Углерод знакомый и неожиданный

Методическая разработка урока-семинара
«Углерод знакомый и неожиданный» (9 класс)
Сарайская Марина Борисовна,
учитель химии ГОУ СОШ №283

Общие положения

Углерод относится к числу довольно распространенный химических элементов и значение его велико. Тема «Углерод, его строение и свойства» по программе О.С. Габриэляна изучается в курсе химии 9 класса.
Вопросы аллотропии химического элемента, химической связи и строения вещества рассматриваются в первой четверти 8 класса, когда учащиеся еще недостаточно подготовлены к восприятию абстрактных химических понятий. Поэтому вскрыть в полной мере на уровне понимания взаимосвясь состава, строения и свойств не всегда удается. В связи с этим целесообразно провести урок-семинар продолжительностью в два спаренных урока на тему «Углерод знакомый и неожиданный». Это не только дает возможность учащимся систематизировать свои знания, но и познакомиться с перспективами развития нанотехнологий в современном мире, которые в значительной степени основаны на вновь открытой аллотропной модификации углерода.

Цели и задачи
Цели: Систематизировать и обобщить знания о строении, свойствах и применении кристаллических и аллотропных форм углерода. Показать зависимость свойств простых веществ, образованных углеродом, от строения. Вскрыть межпредметные связи (физика, химия). Познакомить учащихся с методами получения фуллеренов и применением их в нанотехнологиях.
Задачи: Сформировать умение предсказывать свойства веществ в зависимости от их состава и строения. Развить познавательный интерес, умение анализировать и делать выводы.

Оборудование и реактивы

Мультимедиапроектор, компьютер.
CD-диск «1С. Образовательная коллекция. Общая и нерганическая химия».
Таблица «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева».
Таблицы электропроводности растворов и электролитической диссоциации веществ с различным видом связи.
Модели кристаллических решеток алмаза и графита.

Реактивы: медь, концентрированная азотная кислота, активированный уголь. Лакмус. Химическая посуда.

Вопросы семинара
(даются заранее)
1. Особенности кристаллического и аморфного состояния вещества.
2. Электронное строение углерода.
3. Аллотропия углерода.
4. Кристаллические формы углерода.
5. Аморфные формы углерода.
6. Химические свойства углерода.
7. Применение углерода на основании строения и свойств его кристаллических и аморфных форм.
8. Фуллерены и их применение в нанотехнологиях.

Содержание урока-семинара
(С помощью проектора дается план семинара).

В начале урока учитель сообщает о его цели: обобщить знания о строении, свойствах изначении в нашей жизни углерода.
I.В ходе фронтальной беседы обсуждаются вопросы, связанные со знанием элементов физики и химии твердого тела, изученные заранее.
1. На какие группы делятся все твердые вещества по расположению частиц в кристаллических решетках разных типов?
Предполагаемый ответ. Твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллические отличаются от аморфных упорядоченным расположением структурных частиц (атомов, молекул, ионов) в кристаллических решетках разных типов.
2. Назовите основные типы кристаллических решеток.
Предполагаемый ответ. в зависимости от вида химической связи между частицами различают решетки атомные, молекулярные, ионные и металлические.
3. Какими отличительными свойствами обладают твердые вещества по сравнению с жидкостями и газами?
При ответе на вопрос выясняется, что твердые вещества обладают механической прочностью, твердостью, определенной растворимостью, теплопроводностью и электропроводностью (в большей или меньшей степени).
4. На какие группы делятся вещества по электропроводности?
Предполагаемый ответ, основанный на знании физики. Вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

II. Учащимся предлагается охарактеризовать электронное строение углерода как элемента главной подгруппы IVгруппы периодической системы (демонстрация слайда).

Далее записывается схема распределения валентных электронов по ячейкам. Возбужденный атом углерода имеет 4 неспаренных электрона., проявляет валентность 4 и стремится образовать более энергетически устойчивое состояние за счет спаривания одиночных электронов с другими электронами. Этот процесс может осуществляться разными путями, в зависимости от чего углерод образует несколько аллотропных видоизменений.
III. Аллотропия – это существование одного химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различающихся по строению и форме (демонстрация слайда).

В отличие от кислорода, который обладает аллотропией состава, для углерода характерна аллотропия строения. Его различные кристаллические формы отличаются строением, обусловливая свойства алмаза, графита, карбина, поликумулена, фуллерена (демонстрация слайдов и анимации).

      Алмаз                              Графит                           Фуллерен

Далее рассматривается электронное строение различных структур углерода и заполняется обобщающая таблица со следующими графами: аллотропная форма углерода, структура, плотность, теплота сгорания, оптические свойства, электрические свойства, твердость по шкале Мооса.
Отмечается, что возможны различные превращения различных модификаций углерода, но для перестройки кристаллической структуры необходима большая энергия. Рассматриваются процессы искусственных превращений графита и карбина.
IV. Сообщение учащегося о свойствах, применении, добыче и искусственном получении алмазов (демонстрация слайдов).

