Аллотропия веществ

Наука не знает добра и зла.
Лишь к истине вечной ведет и вела…

Н.И.Ефимов

Тип урока. Бинарный урок обобщения и систематизации знаний по химии и рисованию.

Вид урока. Урок-конференция с элементами игровых ассоциаций.

Цели. Расширить знания учащихся об аллотропии.

Задачи урока. Познавательные. Рассмотреть применение углерода в живописи. Ознакомить учащихся с разнообразием графических и живописных материалов, созданных на основе углерода, и наглядно показать различные зрительные эффекты их применения.

Воспитательные. Воспитывать личности с высоким уровнем экологической культуры, формировать потребности в познавательной деятельности и ценностное отношение к знаниям.

Развивающие. Развивать культуру восприятия философских воззрений, выявлять способности к анализу и абстрактному мышлению.

План урока

• Вступительное слово учителя.

• Характеристика элемента углерода по положению в таблице Д.И.Менделеева.

• Строение атома углерода.

• Cценка о родстве угля, графита и алмаза (игровые ассоциации).

• Углерод на службе у художника.

• Учитель рисования об изобразительном искусстве.

• Доклады учащихся.

• Заключительное слово учителя.

• Оценка работы учащихся.

ХОД УРОКА

Учитель химии. Ребята, приступая к уроку «Аллотропия веществ», давайте подумаем: чего в природе больше – простых веществ или химических элементов? Оказывается, простых веществ существует гораздо больше, чем химических элементов. Это связано с явлением аллотропии – существованием химического элемента в виде нескольких простых веществ.

Эти слова из «Основ химии» Д.И.Менделеева могут служить своего рода развернутым эпиграфом к нашему рассказу о жизненно важном элементе – углероде. Чтобы дать характеристику химическому элементу, например углероду, необходимо указать его положение в периодической системе: номер периода, номер и вид (а, б) группы, металл это или неметалл, формулу оксида и летучего водородного соединения, порядковый атомный номер, заряд ядра, общее число электронов, число электронных слоев, количество электронов на наружном слое.

Один из учеников дает характеристику элементу углероду по таблице Д.И.Менделеева.

Учитель химии. Напишите на доске схему электронного строения атома углерода.

Ученик записывает на доске схему:

Учитель химии. Углерод в форме любого простого вещества – твердое тело. Температура плавления графита под давлением свыше 100 атм. – 4000 °С.

Ведущий.

Удивительно, в природе
Есть странные явления.

Ведущая.

В одном и том же элементе,
В кристаллической решетке...

Ведущие (вместе). Крутые изменения!

Ведущий.

И отсюда, и отсюда,
Из простого элемента...

Ведущая. Появляются три чуда.

Ведущий.

Покажите, где. Откуда?
Из какого элемента?

Ведущая. Интересно? Айн момент!

(Хлопает три раза в ладоши.)

К доске выходят трое учащихся, одетые в черный, серый и прозрачный плащи, на голове у них шапочки с символами «С», в руках – рисунки кристаллических решеток. Это Уголь, Графит и Алмаз.

Алмаз.

Я – самый твердый по шкале,
Тверже не бывает,
И твердость всех других веществ
По той шкале сверяют.
На вид я гладкий и прозрачный,
А брат мой – жирный, мягкий, мрачный.
Он черный и слоистый,
А я – в огранке ювелира –
Изысканно лучистый!
Играю гранями на солнце
Так, что захватывает дух!
Как жаль, что брат бездарно глух
К такой симфонии строенья…

(Алмаз показывает с сожалением на Графит.)

Графит.

Постой-ка, брат, из углерода
Сложен я так же, как и ты.

Алмаз. Что из того?

Графит.

Мои черты
Из тех же атомов бы вроде,
Но так заложено в природе –
Они построены слоисто.

Алмаз. Вещаешь, брат, ты мне речисто!

Графит.

Алмаз.

Графит.

Алмаз.

Уголь.

(Уголь, Алмаз и Графит обнимаются.)

