План-конспект
урока по теме: «Углерод»
Цели урока: изучить аллотропные модификации углерода,
их физические, химические свойства и их применение. Познакомить учащихся с
понятием «адсорбция».
Задачи урока.
1.Образовательные:
систематизировать знания о строении атома,
окислительно-восстановительных свойствах неметаллов, составлять
окислительно-восстановительные реакции.
2.Развивающие:
развивать самостоятельность мышления, навыков
исследовательской деятельности, интерес к изучаемому предмету.
3.Воспитывающие:
воспитывать самостоятельность и интерес к предмету;
формировать у учащихся навыки взаимоотношения и сотрудничества.
Оборудование и реактивы. Модели кристаллических
решеток алмаза и графита, электронная презентация, раствор лакмуса, чернила, стакан,
активированный уголь, воронка, фильтровальная бумага.
Ход урока.
І. Организационный
момент.
ІІ. Изучение
нового материала.
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
Я – самый главный элемент
И нет других тут мнений:
Очень уж велик процент
Моих соединений.
Рассмотрим строение атома углерода,
используя ПСХЭ. Составим схему строения атома, электронную конфигурацию и графическую
формулу атома углерода.Углерод может проявлять степени окисления -4;+2;+4.
Нахождение в природе.
Содержание
углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в
виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов,
горючих ископаемых — антрацит, бурые угли, каменные угли, горючие сланцы,
нефть, горючих природных газов, торф, а также битумы и др. В атмосфере и
гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 %
СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод
входит в состав растений и животных.
В
организм человека углерод поступает с пищей. Общее содержание углерода в
организме человека достигает около 21 %. Углерод составляет 2/3 массы мышц и
1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым
воздухом и мочой.
Кругооборот
углерода в природе включает биологический цикл, выделение СО2 в
атмосферу при сгорании ископаемого топлива, из вулканических газов, горячих
минеральных источников, из поверхностных слоев океанических вод и др.
Биологический цикл состоит в том, что углерод в виде СО2 поглощается
из тропосферы растениями. Затем из биосферы вновь возвращается в геосферу: с
растениями углерод попадает в организм животных и человека, а затем при гниении
животных и растительных материалов — в почву и в виде СО2 — в
атмосферу.
В
парообразном состоянии и в виде соединений с азотом и водородом углерод
обнаружен в атмосфере Солнца, планет, он найден в каменных и железных
метеоритах.
Соединения
углерода: CaCO3 мел,
мрамор, известняк, MgCO3 магнезит,
(CиОН)2CO3 малахит.
Физические свойства.
Аллотропные
модификации углерода.
Элементарный
углерод образует три аллотропные модификации: алмаз, графит, карбин.
1.
Алмаз – бесцветное, прозрачное кристаллическое вещество, чрезвычайно сильно
преломляющее лучи света. Каждый атом
углерода в алмазе окружён четырьмя другими, расположенными от него в
направлениях от центра тетраэдров к вершинам. Расстояние между атомами в
тетраэдрах равно 0,154 нм. Прочность всех связей одинакова. Таким образом,
атомы в алмазе «упакованы» очень плотно. Этим объясняется его исключительная
твердость. Алмаз плохо проводит электрический ток, так как отсутствуют
свободные электроны. Алмаз – «король
камней». Он издавна олицетворял власть, отвагу, мужество. Наиболее крупными,
известными и исторически ценными алмазами в нашей стране, являются «Орлов» и
«Шах».
Граф
Г. Г. Орлов подарил бриллиант чистейшей воды массой 189,62 карата Екатерине II
в день ее именин. Позже алмаз под названием «Орлов» стал украшением скипетра
русских царей.
Алмаз
«Шах», считавшийся величайшей драгоценностью персидского двора, был передан
русскому правительству в качестве компенсации за убийство русского посла в
Тегеране, выдающегося писателя, автора «Горе от ума» А. С. Грибоедова. Камень
массой 88,7 карата предотвратил новую войну между Россией и Персией.
В
середине позапрошлого века Ост-Индийская компания преподнесла королеве Виктории
уникальный дар – знаменитый алмаз «Кох-и-Нур». В 1852 году королева Англии
пригласила в Лондон известного амстердамского ювелира Форзангера в качестве
консультанта. Королева своими руками в течение 38 дней шлифовала алмаз. В
результате чего от огромного камня, весившего до обработки 186 карат, осталось
всего 106 карат. «Кох-и-Нур» – самая известная драгоценность британской короны.
Алмаз
при нагревании без доступа воздуха выше 1000°С превращается в графит.
2. Графит –
серо-чёрное кристаллическое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь,
по твердости уступающее даже бумаге.
Атомы
углерода в кристаллах графита образуют три ковалентные связи с соседними
атомами. В результате образуется сетка, составленная из правильных
шестиугольников. Расстояние между соседними ядрами атомов углерода внутри слоя
составляет 0,142 нм. Четвёртый электрон внешнего слоя каждого атома углерода в
графите занимает р-орбиталь, не участвующую в гибридизации.
Поэтому
графит имеет низкую механическую прочность и легко расщепляется на чешуйки,
которые сами по себе очень прочны. Связь между слоями атомов углерода в графите
частично имеет металлический характер. Этим объясняется тот факт, что графит
хорошо проводит электрический ток, но все, же не так хорошо, как металлы.
Сравните свойства алмаза
и графита
Углерод
|
Алмаз
|
Графит
|
|
Очень твёрдый
Прозрачный,
бесцветный
Не проводит эл.
ток
|
Мягкий
Непрозрачный, серого цвета
Хорошо проводит эл. ток
|
3.
Карбин – мелкокристаллический порошок чёрного цвета. Карбин
обладает полупроводниковыми свойствами, под действием света его проводимость
сильно увеличивается.
