СЕМЕЙСТВО УГЛЕРОДА

Урок­аукцион

Цели. Изучить особенности строения атома углерода, аллотропные видоизменения углерода (алмаз, графит, карбин, фуллерен), применение алмаза, графита и угля на основе знаний о свойствах данных веществ; закрепить знания о зависимости свойств вещества от его строения; воспитывать патриотизм, экологические и профориентационные знания; развивать познавательный интерес, умение анализировать.

Оборудование и реактивы. Карта Хакасии и России, коллекция каменного угля, таблица «Строение атома углерода», модели кристаллических решеток алмаза и графита, фотографии изделий из бриллиантов, аудиозапись «Ах, война, что ж ты сделала, подлая…», железный тигель, штатив с кольцом, фарфоровый треугольник, газовая горелка, лист бумаги, стеклянная палочка, указатели представителей промышленности, раздаточный печатный материал; древесный уголь, каменный уголь, кристаллический перманганат калия, порошок железа, порох дымный.

ХОД УРОКА

Урок начинается с организационного момента, активизации внимания. На столах учеников стоят названия компаний, представителями которых они являются на сегодняшнем уроке-аукционе: ТЭЦ, Саянский алюминиевый завод (CaАЗ), металлургический комбинат, Ювелирпром, нефте- и газодобывающая компании, фармацевтическая компания, Росвооружение, Министерство путей сообщения (МПС), Росуголь, завод электрооборудования, карандашная фабрика.

Изучение нового материала

Наш аукцион посвящен одному из интереснейших химических элементов. Содержание его на Земле довольно велико – 0,1% по массе.

Ядро атома этого элемента состоит из 12 нуклонов (6 протонов и 6 нейтронов). На относительно большом расстоянии от ядра расположена ближайшая к нему орбиталь, образованная двумя спаренными электронами, – первый энергетический уровень. На втором энергетическом уровне находятся четыре электрона. Два из этих электронов образуют сферическую орбиталь. Электронные облака двух других электронов располагаются в пространстве в виде симметричных объемных восьмерок, ориентированных перпендикулярно друг другу.

При химическом взаимодействии атом переходит в возбужденное состояние. Два электрона сферической внешней орбитали получают дополнительную энергию в виде квантов, изменяют форму своего облака и образуют новые орбитали в форме объемных восьмерок. Таким образом на внешнем электронном уровне образуются четыре орбитали, одинаковые по форме и энергии (гибридизованные орбитали).

Напишите символ химического элемента, о котором идет речь. Укажите его атомный номер в таблице Д.И.Менделеева. Изобразите электронное строение атома данного элемента. Как называется процесс перехода электронов на подуровень с большей энергией?

Работа учащихся в тетради и у доски

Молодцы, вы правильно определили элемент. Это действительно углерод. Не случайно его называют удивительным химическим элементом. Оказывается, углерод способен образовывать несколько аллотропных видоизменений: алмаз, графит, карбин, фуллерен. Эти разные простые вещества, образуемые углеродом, и будут объектами сегодняшних торгов. Попрошу вас, господа покупатели, внимательно ознакомиться с предлагаемыми к торгам лотами. По мере необходимости делайте пометки в соответствующих графах таблицы (табл. 1), которая лежит у вас на столе.

Таблица 1

Характеристика аллотропных видоизменений углерода

Графит

Графит – это черные звездчатые кристаллы с металлическим блеском. Достаточно большие пласты графита темно-серого цвета. При соприкосновении с графитом на коже рук остается темный жирный след, который также можно увидеть на листе бумаги или другой поверхности.

В графите каждый атом углерода связан одинаковыми по длине и прочности связями с тремя другими атомами углерода, лежащими в одной плоскости. Четвертая связь, более длинная и менее прочная, связывает между собой атомы углерода соседних слоев. Именно эта связь легко разрушается, например, при соприкосновении графита с поверхностью листа бумаги.

