"Общая характеристика химических элементов IVА группы"

Корючкин Михаил Александрович, Учитель химии

Цели урока: повторить строение атома и аллотропию на примере углерода. Рассмотреть строение, свойства и применение алмаза и графита. Познакомить учащихся с явлением адсорбции и его практическом применении. Разобрать химические свойства углерода.

Оборудование и реактивы.
модели кристаллических решеток алмаза и графита,
рисунок молекулы фуллерена,
древесный уголь,
таблетки карболена,
противогаз,
колба с оксидом азота (IV),
прибор для восстановления меди из оксида меди (II),
диапроектор,
презентация на основе диафильма “Элементы IV группы Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева” (Химия, 9 класс) студия “Диафильм”, Москва;
учебник О. С. Габриэлян Химия 9 класс. – М.: Дрофа,1998.

Ход урока

I. Организационный момент.

Сегодня мы с вами продолжаем путешествие по таблице Д.И. Менделеева. И наша остановка IV гр. главная подгруппа. Обратите внимание на тему сегодняшнего урока: “Общая характеристика химических элементов IV А группы”. Какие элементы входят в состав этой группы? (C, Si, Ge, Sn, Pb). И мы начинаем с элемента имеющего наибольшее значение. Что это за элемент?

II. Запись темы “Углерод” и постановка целей урока через его алгоритм.

На доске

Алгоритм

Общая характеристика химических элементов IV А гр.

Углерод – важнейший представитель.

Строение и свойства атома.

Строение и свойства простого вещества

а) аллотропные модификации углерода, их физические свойства и применение. Адсорбция.

б) химические свойства углерода.

Ваша же задача по ходу урока вести краткий конспект.

Изучение нового материала.


[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]

По I пункту плана 1 уч-ся у доски дает сравнительную характеристику элементов IV А гр., используя таблицу 1 стр. 4 учебника.

По II пункту плана 1 уч-ся у доски дает характеристику положения в таблице Менделеева и строения атома углерода.

С IVA гр. II пер.

Аr=12, Z=6

е-=6

р+=6

n0=6

Объяснение учителя по таблице “Строение атома углерода” (см. приложение).

При избытке энергии в системе один из электронов, располагающихся на внешнем энергетическом уровне, переходит в р-ячейку. Такое состояние углерода носит название возбужденного.

Исходя из такого строения атома углерода, попробуйте предположить его свойства.

Степени окисления: -4 (СН4, Аl4С3); 0 (С); +2 (СО); +4 (СО2).

У атомов каких элементов атом углерода способен отнять электроны? Какие у него отнимут? (работа с рядом электроотрицательности неметаллов)

Сделайте вывод о строении и свойствах атома углерода. (Т.к. на внешнем энергетическом уровне атома углерода находится 4 электрона, он может быть как окислителем, так и восстановителем).

3. Рассмотрим с вами вторую форму существования хим. элемента углерода – простое вещество – его строение и свойства.

Для простого вещества углерода характерно явление аллотропии. Вспомним, что такое аллотропия? И какие ее причины? (Беседа). Основной причиной аллотропии углерода является различное строение кристаллической решетки
алмаз имеет объемную тетраэдрическую атомную решетку.
графит – плоскостную атомную кристаллическую решетку.
карбин - линейную.

В качестве экзотической модификации хочу вам показать фуллерен. (Демонстрация рисунка).

Рассмотреть физические свойства и применение этих веществ мне помогут докладчики. (Демонстрация презентации и доклады уч-ся. Доклады учащихся составлены на основе “Книги для чтения по неорганической химии” ч. 2 / сост. В. А. Крицман. – М.: Просвещение, 1984.).

Доклад “Алмазы” (см. приложение)

Кадр 6

В свободном состоянии углерод образует несколько аллотропных модификаций. Наиболее известны две: алмаз и графит.

В 1913 г. английские ученые, отец и сын Брэгги, изучили методом рентгеноструктурного анализа кристаллы алмаза. Они установили, что структурный элемент кристаллической решетки алмаза представляет собой тетраэдр, где каждый атом углерода окружен на равных расстояниях четырьмя другими атомами. Все атомы в кристалле связаны между собой прочными ковалентными связями. Таким образом, алмаз представляет собой как бы одну гигантскую молекулу, чем и объясняется его большая твердость и химическая стойкость.

Кадр 7

Алмаз прозрачен, бесцветен, хотя встречаются и окрашенные образцы (желтоватые и коричневатые, реже зеленые, голубые и др.) Он не проводит электрический ток. Это самое твердое из природных веществ. Твердость алмаза по шкале Мооса равна 10, а абсолютная твердость алмаза почти в 100 раз больше, чем у кварца. Но высокая твердость в данном случае связана с высокой хрупкостью. В этом смысле название “алмаз”, происходящее от греческого слова – несокрушимый, неизменный, не вполне точно. “Сокрушать” алмаз можно ударом о какой-нибудь твердый предмет или сжиганием.