4.Фуллерен аллотропная
модификация углерода, часто называемая молекулярной формой углерода. Применяетя
в солнечных батареях, в качестве
противомикробных и противовирусных средств. П олучен 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
нанотехнологий – 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.
Уголь – тонко измельчённый графит. Образуется при термическом разложении
углеродсодержащих соединений без доступа воздуха. Угли существенно различаются
по свойствам в зависимости от вещества, из которого они получены и способа
получения. Они всегда содержат примеси, влияющие на их свойства. Наиболее
важные сорта угля – кокс, древесный уголь, сажа.
Кокс получается при нагревании каменного угля
без доступа воздуха.
Древесный уголь образуется при
нагревании дерева без доступа воздуха.
Сажа – очень мелкий графитовый кристаллический
порошок. Образуется при сжигании углеводородов (природного газа, ацетилена, скипидара
и др.) при ограниченном доступе воздуха.
Активные угли — пористые
промышленные адсорбенты, состоящие в основном из углерода. Их получают из
твердого топлива (торфа, бурого и каменного угля, антрацита), дерева и
продуктов его переработки (древесного угля, опилок, отходов бумажного
производства), отходов кожевенной промышленности, материалов животного
происхождения, например костей. При производстве активного угля вначале
исходный материал подвергают термической обработке без доступа воздуха, в результате
которой из него удаляется влага и частично смолы.
Адсорбцией называют поглощение поверхностью
твёрдых веществ газов и растворённых веществ. Это
явление применяется в противогазе. Первый в мире фильтрующий угольный
противогаз, изобретенный в России русским ученым Николаем Дмитриевичем
Зелинским в 1915 году, основным сорбирующим материалом в нём был активированный
уголь.
Проведение
лабораторного опыта:“Обесцвечивание раствора лакмуса активированным углём”
Рассмотрим химические свойства углерода (составление
уравнений и рассмотрение с позиций ОВР)
При
обычных температурах алмаз, графит, уголь химически инертны, но при высоких
температурах активность их увеличивается. Как и следует из строения основных
форм углерода, уголь вступает в реакции легче, чем графит и тем более алмаз.
Графит не только более реакционноспособен, чем алмаз, но и, реагируя с
некоторыми веществами, может образовывать такие продукты, каких не образует
алмаз.
1.
В качестве окислителя углерод реагирует с некоторыми металлами при высоких
температурах, образуя карбиды:
ЗС
+ 4Аl = Аl4С3 (карбид алюминия).
2.
С водородом уголь и графит образуют углеводороды. Простейший представитель –
метан СН4 – может быть получен в присутствии катализатора Ni при
высокой температуре (600-1000°С):
С
+ 2Н2 = СН4.
3.
При взаимодействии с кислородом углерод проявляет восстановительные свойства.
При полном сгорании углерода любой аллотропной модификации образуется оксид
углерода (IV):
С
+ О2 = СО2.
При
неполном сгорании образуется оксид углерода (II) СО:
С
+ О2 = 2СО.
Обе
реакции экзотермические.
4.
Особенно ярко восстановительные свойства угля проявляются при взаимодействии с
оксидами металлов (цинка, меди, свинца и др.), например:
С
+ 2CuO = СО2↑ + 2Cu,
С
+ 2ZnO = СО2↑ + 2Zn.
На
этих реакциях основан важнейший процесс металлургии – выплавка металлов из руд.
В
иных случаях, например при взаимодействии с оксидом кальция, образуются
карбиды:
СаО
+ ЗС = СаС2 + СО↑.
5.
Уголь окисляется горячими концентрированными серной и азотной кислотами:
С
+ 2Н2SO4 = СO2↑ + 2SO2↑ + 2Н2О,
ЗС
+ 4НNО3 = ЗСО2↑ + 4NO↑ + 2Н2О.
Любые
формы углерода устойчивы по отношению к щелочам!
Применение углерода
На каких свойствах основано применение углерода?
Учащиеся, работая в группах в течение 2-3 минут по карточкам,
соотносят области применения углерода и его свойства.
|
Свойство
|
Применение
|
|
Активированные
угли
|
для
обработки различных твердых материалов, для резки, шлифования, сверления и
гравировки стекла, для бурения горных пород, в качестве украшений.
|
|
Графит
|
изготавливают
литейные формы, плавильные тигли и другие огнеупорные изделия, применяется
для изготовления труб и аппаратов, при изготовлении электродов. Изготовления
карандашей и некоторых красок, в качестве смазочного материала, в ядерных
реакторах для замедления нейтронов.
|
|
Сажа
|
применяется
в качестве наполнителя резин для повышения прочности, поэтому автомобильные
шины – чёрного цвета, как компонент печатных красок, туши, крема для обуви.
|
|
Алмаз
|
применяются
в качестве наполнителей противогазов и как адсорбирующее средство в медицине
|
|
Карбин
|
для
изготовления полупроводников, которые могут работать при высоких
температурах, сверхпрочных волокон.
|
|
Древесный
уголь
|
используется
в металлургической промышленности, в кузнечном деле.
|
III.
Закрепление.
Составьте
уравнения по схеме: С→СО→СО2
↓
СН4
ІV.
Подведение итогов. Рефлексия.
Закончите
фразы:
-
Сегодня на уроке я узнал(а) …
-
Сегодня на уроке я научился(ась)…
V.
Домашнее задание § 37,у.2-4 с.128
Список
литературы: И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская ,Москва ОНИКС «Мир и
образование»,2008.
Л.Д.Вишневский,
«Под знаком углерода», Просвещение, 1983
Энциклопедический
словарь юного химика/Сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо. – М.: Педагогика, 1990.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.