: Бенефис элементов подгруппы Углерода

Тема урока: Бенефис элементов подгруппы Углерода

Цель урока: Дать характеристику Углерода и Кремния по Периодической таблице

Д.И. Менделеева, сравнить строение их атомов, сформировать представление об аллотропных модификациях углерода: алмаз, графит, карбин.

Усвоить понятие «адсорбция», «адсорбенты»

Создать условия для развития умения анализировать, самостоятельности в мышлении и учебной работе, воспитания уважительного отношения к товарищам в условиях работы в малых группах.

Оборудование и реактивы: Периодическая таблица Д.И. Менделеева, модели кристаллических решёток алмаза и графита, коллекции «Нефть», «Каменный уголь».

Стакан с подкрашенной водой, колба с оксидом азота(4), активированный уголь.

Тип урока: Комбинированный.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Основная часть урока:

2.1. Изучение нового материала.

Учитель: Вы обратили внимание на необычную тему урока? Бенефис в переводе с французского языка – прибыль, польза, барыш…. Но мы же находимся на уроке химии, вы можете мне сказать. А химия – наука, которая изучает вещества, их свойства.

Слово «Бенефис» имеет и другое значение – театрализированное представление в честь одного из участников. Эти два определения имеют непосредственное отношение к нашему уроку. А почему я назвала урок именно так, я думаю, вы ответите мне в конце урока.

У матушки природы есть два любимых сына – Углерод и Кремний.

Что общего может быть между красивым пёстрым букетом цветов и каменным углём? Что общего между нефтью и лекарственными препаратами? Вы бы не решились купить в магазине вместо духов или туалетной воды кусочек каменного угля. И не нашлось бы ни одного врача, который прописал больному вместо лекарственных препаратов натуральную нефть.

Однако и черный, невзрачный каменный уголь и пёстрый букет цветов, и нефть – все они содержат в своём составе углерод, без которого невозможно существование ни медикаментов, ни большинства взрывчатых веществ, ни великое множество органических соединений из которых в свою очередь состоят организмы человека, животных, растений. И если матушка Природа поручила царство всего живого Углероду, то Кремнию она поручила царство минералов и горных пород. Поэтому Кремний можно по праву назвать элементом неживой природы. И эти два важнейших элемента находятся в 4 группе, главной подгруппе в Периодической таблице Д.И Менделеева.

Я хочу представить вам сегодня эти два важнейших химических элемента и соединения, которые они образуют. Познакомимся с ними поближе.

Самостоятельная работа учащихся с периодической таблицей (работа в парах) и дальнейшее обсуждение.

Задание классу: 1. Определите местоположение Углерода и Кремния в периодической таблице.

2. Составьте электронные формулы этих элементов.

3. Определите валентность и возможные их степени окисления.

4. Укажите сходство и различие в строении атомов Углерода и Кремния.

5.Составьте электронную формулу атома углерода в основном и возбужденном состоянии и объясните на основании этого, почему для углерода наиболее характерна валентность 4, а не 2.

Учитель: Углерод – единственный из элементов, способный только с одним водородом давать бесчисленное множество соединений, это объясняется своеобразным химическим строением атома углерода. В отличие от других химических элементов, атомы углерода способны образовывать химические связи друг с другом, образуя при этом прямые, разветвлённые цепочки, замкнутые, кольцеобразные молекулярные структуры. Число атомов углерода в таких соединениях колеблется от единиц до десятков и даже сотен. Число соединений, содержащих углерод, уже сейчас составляет не менее 2 млн. Благодаря способности углерода давать такое огромное количество различных соединений возникло всё богатство и разнообразие видов растений и животных. Одних только видов насекомых насчитывается только не менее 2 – 3 млн. .Общее число растений на земном шаре близко к 500 тыс., число видов позвоночных превышает 57 тыс. По данным академика В.И. Вернадского, общее количество углерода, содержащегося в живом веществе составляет 1 00 000 млрд.т. Такое же количество углерода находится в морях и океанах земного шара. 20 000 млрд. т. углерода содержится в каменном угле. 2 000 млрд. т. углерода « висит» в атмосфере в виде углекислого газа. Больше всего углерода входит в состав мрамора, мела, известняка – тех углеродных соединений, из которых сложены некоторые горы и горные хребты. В прошедшие геологические эпохи в зависимости от условий, при гниении животных и растительных организмов образовался основной энергетический потенциал человечества – различные виды нефти, каменного угля, природного газа.