Графит – тугоплавкое вещество. В присутствии кислорода он не загорается до 800 °С. Благодаря своей «жирности» углерод улучшает скольжение между трущимися поверхностями деталей; он хорошо проводит электрический ток. При температуре 1200–1600 °С и давлении 10⁴ МПа графит способен превращаться в алмаз.

(Демонстрация графита карандаша, запись в соответствующей графе табл. 1.)

Такое широко известное вещество, как уголь, – не что иное, как тот же графит, только очень мелкокристаллический. Уголь – твердое вещество, образовавшееся в недрах Земли при разложении органических остатков растений за многие миллионы лет. Цвет колеблется от темно-бурого до черного, некоторые угли имеют красивый блестящий излом. Обладает высокой теплоемкостью. Достаточно широко распространен, в том числе и в Республике Хакасия: Минусинский угольный бассейн – Черногорское, Изыхское месторождения. Добывается как шахтным, так и открытым способом. (Работа с картой Хакасии.)

Кристаллическая структура графита

Человечеству уголь известен издавна.

Людям я совсем как брат.
Много тысяч лет назад
Я уже пылал в костре,
Освещая интерьер
Первобытных их квартир.

(Демонстрация коллекции угля.)

Русский химик Т.Е.Ловиц в 1785 г. открыл свойство угля поглощать и удерживать на поверхности некоторые газообразные и растворенные вещества. Это явление называется а д с о р б ц и е й. Уголь хорошо адсорбирует на своей поверхности такие газы, как оксид азота(IV), сероводород, дурно пахнущие примеси.

Для визуального наблюдения адсорбции учащиеся выполняют лабораторную работу «Взаимодействие раствора перманганата калия с порошком древесного угля».

В двух пробирках содержится малиновый раствор перманганата калия. В одну из них добавьте небольшое количество растертого в порошок древесного угля, а в другую – порошок неактивированного каменного угля. Пробирки плотно закройте пробками и хорошо встряхните. В пробирке с древесным углем наблюдается обесцвечивание раствора вследствие адсорбции перманганата калия на поверхности угля. В пробирке с каменным углем окраска раствора сохраняется, т.к. адсорбция не происходит.

Китайский философ Сунь Сы-Мяо в 682 г. описал рецепт и состав «огненного порошка» – пороха, в его состав входили уголь (15%), сера (10%) и селитра (75%). Позднее в Китае появилось и первое огнестрельное оружие – бамбуковая трубка, заряженная порохом и пулей. Московская Русь познакомилась с порохом еще в XIV в. Из летописей известно, что в 1382 г. москвичи уже обороняли свой город от нашествия войск татарского хана Тохтамыша с помощью огнестрельного оружия.

2KNO₃ + S + 3C = K₂S + 3CO₂ + N₂.

(Демонстрация горения пороха, музыкальное сопровождение.)

Алмаз

Алмаз – бесцветные прозрачные кристаллы.

В кристалле алмаза каждый атом углерода связан с четырьмя соседними атомами прочными ковалентными связями. Все четыре связи углерода одинаковые и направлены от центра тетраэдра к его вершинам.

(Демонстрация модели кристаллической решетки алмаза.)

Благодаря такому строению кристаллической решетки алмаз – тугоплавкое, химически стойкое вещество. Он не проводит электрического тока, прозрачен, обладает высокой твердостью. По шкале Мооса алмаз занимает самое верхнее положение, его значение твердости – 10.

(Демонстрация шкалы Мооса.)

Философы древности Тит Лукреций Кар и Плиний Старший считали, что алмаз не только не горит, но и его нельзя расколоть ударом молота. Слово «алмаз» в переводе с древнеиндийского означает «тот, который не разбивается». Это заблуждение сохранялось и в средние века.

Алмаз при нагревании без доступа воздуха выше 1000 °С превращается в графит.

