Спарений урок по хімії

     в 10 кл. природничого профілю на тему:

«Загальна характеристика елементів ІV А групи (місце в періодичній системі, будова атома, поширення у природі).  Алотропія Карбону. Хімічні властивості вуглецю. Застосування.»

                                                        Підготувала та провела

                                                        учитель  біології та хімії

                                                         Юр’ївської БСЗШ

                                                        Приморського р-ну

                                                        Запорізької обл.

                                                        Трофименко Наталія Валентинівна

Мета:  Охарактеризувати положення елементів ІV А групи в періодичній системі, розглянути будову атомів елементів цієї групи, сформувати уявлення про алотропні модифікації Карбону: алмаз, графіт, карбін, фулерени.

Розглянути хімічні властивості вуглецю та показати суть біосферного його значення, розглянути поняття адсорбція.

 Обладнання: періодична система хімічних елементів, моделі кристалічних ґраток, стакан з підкрашеною водою, активоване вугілля, лійка, фільтрувальний папір, комп’ютер, мультимедійний проектор.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу з використанням ІКТ.

                        Хід уроку

І. Організаційний етап

Привітання, створення у учнів позитивного емоційного настрою, включення в діяльність.

Використання інтерактивного прийому «Я вітаю»

Учитель вимовляє «Я вітаю тих, хто…»,  додаючи фрази «…вже прокинувся; випив кави; не снідав; хоче працювати; має на собі щось червоне; в доброму гуморі; хотів би дізнатись щось нове; хоче спілкуватись» тощо. Після кожної фрази учні, які вважають що фраза стосується їх, підводяться. Учитель та інші учні їм аплодують.

ІІ. Актуалізація опорних знань  (з демонстрацією слайдів)

Бесіда

1. Які елементи відносяться до ІV А групи?
2. Що ви знаєте про карбон?
3. Що таке алотропія та алотропні видозміни?

Учитель повідомляє тему уроку і просить учнів сформулювати цілі уроку, виходячи з теми.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу   (з демонстрацією слайдів)

1. Положення Карбону в періодичній системі, будова атома, валентність, ступінь окиснення.

Бесіда

В ході бесіди розглядаються наступні  питання

1.  Особливості положення елементів ІV А групи в періодичній системі.
2. Будова атомів елементів ІV А групи, спільні ознаки.

Атоми елементів підгрупи Карбону містять у зовнішньому електронному шарі nsnp – електронів; передостанній шар у атомів С і Si інертно-газовий (завершений), у Ge, Sn i Pb – 18-електронний.

Будова атома:

Електронна конфігурація атома: 1s²2s²2p²

Розміщення електронів за енергетичними комірками:

3. Валентність та ступінь окиснення елементів ІV А групи.

Наявність чотирьох електронів у зовнішньому електронному шарі атомів елементів підгрупи Карбону є ознакою того, що вони можуть бути чотиривалентними. Стабільність зовнішнього електронного шару може визначатись як відщепленням, так і приєднанням чотирьох електронів.

       Отже, елементи підгрупи Карбону можуть утворювати сполуки як з активними  

       неметалами, так і з металами, проявляючи при цьому ступені окиснення від +4 до –4.

Валентність Карбону становить IV, а ступінь окиснення має різні значення.

4. Як змінюються неметалічні властивості у елементів групи?

       При переході від Карбону до Плюмбуму радіуси атомів зростають, а здатність до 

      приєднання електронів, і, отже, неметалічні властивості послаблюються. Здатність 

      до утворення сполук з воднем та металами від Карбону до Плюмбуму послаблюється.

5. Унікальність атомів карбону з точки зору можливостей побудови ланцюжків, циклів і т.д. (органічні сполуки)

В атомі Карбону, на відміну від усіх інших елементів, число валентних електронів дорівнює числу валентних орбіталей. Це одна з основних причин значної стійкості зв’язку С – С і виключної здатності Карбону до утворення гомоланцюгів, які складаються з мільйонів атомів, поєднаних з атомами інших елементів.

2. Історія відкриття Карбону

 Ще у давні часи, за припущеннями вчених, людина познайомилася з вуглецем у вигляді деревного вугілля. Але хімічним елементом він був визнаний у 1775 році французьким вченим А.Лавуаз'є.

3. Поширення в природі

Розповідь учителя

По вмісту в земній корі карбон поступається багатьом елементам. Сполуки Карбону являються основою рослинних і тваринних організмів; він входить до складу карбонатів (вапняки і доломіти), горючих копалин – антрациту, кам’яного та бурого вугілля, горючих сланців, нафти, торфу, природних горючих газів та ін. Карбон в вигляді СаСО₃ входить до складу таких гірських порід, як мармур, крейда, вапняк.  У атмосфері та гідросфері Карбон є у вигляді карбон діоксиду (карбон(IV) оксиду). Карбон входить до складу всіх живих організмів. Всі органічні речовини у своєму складі обов’язково містять атоми Карбону. Тому органічну хімію називають хімією сполук Карбону.  У пароподібному стані та у вигляді сполук з Нітрогеном і Гідрогеном його виявили в атмосфері Сонця, планет, його знайшли у метеоритах.

4. Алотропні модифікації карбону

Відомо кілька алотропних модифікацій Карбону – алмаз, графіт, карбін, фулерен. Це тверді речовини з атомними кристалічними ґратками, які різняться будовою кристалів і фізичними властивостями.

Четверо учнів класу кілька уроків назад отримали домашнє завдання (інтерактивна форма «домашнє завдання на випередження»), підготувати повідомлення про алотропні модифікації Карбону.

Повідомлення  учнів

Алмаз –тугоплавка кристалічна речовина, хімічно малоактивна, діелектрик

Структурний елемент кристалічної ґраки алмазу представляє собою тетраедр, де кожен атом Карбону оточений на рівних відстанях чотирма іншими атомами. Всі атоми в кристалі пов’язані між собою якби в одну гігантську молекулу, чим і пояснюється його висока твердість і хімічна стійкість.

Алмаз - по праву вважається «королем каменів». Напевне ні з одним із дорогоцінних каменів не пов’язано стільки легенд, переказів та драматичних історій, як з алмазом.  Зустрічаються кристали безбарвні й забарвлені, прозорі і непрозорі. Із забарвлених різновидів найчастіше знаходять жовтуваті та коричневі, рідше зелені, блакитні та ін.

Найбільш поширена форма алмазних кристалів – октоедрична, рідше можна зустріти тетраедричні та інші форми. Унікальні ювелірні властивості алмазів в основному визначаються високим показником переломлення і тим що світло у кристалі поширюється в усіх напрямках однаково.

По твердості алмаз переважає всі відомі на даний час речовини. Твердість алмазу по шкалі Мопса дорівнює 10, а абсолютна твердість алмаза майже в 100 разів більше, ніж у кварцу. Але висока твердість пов’язана з високою крихкістю. Розбити алмаз можна ударом об який не будь твердий предмет.

Видобуваємі природні алмази в основному являють собою маленькі кристалики масою в долі каратів. Карат – одиниця вимірювання маси алмазів (1 карат = 200мг). Великий алмаз масою в 20 карат – рідкість, не кажучи вже про алмази масою в 500 – 600 карат та більше.

Чисті алмази піддають огранці, шліфують (алмазним порошком) і виготовляють із них діаманти.

Самий великий із знайдених алмазі отримав назву «Кулінан». Він був знайдений 27 січня 1905 року в районі м. Преторія (Південна Африка). З самого початку його маса становила 3106 карат, тобто 621г, і коштував близько 9млн фунтів стерлінгів. «Кулінан » був подарований англійському королю Едуарду VІІ. При обробці алмаз був розколений на 105 частин, найбільша з яких – «Зірка Африки», її маса 516,5 карат і має форму краплі.

Цікаво , що серед індійських діамантів є знаменитий «Шах» масою 89 карат, яким персидський уряд, «умилостивляючи білого царя», розплатився за кров відомого російського дипломата та видатного письменника О.С. Грибоєдова, загинувшого від рук розлюченого натовпу персидських фанатиків в 1829 р. в Тегерані – столиці Персії.

Першим дослідником природи алмазу вважають Р.Бойля, який показав, що при сильному нагріванні алмаз згоряє. Однак, зникнення алмазу в досліді Бойля деякі ювеліри та мінералоги пояснили як його випаровування. Істину про зникнення алмазу внаслідок його згоряння під інтенсивною дією вогню встановив А.Лавуаз'є. Серією дослідів йому вдалося показати, що в результаті згоряння алмазу утворюється “зв’язане повітря” – карбон (IV) оксид.

Штучні алмази отримують із графіту при тискові ~70х10⁸ Па і температурі ~ 1600 – 2000 ⁰С. Якщо використовувати перехідні метали (Fe, Ni, Pd, Pt) в якості каталізаторів, то тиск та температуру можна знизити.

Завдяки твердості технічні алмази використовують для свердління твердих порід, виготовлення шліфувальних дисків, різців, свердл, різання скла. Чисті алмази гранують, шліфують і виготовляють з них діаманти.

Графіт – кристалічна речовина, жирна на дотик, хімічно дуже стійка, тугоплавка (t_пл=3800^OC), сірого або чорного кольору з металічним блиском. Структура шарувата.  

Атоми Карбону розміщуються шарами із шестичленних кілець. У межах шару кожний атом Карбону утворює три хімічні зв’язки з трьома сусідніми атомами. За рахунок четвертих електронів зовнішнього шару виникає загальна система делокалізованого хімічного зв’язку. Саме цим і визначається електрична провідність графіту, його колір і блиск. Шари атомів Карбону об’єднуються в кристали силами міжмолекулярної взаємодії

Графіт раніше в основному застосовували як пишучу речовину. (в Росії в XVIIІ ст.. його називали карандашем, від монг. «кара» - чорний і «таш»  - камінь). З ХІХ ст. і по цей день використовують графітові електроди в металургії та хімічній промисловості, наприклад виробництві алюмінію: метал осідає на графітовому катоді. Зараз знайшли використання сталі з додаванням монокристалів графіту. Такі сталі використовують при виготовленні коленвалів, поршнів та інших деталей, де особливо важлива висока міцність та твердість матеріалів.

Здатність графіту розпадатись на лусочки дозволяє робити на його основі мастильні речовини. Графіт прекрасний провідник тепла (інколи кажуть, що графіт – це «металоподібний» вуглець). При цьому він може витримувати значні температури – до 3000 ⁰С і вище. До того ж він хімічно стійкий. Ці властивості знайшли застосування в виробництві графітових теплообмінників і в ракетній техніці (для виготовлення рулів соплових апаратів).

Порівнюючи графіт з алмазом, зазвичай відмічають малу механічну стійкість першого, але це справедливо лише при звичайних умовах. Чим вище температура, тим міцніше графіт – воістину унікальне явище, не говорячи про те, що графіт прекрасно витримує різкі перепади температур. Тому із суміші графіту з глиною роблять тиглі (ємкості) для плавки сталі та кольорових металів. Тканини з графітових волокон використовують в радіолампах.

Властивість графіту вповільнювати швидкі нейтрони дозволяє використовувати його в ядерних реакторах.

Останнім часом широке поширення отримали графітопласти – пластмаси, що в якості наповнювача містять природний чи штучний графіт і володіють рядом цінних властивостей, тому їх застосовують як цінний антикорозійний матеріал, який має високу тепло – та електропровідність, використовується при виготовленні теплообмінників, хімічної апаратури, трубопроводів, електродів, в виробництві підшипників, поршнів та інших деталей машин.

І ще з графіту роблять штучні алмази.

Карбін – речовина білого кольору, хімічно інертна, виявляє властивості напівпровідника. Має ланцюгову будову молекул, де атоми Карбону зв’язані між собою одинарними і потрійними зв’язками, що чергуються: −С≡С−С≡С−С≡С−, то лише подвійними: =С=С=С=С=С=С=С=.

Трапляється у природі у вигляді мінералу чаоіту. Добувають його і штучно.

Фулерени.

В 1996 р. троє вчених – Гарольд Корото, Роберт Керл, Ричард Смеллі – були удостоєні Нобелівської премії в області хімії за відкриття в 1985 р. молекулярної форми Карбону – фулерена. До фулеренів відносять речовини з парною кількістю атомів Карбону в молекулі: С₆₀, С₇₀, С₇₂, С₇₄, С₇₆, ….С₁₀₂₀ та ін. Ці дивовижні молекули складаються з атомів Карбону, об’єднані в п’яти-  і шестикутники із спільними ребрами. Свою назву вони отримали по прізвищу американського архітектора і інженера Ричарда Бакмінстера Фулерена., який побудував на виставці в Монреалі в 1967 р. павільйон США, використовуючи конструкцію із сполучених п’яти- та шестикутників.

В1990 р. було вивчено будову найпростішого фулерену, який складається з 60 атомів Карбону.  Це бакмінстерфулерен. Молекула С₆₀ нагадує футбольний м’яч: вона складається з 12 п’ятикутників та 20 шестикутників. Такий багатогранник має високу симетрію, близьку до сферичної.  Кожен атом Карбону в молекулі С₆₀, як і в графіті, пов'язаний з трьома іншими атомами. В перших дослідах фулерени отримували випаровуванням графіту в атмосфері гелію під дією потужного лазерного імпульсу. Пізніше виявили , що фулерени утворюються при пропусканні гелію через електричну дугу між графітовими електродами. В осідаючій на стінках реактора сажі міститься до 15% фулеренів.

Фулерени являють собою кристалічну речовину чорного кольору з металічним блиском, володіючи властивостями напівпровідника. При тискові 2-10⁵ атм і кімнатній температурі бакмінстерфулерен перетворюється а алмаз. При температурі біля 800 ⁰С фулерен переходить у газоподібний стан.

В 1992 р. фулерени виявлені в природі в мінералі шунгіті, названому в честь селища Шульга в Карелії. Не дивно, що довгий час домішок фулерену в шунгіті не помічали: його там лише біля 0,001%.

5. Адсорбція

Розповідь учителя з демонстрацією досліду

Існують ще так звані вуглецеві матеріали (раніше їх називали „аморфний вуглець”). До них належать кокс, деревне вугілля, сажа. Вони не є самостійними алотропними формами Карбону, оскільки вони мають таку кристалічну структуру як графіт, але кристали розміщені безладно.

Сажу використовують як наповнювач для гуми і пластмас, пігмент для друкарської фарби, копіювального паперу, стрічки для друкарських машинок.

Кокс використовують у металургії як паливо і відновник.

Застосування деревного вугілля ґрунтується на його здатності притягувати до своєї поверхні молекули речовин із навколишнього середовища (вбирання на поверхні). Таке явище називають адсорбцією. Зрозуміло, що чим більша поверхня, тим сильніша адсорбція. Щоб збільшити поверхню вугілля, його активують - обробляють поверхню водяною парою для видалення з його пор сторонніх домішок і збільшення поруватості. Таке вугілля називають активованим.

Активоване вугілля чудовий адсорбент (вбирник). Його використовують у промисловості для очищення газів, вловлювання цінних органічних розчинників, у медицині – для очищення крові і вбирання шкідливих речовин із шлунково-кишкового тракту.

В роботі протигазу також закладене явище адсорбції. Вперше протигази були використані в Першу світову війну, тоді ж коли вперше були застосовані отруюючи гази (хлор та іприт). Протигаз, запропонований в той час російським професором Зелінським, зберігся в своїй основі, але зараз він модернізований.

6. Хімічні властивості вуглецю.

Розповідь учителя з демонстрацією слайдів

Вуглець виявляє невисоку хімічну активність: більшість реакцій за його участю відбувається лише за високої температури.

Найголовніша хімічна властивість вуглецю – його відновна здатність.

Вуглець – чудовий відновник:

взаємодіє з киснем. Вуглець легко горить на повітрі. При цьому виділяється багато теплоти, що свідчить про велику міцність зв’язків у молекулі карбон(IV) оксиду, що утворюється:

Продукт реакції залежить від температури. За порівняно невисоких температур горіння утворюється карбон діоксид (карбон(IV) оксид), а за високих (понад 1000^OC) – поряд із карбон діоксидом утворюється карбон монооксид (карбон(ІІ) оксид):

взаємодіє з оксидами металів.

                                                     С + СuO = CO ↑+ Cu

При наявності вільного повітря замість СО утворюється СО₂.

                                                     С + СuO = CO₂ ↑+ Cu

взаємодіє з водою. Якщо на розжарений вуглець подавати водяну пару, то внаслідок реакції утвориться водяний газ – суміш карбон(ІІ) оксиду і водню:

Водяний газ використовують як сировину для синтезу хімічних продуктів.

відношення до лугів та кислот. Вуглець стійкий до дії лугів і кислот. Лише концентровані сульфатна і нітратна кислоти за температури 100^OC окислюють його:

У реакціях з металами та воднем  вуглець виступає як окисник, що для нього не характерно:

з металами з утворенням карбідів:

з воднем за високої температури і наявності каталізатора:

7. Застосування вуглецю.
8. Закріплення та узагальнення знань

     Самостійна робота

1. Скласти схеми електронного балансу наступних реакцій:

Ca + 2C = CaC₂

4A1 + 3C = A1₄C₃

C + 2FeO = 2Fe + CO₂

Визначити окисник і відновник.

2. Розрахувати об’єм карбон (IV) оксиду, якщо згоріло 5 кг. вугілля, в якому знаходиться 20% домішок?

Висновки до уроку  (продовж речення)

1. Біологічне значення Карбону в тому, що…(?)
2. Особливістю атомів Карбону є їх здатність утворювати…(?)
3. Можливі ступені окислення Карбону… (?)
4. Вуглець в хімічних реакціях проявляє окисно – відновну подвійність, наприклад…(?)
5. Алотропні модифікації Карбону, це…(?)

Продовження

1. …всі, без виключення живі організми складаються із сполук Карбону.
2. …довгі ланцюги.
3. …+2; +4; -4.
4. …відновні – з оксидами металів та киснем, а окисні  - з воднем та металами.
5. …алмаз, графіт, карбін, фулерени.

9. Домашнє завдання

1. Вивчити §19 та 20 (без кремнію)
2. Виконати завдання 119 і 120 ст.91
3. Індивідуальне завдання. Підготувати презентацію по темі «Кремній»

        9. Підведення підсумків уроку.