На доске схема содержания углерода в веществах:

Углерод в полезных ископаемых

С

Нефть Природный газ Уголь Алмаз

бурый уголь Графит

каменный уголь, торф, антрацит

Карбонаты

CaCO₃ Cu₂CO₃(OH)₂ MqCO₃ FeCO₃

мел, известняк малахит доломит сидерит

мрамор, кальцит

Познакомимся поближе с полезными ископаемыми, содержащие углерод. Сначала поговорим о нефти.

Сообщения учащихся с одновременной демонстрацией коллекций: «Нефть», «Уголь»

Сообщение 1:

«Чёрное золото» так часто называют нефть. Обратите внимание на внешний вид нефти (коллекция). Это чёрная, маслянистая жидкость, иногда она бывает красная, синяя, светлая и даже прозрачная с характерным резким запахом. Нефть – в основном смесь различных углеводородов, она содержит 80 – 87% углерода, 10 – 14% водорода, до 5% серы, до 3% кислорода, до 2% азота. При сжигании 10 т нефти выделяется столько тепла как при сгорании 13 т антрацита или 31 т дров. Она является основой энергетики всех отраслей хозяйства. Известна и лечебная нефть, богатая нафтеновыми и ароматическими углеводородами. Химизм происхождения нефти до сих пор до конца и не выяснен. Человечество давно познакомилось с нефтью. Археологические раскопки свидетельствуют, что ещё в долине реки Ефрат нефть и продукты её окисления (асфальты) люди добывали 6 – 8 тыс. лет тому назад. Для бальзамирования мумий также использовали асфальт. Из нефти изготавливались лекарственные препараты. В Вавилоне нефтью освещали улицы. В 15 в. появляются первые асфальтированные улицы в Париже и Петербурге. Но главное – нефть нужна была для керосиновых ламп. После изобретения инженером В.Г. Шуховым метода перегонки нефти она стала универсальным топливом. Из курса географии вы знаете, что на территории Украины тоже есть месторождения нефти. Нефть залегает в районе Прикарпатья, Полтавской, Сумской, Черниговской областях, на территории Днепропетровска – Донецкого района.

Сообщение 2

Период времени в истории Земли, знаменующийся бурным развитием растительного царства, давший материал для образования каменных углей, геологи называют каменноугольным. Длительность этого периода составляет не менее 75 млн. лет. Этот период характеризуется пышной растительностью. И именно в этот период создались

условия для разложения отживших растений без доступа воздуха. Оно сопровождалось выделением ряда летучих продуктов распада и постепенным обогащением углеродом. Так на протяжении длительного времени происходило образование огромных залежей торфа, образцы которого вы видите в коллекции. Дальнейшая судьба его определялась особенностями геологической истории данного района. Если погружение суши было не большим и залежи торфа покрывались тонкими слоями осадочных пород, торф превращался в бурый уголь. (см. Коллекцию – образцы бурого угля), При значительном погружении суши и мощном накоплении осадков торф, подвергаясь значительному давлению, а иногда и действию высокой температуры, превращался в различные виды каменного угля и антрацит, который содержит больше всего углерода. Антрациты обладают наиболее высокой теплоотводной способностью и используются как высококачественное, бездымное топливо в металлургии и химической промышленности. В электротехнике из антрацита изготавливают микрофонный порошок. В таблице вы можете увидеть содержание углерода в углях.

Самое большое месторождение каменного угля на Украине - это Донецкое месторождение.

