Методическая разработка урока по теме: Углерод

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.

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.