Необработанный и обработанный алмазы, карьер в пос.Удачный

Учащимся предлагается вопрос: как можно доказать, что алмаз и графит – различные формы одного и того же химического элемента?
Предполагаемый ответ. Сжечь и убедиться в образовании углекислого газа.
Учитель приводит примеры проведения таких опытов еще в XVIIв. во Флоренции.
Вопрос: можно ли получить алмаз из сажи и графита?
Учитель рассказывает историю решения этого вопроса современной наукой и техникой как за рубежом, так и в нашей стране.
Рассматривая свойства графита, учащиеся обращают внимание на его применение (в атомной технике, электротехнике и т.д.). Учитель рассказывает о добыче графита в Сибири и возможности его искусственного получения.
Карбин представляет собой линейный полимер с чередующимися одинарными и тройными связями. Впервые был получен искусственно, но может встречаться в кратерах вулканов и образовываться при падении метеоритов.
Поликумулен имеет двойные связи, получен искусственным путем. (Демонстрация слайдов со структурой карбина и поликумулена).

Углеродные нанотрубки - протяжённые структуры, состоящие из свёрнутых гексагональных сеток с атомами углерода в узлах, открытые в 1991 году японским исследователем Иджимой.
Диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон.
Идеальная нанотрубка – это цилиндр, полученный при свёртывании плоской гексагональной сетки графита без швов
В настоящее время наиболее распространённым является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Применение нанотрубок

Нанотрубки, как было сказано, являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются.
Французскими и российскими исследователями было открыто такое свойство нанотрубок, как сверхпроводимость, а также резкое изменение проводимости при небольшом изгибе однослойной нанотрубки. Нанотрубка оказывается готовым высокочувствительным преобразователем механических колебаний в электрический сигнал и обратно и практически готовым датчиком мельчайших деформаций. Он мог бы найти применение в устройствах, контролирующих состояние механических узлов и деталей, от которых зависит безопасность людей.
Открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами. Чтобы открыть нанотрубку, надо удалить верхнюю часть – крышечку. Это можно сделать путем отжига нанотрубок при температуре 8500 C в течение нескольких часов в потоке углекислого газа или путем выдержки в концентрированной азотной кислоте в течение 4,5 часов при температуре 2400 C. В результате такой обработки 80% нанотрубок становятся открытыми. Для ввода каких-либо веществ внутрь нанотрубок используют растворители, имеющие низкое поверхностное натяжение. Таким образом были получены нанотрубки, содержащие никель, кобальт и железо. Они могут заполняться и газообразными веществами. Это открывает возможность безопасного хранения водорода.
Ученые создали первый наномасштабный мотор на основе многостенных нанотрубок. Углеродная нанотрубка выполняет своего рода роль оси, на которой монтируется ротор. Максимальные размеры наномотора порядка 500 нм, ротор имеет длину от 100 до 300 нм, а вот нанотрубка-ось имеет в поперечнике размер всего несколько атомов, т.е. примерно 5-10 нм.
На основе нанотрубки возможно создание микроскопических весов. Для этого требуется преобразование электрических колебаний в механические
Необычные электрические свойства нанотрубок делают их одним из основных материалов наноэлектроники. Уже сейчас созданы опытные образцы транзисторов на основе одной нанотрубки.
Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Можно создать микропроцессоры, которые будут содержать около 1 миллиарда транзисторов и смогут работать на частоте до 20 гигагерц при напряжении питания менее 1 вольта. Также предполагается разработка плат памяти принципиально нового образца, созданных на основе нанотехнологий
Углеродные нанотрубки нашли также своё применение в борьбе за здоровье человека: китайские ученые использовали нанотрубки для очистки питьевой воды от свинца.
Можно заполнять нанотрубки различными веществами и использовать в медицине. В «запаянном» виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Так, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и «вскрываются» в определенный момент времени.

V.

В конце семинара подводятся итоги работы, оцениваются ответы учащихся.

Информационные источники
Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры: Родословная форм и идей. 2008. 296 с.

Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин – аллотропные формы углерода//Природа. 1969.№5. С.37-44.
Корнилов М.Ю. Нужен трубчатый углерод//Химия и жизнь. 1985. №8.
Мартиновская Т.В. Совершенствование форм и методов изучения химии в школе.Л.: ЛГИУУ, 1989.

http://nanotrubki.narod.ru
http://kv.by/index2003323401.htm
1) Габриелян О.С., Лысова Г.Г.. Химия.11 класс.-М.:Дрофа,2004.
2) Третьяков Ю.Д., Метлин Ю.Г. Основы общей химии. М.:1985.
3) Иванова Р.Г., Осокина Г.Н. Изучение химии в 9-10 классах. М.,1983.
4) Левкин А.Н. Общая и неорганическая химия. СПб.:Паритет,2003.
5) Фиалков Ю.Я. Необычные свойства обычных растворов.М.,1978.
6) Мультимедийный учебный курс «1С Образовательная коллекция. Общая и неорганическая химия». Марийский ГТУ.