Сообщение 3:

Наиболее экономичный вид топлива, который широко используется в промышленности и быту – это газ. У него наиболее простая транспортировка, что делает его дешевле. Газ также является ценным сырьём для производства синтетических волокон, каучука, пластмасс, спиртов, жиров, взрывчатых веществ, медикаментов, азотных удобрений и т.д. Газ имеет такое же происхождение, как и нефть. Но если нефть известна человечеству более 8 тысячелетий, то газ стал применяться последние десятилетия. Хранящийся под землёй газ делят на природный (образует самостоятельные скопления) и попутный (находиться в нефти в растворённом состоянии). Газ состоит из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода, гелия и аргона.

Учитель: Но если нефть, уголь, газ кроме углерода и его соединений содержат различные примеси, то в природе существуют чистые формы углерода. Свободный углерод встречается либо в виде прозрачного, играющего огнями всех цветов радуги драгоценного самоцвета – алмаза, либо в виде непрозрачного темно-серого, почти чёрного, жирного на ощупь вещества – графита. Это природные аллотропные формы Углерода. Существует ещё одна, искусственно полученная аллотропная модификация углерода – карбин.

Самостоятельная работа по учебнику с дальнейшим обсуждением результатов работы.

1 Откройте учебники §19, найдите сообщения о физических свойствах графита и алмаза, заполните таблицу.

2. Обратите внимание на строение кристаллических решёток алмаза и графита и сделайте вывод о влиянии строения алмаза и графита на их физические свойства.

кристаллическая решётка алмаза

кристаллическая решётка графита

Сообщение 4

Алмазы были известны ещё народам древности. Слово «алмаз» происходит или от арабского «алмас», что означает «твердейший», или от греческого слова «адамас», означающего «несокрушимый», «непреодолимый». И то и другое намекает на твёрдость алмаза, который действительно является самым твёрдым из всех природных минералов. Долгое время единственными поставщиками алмазов были Индия и остров Борнео. В 30 годах 18 в. были обнаружены алмазы в Бразилии, в 1851 г в Австралии, в 1867 г. в Южной Африке. В течении 1954 – 1956 гг. богатые месторождения алмазов были открыты в Якутии.

Искусственно ограненные алмазы называют бриллиантами и являются предметом роскоши. Алмаз называют «королём» драгоценностей. Центральное место среди камней государственной короны, сделанной для английской королевы Марии, занимает алмаз «Кох и Нор» (106 каратов). А императрица Екатерина II получила от графа Орлова уникальный алмаз, который назвала «Орлов» (189,6 каратов). Бриллиантами украшали рамки миниатюрных портретов, ручки вееров, золотые табакерки, часы и множество других удивительных творений.

Крупные алмазы – большая редкость, число их невелико и «биография» каждого была связана с переходом из рук и в руки, от одного владельца к другому. История каждой такой драгоценности – это история человеческой подлости, дворцовых интриг, кровавых преступлений. Индийским алмазом «Шах» персидское правительство расплатилось за кровь известного русского дипломата и выдающегося писателя А.С. Грибоедова, павшего от руки наёмного убийцы 30 января 1829 г. в столице Персии Тегеране.

Алмазы – хорошие проводники тепла, электризуются при трении, не представляют преграды для рентгеновских лучей и химически устойчивы. Поэтому техника XXI в. с её высокими требованиями немыслима без алмазов.

алмаз Принцесса алмаз Орлов

Сообщение 5

Вторая аллотропная модификация углерода – графит. Графит издревле использовался человеком в качестве красящего вещества, для изготовления огнеупорной посуды. В XVI в. графит стали использовать для изготовления карандашей. Сейчас рамки использования графита сильно расширилось. Благодаря его исключительной жаропрочности и химической инертности графит используют в реактивных двигателях. Его применяют в литейном деле, в электромеханике, для изготовления смазочных материалов и красок, в порошковой металлургии, производстве полупроводников, в качестве блоков для атомных котлов, т. к. графит способен отражать нейтроны и снизить их скорость. Графит также используется для получения искусственных алмазов.