Бриллиантовые украшения – бант, колье и серьги с красными шпинелями

Алмазам с древних пор приписывали чудодейственные свойства. Считалось, что человек, носящий алмазы, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он до глубокой старости сохраняет веселое расположение духа и острую память, пользуется царской милостью. Раньше алмазы носили лишь военачальники, короли и императоры, т. к. считалось: «Если воин на левой стороне в оружии своем носит алмаз, то не будет убит; алмаз же, носимый в перстне на руке, лихие сны отгоняет и приносит пользу беспокоящимся лунатикам». В качестве женского украшения ограненные алмазы (бриллианты) стали использовать лишь с середины XV в. Моду на алмазы ввела француженка Агнесса Сорель. С этого времени алмазы стали получать собственные имена.

И украсить был я рад
Дам и рыцарей наряд,
Чтоб блистали при дворе.

(Демонстрация фотографий изделий из алмазов.)

Карбин

Карбин – аллотропное видоизменение углерода. Это линейный полимер, у которого атомы углерода соединены в цепочку:

–СС–СС–СС–.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок черного цвета. По твердости он занимает промежуточное положение между алмазом и графитом и является полупроводником. Сначала карбин был получен искусственно в бывшем СССР, а позже открыт и в природе.

Фуллерен

Фуллерен получен в начале 1990-х гг. американскими учеными. Представляет собой желтые кристаллы диаметром 5–6 мм. Если попытаться представить себе строение кристалла фуллерена, то наиболее близкая аналогия будет с зеркальным шаром на дискотеке: отдельные ячейки – правильные пяти- и шестиугольники – собраны в сферу. Расстояния между атомами, как и у алмаза, по всем направлениям равны.

Итак, мы рассмотрели все аллотропные видоизменения углерода, познакомились с их свойствами. Прошу покупателей сделать свой выбор в пользу того или иного лота и по истечении времени представить доводы, обосновывающие ваш выбор. (Работа в группах по заполнению таблицы.)

Вопросы покупателям

• Какое аллотропное видоизменение углерода вы, как представитель компании, выберете?

• Какие свойства этого вещества будут использованы компанией?

• Какое применение найдет в компании выбранное вами вещество?

Ученики на доске напротив названия аллотропных модификаций углерода (табл. 2) прикрепляют названия своих предприятий, мотивируя выбор той или иной модификации свойствами и направлениями применения для данной отрасли.

Таблица 2

Применение аллотропных модификаций углерода

Итоги урока

Подведем итоги наших торгов. Проданы две наиболее широко распространенные модификации углерода – алмаз и графит, а оставшиеся две в силу малой изученности их свойств остались пока невостребованными. Будем надеяться, что со временем ситуация изменится, карбин и фуллерен найдут своих покупателей. Мне осталось только поблагодарить вас за активную работу и попросить заполнить «Книгу отзывов аукциона».

Ответьте предельно честно на вопрос: «Что дал вам урок?»

Завершение урока

Пусть наградой вам за активную работу будет этот фейерверк (опыт «Звездный дождь»).

Домашнее задание. Записать уравнения химических реакций, происходящих при проведении опыта «Звездный дождь», если в состав исходной смеси входили древесный уголь, перманганат калия и порошок железа.

Опыт «Звездный дождь»

На чистом листе бумаги (или на стекле) тщательно смешайте стеклянной палочкой или шпателем равные количества (примерно по 1–2 чайной ложки) порошков железа, древесного угля и перманганата калия. Полученную смесь перенесите в железный тигель, закрепленный в фарфоровом треугольнике, который находится на кольце штатива. Нагрейте тигель в пламени газовой горелки. Через некоторое время из тигля начнут разлетаться раскаленные частицы железа в виде снопа искр. С появлением искр горелку следует погасить.

Уравнения протекающих реакций:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂,

C + O₂ = CO₂,

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

С.А.ОСЕТРОВА,
учитель химии средней
школы № 30
(г. Абакан,
Республика Хакасия)