Ведущий. Сейчас мы заслушаем доклады о применении графита и алмаза.

1-й ученик. Атомы углерода в алмазе соединены таким образом, что все связи в кристаллической решетке одинаково прочные. Поэтому алмаз – самое прочное вещество, из него делают наконечники для буров, с помощью которых ищут нефть, алмаз используют для резки стекла. Обработанные, специально ограненные алмазы – это дорогие украшения – бриллианты.

Кристаллическая решетка алмаза

2-й ученик. Кристаллическая решетка графита представляет собой атомы углерода, расположенные в виде правильных шестиугольников. Длина всех связей между атомами, лежащими в одной плоскости, одинакова, а располагаются эти шестиугольники в пространстве слоисто. В силу такого строения даже при слабом механическом воздействии связи между плоскостями разрушаются, а кристаллы графита легко расщепляются на отдельные «чешуйки».

Кристаллическая решетка графита

При объяснении строения алмаза и графита учащиеся показывают рисунки кристаллических решеток данных веществ.

3-й ученик. Благодаря своей мягкости графит используется в производстве карандашей, в виде порошка он заменяет смазочные масла, производятся подшипники с графитовыми втулками. Хорошая электропроводимость позволяет использовать графит в материалах для электродов. При температуре 1200–1600 °С и давлении 10 000 МПа графит превращается в искусственный алмаз.

4-й ученик. В жизни часто приходится иметь дело с аморфным углеродом в виде сажи и угля. По строению сажа и уголь – это тот же графит, но в состоянии тончайшего измельчения. Сажа входит в состав типографской краски, из нее получают тушь. Добавление сажи к резине при производстве автопокрышек повышает их прочность и увеличивает срок службы. Уголь (кокс) применяют как высококалорийное топливо. При взаимодействии с металлами углерод образует карбиды, которые используются в органическом синтезе.

5-й ученик. Специальные сорта угля используют в качестве адсорбентов, в частности все мы знаем активированный уголь, который продается в аптеках. Способность угля к адсорбции была использована Н.Д.Зелинским в противогазе, изобретенном в России.

6-й ученик. Знаете ли вы, на каком свойстве основано действие прибора – определителя алмазов? Теплопроводность алмаза гораздо выше, чем у наиболее теплопроводных металлов – меди и серебра. На этом свойстве основан принцип действия прибора – определителя алмазов. Он состоит из реагирующего устройства и щупа в виде «карандаша». На конце щупа – миниатюрный нагревательный инструмент, который находится в контакте с металлическим острием. При соприкосновении с поверхностью алмаза от него отводится теплота, и контрольное устройство реагирует понижением температуры острия щупа.

7-й ученик. Я отвечу на вопрос: для чего при изготовлении резины к каучуку добавляют сажу? Тонкодисперсный технический углерод (сажа) в качестве наполнителя придает резинам лучшую износостойкость, прочность, твердость и другие физико-химические свойства. Сажа является наиболее распространенным пигментом для автомобильных красок черного цвета.

8-й ученик. Какие свойства придает стали и чугуну содержащийся в них углерод? С повышением содержания углерода в стали ее прочность увеличивается, а пластичность снижается. Углерод, содержащийся в чугуне в количестве 2–7%, может находиться в связанном состоянии в виде Fe₃C и в свободном – в виде графита. Чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии, называют «белым». Он обладает большой твердостью и высокой износостойкостью, но плохо поддается механической обработке и редко используется в машиностроении. Наиболее распространенным конструкционным материалом является «серый» чугун, в котором углерод находится преимущественно в виде графита, а количество связанного углерода не превышает 0,8%.

9-й ученик. Почему графит применяют для изготовления тиглей? Графит даже на воздухе термостоек. Вследствие этого в смеси с глиной его применяют для изготовления огнеупорных тиглей, в которых плавят различные металлы, медные сплавы и сталь.