Древесный уголь, получаемый при нагревании древесины без доступа воздуха, является одной из разновидностей так называемого аморфного углерода. Исследования последних лет доказало, что «аморфный» углерод часто представляет собой мелкокристаллический графит. Замечательной особенностью этого угля является способность осаждать и удерживать на своей поверхности различные вещества: газы, растворённые в воде краски и т. п. Это явление называется адсорбцией.

Учитель: Проведем лабораторные опыты, доказывающие способность угля адсорбировать.

Демонстрация адсорбции.

Сообщение 6

Это явление было открыто в 1785 г. русским академиком Т.Е. Ловицем. Он же указал и на возможность использования этих свойств угля для практических целей, например, для очистки затхлой воды на кораблях, уксуса и т. п. В наставлениях к морской службе указывалось: «В дальних морских путешествиях с превеликой пользой употребляют уголья для отвращения порчи воды, обжигая бочки изнутри». Оригинальное применение явление адсорбции нашло в Англии, где с помощью угля очищался воздух, подаваемый в здание парламента. Оно расположено на реке Темзе, сильно загрязнённой гниющими остатками, которые отравляли воздух зловониями.

В первую мировую войну явление адсорбции нашло исключительное применение в борьбе с боевыми отравляющими веществами – ядовитыми газами или парами. Впервые в апреле 1915 года немцами была использована химическая газовая атака, которая принесла неисчислимые жертвы и страдания солдат. Профессор, а впоследствии академик Н.Д. Зелинский, выдающийся химик и учёный, изобрёл, и в июле 1915 г провёл испытания противогаз, который действовал на основе явления адсорбции. Вдыхание отравленного воздуха через угольный противогаз целиком очищало воздух от ядовитых примесей и предохраняло солдат от действия газообразных отравляющих веществ во время газовой атаки. Древесный уголь спас в былых войнах миллионы человеческих жизней от ужасных мучений и смерти.

Высокая адсорбционная способность угля широко используется в медицинской практике, где специальные сорта угля в виде порошка, таблеток применяются как универсальное противоядие при разнообразных отравлениях, а также для дезинфекции кишечника при некоторых заболеваниях.

Учитель. Третьим элементом, наиболее распространённым в природе является кремний. Название этого элемента произошло от латинского «ляпис креманс», что означает – камень, дающий огонь. Так назывался твёрдый камень, дававший при ударе искру, и долгое время служил человеку вместо спичек для получения огня. После изобретения огнестрельного оружия кремень использовали для зажигания пороха в кремневых оружиях и пистолетах.

В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит тепло, обладает металлическим блеском, однако электропроводность его мала. Кремний тугоплавок, кипит при температуре 2360 ⁰С. При комнатной температуре инертен, но при нагревании выше 500 ⁰С становится реакционноспособным и соединяется с кислородом, серой, хлором, бромом и другими элементами. Хорошо растворяясь в расплавленных металлах, кремний образует с некоторыми из них силициды. Сплав кремния с железом – ферросилиций используется для изготовления кислотоупорных изделий, а также для изготовления различных сортов специальных сталей. Кремний широко используется в полупроводниковой технике, создание кремниевых выпрямителей считается одним из величайших достижений мировой науки. Его используют в солнечных батареях. Успехи химии высокомолекулярных соединений ввели в круг интересов химиков – синтетиков и кремний.

С нахождением кремния в природе и другими областями его применения вы познакомитесь дома при подготовке к следующему уроку.

2.2 Обобщение и систематизация знаний.

Беседа: 1. Назовите аллотропные модификации углерода

2.Что такое адсорбция, адсорбенты?

3.Углём рисовали в каменном веке, да и сейчас художники используют уголь для рисунка или копирования картин. Почему приходиться такие рисунки закреплять химическим способом или использовать обработанную желатином бумагу?

3. Заключительная часть урока.

3.1. Подведение итогов работы на уроке.

Учитель: Мы познакомились с вами с двумя химическими элементами.

1. Как по вашему, почему я назвала этот урок «бенефис»?

2. Что нового вы узнали сегодня на уроке?

3. Насколько комфортно вам было сегодня на уроке?

3.2. Задание на дом: