропии, характерной для многих элементов – неметаллов.

Способность атомов одного химического элемента образовывать несколько простых веществ. Эти простые вещества называются – аллотропными видоизменениями или модификациями.

(слайд 4) 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 5) 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».

 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» (слайд 6), 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 7) 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! (слайд 8) Собрание исторических бриллиантов и изделий из них хранится в Алмазном фонде Оружейной палаты Московского Кремля и золотых кладовых Санкт-петербургского Эрмитажа (слайд 9)

(слайд 10) 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 11) 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 12) 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 13) 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.

 «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.

 Адсорбция и её применение

- Что такое адсорбция? Где используют это свойство? (Способность поглощать газы и растворенные вещества). Древесный уголь получают при сухой перегонки древесины, чем больше пористость древесного угля тем, тем эффективнее адсорбция. Чтобы увеличить поглотительную способность древесный уголь обрабатывают горячим водяным паром. Такой уголь называют активированным .

(слайд 14) Активированный уголь широко применяется в промышленности для очистки многих продуктов, например, спирта от сивушных масел, сахарного сиропа от окрашенных веществ, для улавливания бензина из природных газов. Способность угля к адсорбции была использована Н.Н. Зелинским в противогазе, изобретённом им впервые в Росси.

- С какой целью используют активированный уголь в медицине? Как вы думаете, почему?

Проведение лабораторного опыта “Обесцвечивание раствора перманганата калия активированным углём”

4. Химические свойства углерода

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.

(слайд 15) 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

(слайд 16) 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

Ca + 2C = CaC₂ (карбид кальция)

5. Круговорот углерода в природе (сообщение учащегося)

 (слайд 17) 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: Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета.

Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO2).

Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений.

 Далее возможно несколько вариантов: углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищу редуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты.

В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO₂; растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями); растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

IV.            Закрепление  материала.

Таким образом: углерод может проявлять окислительные и восстановительные свойства; для углерода характерны степени окисления + 4, + 2, 0, - 4; имеет аллотропные модификации.

1.      Дописать уравнения реакции:

С + 2S = CS₂

С + 2F₂ = CF₄

2Fe₂O3 + 3С = 4Fe + 3CO₂

CaO + 2C = CaC₂ + СО

2.      Решить задачу № 6 на стр.241.

3.      Рассмотреть основные области применения углерода (слайд 18).

V. Рефлексия.

Закончите фразы:

- Сегодня на уроке я узнал (а) …

- Сегодня на уроке я научился (ась)…

- Особенно меня поразило…

- Мне было трудно…

VI. Домашнее задание.