10-й ученик. Почему графит является более качественным антифрикционным материалом по сравнению с другими? Наряду с графитом хорошими твердыми смазочными (антифрикционными) материалами являются соединения MoS, Na₂B₄O₇, CdCl₂, PbCl₂, CoCl₂, Ag₂SO₄. Трение металлических изделий может быть снижено нанесением на их поверхность тонкой пленки из другого металла, например Pb, Ni, Ti, или сплавов меди и цинка. Однако эффективность смазочного действия ограничена температурой плавления наносимого металла или другого вещества (соли, неметалла). Преимущество графита как смазки – в его тугоплавкости.

11-й ученик. Бывают ли цветные алмазы? В природе встречаются алмазы, окрашенные почти во все цвета радуги. Считают, что окраска появляется в результате природного радиоактивного облучения бесцветных алмазов и вызвана нарушением их кристаллической решетки, т. е. нарушением регулярности расположения атомов углерода. В настоящее время ученые научились окрашивать алмазы, облучая их нейтронами в ядерных реакторах.

12-й ученик. Когда и кто впервые получил искусственные алмазы? Впервые искусственные алмазы были получены в 1893 г. А.Муассаном. Сущность метода заключалась в следующем: к расплавленному и нагретому до высокой (3000 °С) температуры железу добавляли углерод, полученный из сахара, затем смесь быстро охлаждали. Для этого расплав выливали в форму из меди, охлаждаемую снаружи водой. После охлаждения железо растворяли в какой-либо кислоте. В остатке, состоящем из углерода, были найдены кристаллики алмаза.

13-й ученик. Что такое караты? Массу ограненных алмазов (бриллиантов) выражают в каратах (1 карат = 0,2 г), а при малых размерах – в пойнтах (1 пойнт = 0,01 карата). Для выражения массы жемчужин используют единицу массы гран (1 гран = 0,25 карата).

14-й ученик. Д.И.Менделеев писал: «Если бы углерод образовывал молекулу С₂ как О₂, то был бы газом». И далее: «Способность атомов угля соединяться между собой и давать сложные молекулы проявляется во всех углеродистых соединениях… Ни в одном из элементов такая способность к усложнению не развита в такой мере, как в углероде. Поныне нет основания для определения меры полимеризации угольной, графитной, алмазной молекулы, только можно думать, что в них содержится C_n, где n есть большая величина». И графит, и алмаз – полимеры, состоящие из одинаковых, только углеродных атомов.

15-й ученик. Углерод всегда четырехвалентен, но, поскольку в периоде он находится как раз посередине, степень окисления его в разных соединениях бывает от +4 до –4. В соединениях с активными неметаллами он электроположителен, а с металлами и неметаллами, электроотрицательность которых меньше 2,5, – электроотрицателен. Даже в тех случаях, когда связь не ионная, а ковалентная, углерод остается верен себе – его валентность по-прежнему равна четырем.

Итак, углерод является неметаллом, взаимодействует с кислородом, водородом, оксидами, металлами, проявляя как восстановительные, так и окислительные свойства.

Ученик пишет на доске уравнения реакций и дает их характеристику.

C + O₂ = CO₂,

C + 2H₂ = CH₄,

C + СO₂ = 2CO,

C + 2CuO = CO₂ + 2Cu,

2C + Ca = CaC₂.

16-й ученик. Самый интенсивный биогеохимический цикл – круговорот углерода. В природе углерод существует в двух основных формах – в виде карбонатов и в составе углекислого газа. Содержание углекислого газа в океане в 50 раз больше, чем в атмосфере. Углерод участвует в образовании углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот. Основная масса углерода аккумулирована в карбонатах на дне океана – 1016 т.

(Ученик рассказывает по схеме о круговороте углерода.)

17-й ученик. Вот некоторые сведения об углероде, связанные с человеком и его здоровьем. Содержание углерода в организме человека (из расчета, что масса тела равна 70 кг) составляет 16 кг, причем в мышечной ткани содержится 67%, а в костной ткани – 33%. Ежедневное поступление углерода с пищей – 300 г.

Известны токсичные соединения углерода. К ним относятся свободный углерод в виде сажи и его монооксид СО – угарный газ. Длительный контакт с сажей или угольной пылью вызывает рак кожи. В результате увеличения количества сжигаемого топлива в атмосфере растет концентрация углекислого газа, что приводит к возникновению парникового эффекта. При содержании в воздухе 10% углекислого газа человек теряет сознание, и наступает смерть.

Учитель химии. Углерод в виде сажи имеет множество областей применения, одна из которых – изготовление художественных красок. Названия красок указывают на их происхождение: жженая слоновая кость (ее делают из обезжиренных костей путем размола и обжига), виноградная (из виноградных лоз и жмыхов), персиковая (из персиковых косточек), ламповая копоть. Обжиг виноградных жмыхов и лоз, персиковых косточек и прочего сырья ведется без доступа воздуха (кислорода).

Углем рисовали еще в каменном веке. Росписи пещеры Альтамира в Испании, созданные 20 тыс. лет назад, выполнены охрой, мелом и углем. В XIV–XV вв. появился карандаш. Слово «карандаш» происходит от тюркских слов «кара» (черный) и «таш» (камень). Уголь, сажа, графит, тушь и в наши дни являются основным рабочим средством художника.

Рисунки, выполненные: а – углем, б – тушью, в – графитом

Учитель рисования демонстрирует картины, выполненные с помощью различных художественных технологий, и рассказывает о свойствах черных красок, графита, угля и туши, а также о способах работы с этими материалами.

Учитель химии. По распространенности на Земле углерод занимает тринадцатое место, его содержание в земной коре, атмосфере и гидросфере не превышает 0,14%. История знакомства человека с этим веществом уходит во времена доисторические. Имя первооткрывателя углерода неизвестно, неизвестно и то, какая из форм углерода – алмаз или графит – была открыта раньше. До алмаза и графита было открыто вещество, которое считали третьей формой элементарного углерода, – уголь. Карбин в природе открыт в 1970 г. геофизиками Института Карнеги в метеоритном кратере Рис на территории ФРГ. Новый минерал на 99,99% состоит из углерода. Аморфный углерод в виде сажи и угля – это тоже графит, но в состоянии тончайшего измельчения.

В дальнейшем была получена четвертая модификация углерода – молекулярный углерод с формулой С60. В США его называют «фуллерен», в России – «футболен» (действительно, сферическая молекула С60 похожа на футбольный мяч). Он был получен испарением графита в электрической дуге в атмосфере гелия Не.

Кристаллическая решетка «футболена» (С60)

Вот какой яркой химической индивидуальностью обладает обыкновенный, но такой странный элемент – углерод.

При выставлении оценки учитываются разные виды работы учащихся. Это – подготовка докладов, работа с дополнительной литературой, участие в прениях и обсуждении докладов, групповое сотрудничество в диалоговом обсуждении проблемы, попытка проследить исторические закономерности развития идеи и сделать соответствующие выводы.

ЛИТЕРАТУРА

Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. М.: Высшая школа, 1992; Популярная библиотека химических элементов. Под ред. И.В.Петрянова-Соколова. Книга первая. Водород – палладий. М.: Наука, 1983; Большая детская энциклопедия. Химия. М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2000; Современные открытые уроки химии. М., 2001; Титова И.М. Вещества и материалы в руках художника. М., 1994; Бударина В.А. Суд над химическим элементом Углеродом. Урок-спектакль. Химия (ИД «Первое сентября»), 2001, № 22; Ивченко Л.А., Макареня А.А. Валеология на уроках неорганической химии. Химия (ИД «Первое сентября»), 2000, № 17; Гольдфейн М.Д., Кожевников Н.В., Трубников А.В., Шулов С.Я. Проблемы жизни в окружающей среде. Химия (ИД «Первое сентября»), 1996, № 11.

Н.П.СТРОКОВА,
учитель химии
профессионального лицея № 82
(пос. Краеково, Московская обл.)