Уникальные свойства алмаза издавна были известны людям, но долгое время он использовался только в ювелирном деле. Ювелирные свойства алмаза во многом определяются высоким показателем преломления и тем, что свет в кристаллах алмаза распространяется одинаково во всех направлениях.

Добываемые природные алмазы в основном представляют собой маленькие кристаллики массой в доли карат. Карат – единица измерения массы алмаза (1 карат – 200 мг).

Крупный алмаз массой в 20 каратов – редкость, не говоря уже об алмазах массой в 500-600 каратов и выше. Каждый такой гигант имеет свое название и, как правило, увлекательную, драматическую “биографию”. Возьмем, к примеру, историю алмаза “Орлов”, хранящегося ныне в Алмазном фонде РФ. Камень был найден в Индии в начале XVIII в. И огранен в виде высокой розы. Его первоначальный вес составлял около 300 каратов. Шах-Джихан, один из великих Моголов – правителей Индии, приказал его перегранить, после чего он получил форму современного “Орлова” и вес 190 карат. В результате дворцового переворота Шах-Джихан попал в плен к собственному сыну – Ауренг-Зебу, захватившему власть. Алмаз перешел к новому повелителю. Чуть позже Индия была захвачена правителем Ирана Надир-шахом Афшаром. При Надир-шахе алмаз, называвшийся раньше “Великим Моголом” получил новое имя “Дерйа-и нур” - “море света”. После убийства Надир-шаха “Дерйа-и нур” был украден одним французским солдатом и попал на рынок в Амстердам, где его и купил в 1772г. граф Орлов в подарок Екатерине II. В России алмаз получил имя “Орлов” и был вставлен в царский скипетр.

Алмаз “Шах” имеет похожую историю, т.е. он тоже принадлежал Великим Моголам, потом персидскому шаху Надиру, но в отличие от “Орлова”, он был в 1829 году поднесен персидским шахом Хозрев-Мирзой Николаю I как выкуп за убийство русского дипломата и писателя А.С. Грибоедова. Алмазы “Шах” и “Орлов” - это одни из семи исторических камней Алмазного фонда.

Кадр 8

Алмазы ценились очень высоко, добыча их стоила большого труда, и пожертвовать алмаз на исследования многие столетия охотников не находилось, поэтому химические свойства алмазов заинтересовали ученых только в конце XVII в. Было установлено, что алмаз малоактивен, но при нагревании до 6000С в кислороде способен гореть, образуя углекислый газ. Впервые же алмаз был сожжен при помощи установки, которая показана на рисунке.

Кадр 9

Сегодня алмазы находят широкое применение в науке и технике. Так только 5-7% мировой добычи алмазов идет на ювелирную обработку, все остальные – в металлургию и машиностроение (резцы, сверла, фрезы, пилы и др. режущие и абразивные инструменты), в радиоэлектронику и приборостроение (производство опор и подшипников для особо точных приборов, порошки для обработки часовых камней, использование алмазов в качестве полупроводников), в геологоразведку и в горную промышленность (буровые установки и инструменты).

Именно поэтому возникает проблема искусственного получения алмазов.

Кадр 10

В земной коре кристаллизация углерода происходит по-видимому, на больших глубинах при давлении около 200 тыс. атм и температуре 30000С.

В средние века ученые пытались воссоздать искусственно данные условия. Так они сильно нагревали вещества, содержащие углерод, а потом резко охлаждали. Современные достижения науки и техники позволяют получать алмазы искусственно. В 1939 г. советский физик О.И. Лепунский рассчитал условия, при которых графит переходит в алмаз:
Р~70х108 Па
t~ 1600-20000С

В настоящее время найдены катализаторы, позволяющие значительно снизить Р и t при получении алмазов (до 50х108 Па и t до 2000С).

Доклад “Графит” (см. приложение)

Вторым аллотропным видоизменением углерода является графит.

Кадр 11

У графита атомы углерода расположены слоями, состоящими как бы из шестиугольников. Над серединой каждого шестиугольника одной плоскости расположен атом углерода другой, соседней плоскости. Расстояние между отдельными атомами одного слоя меньше расстояний между слоями.

Кадр 12

Атом углерода внутри плоскости шестиугольника связан с тремя соседними прочной ковалентной связью.

Четвертый валентный электрон отрывается от атомного остова и образует электронный газ, поэтому отдельные слои очень плохо связаны друг с другом. Что отражается на свойствах графита.

Кадр 13

Графит – вещество серо-стального цвета, мягок и жирен на ощупь. Он является хорошим проводником электричества (т.к. есть свободные электроны) и легко расщепляется параллельно плоскости слоев. Поэтому его используют как пишущее средство (от греческого “графо” - пишу, а в XVIII в. В России его называли карандашом, от монгольского “кара” - черный и “таш” - камень). С XIX в. и по сей день используют графитовые электроды в металлургии и химической промышленности, например в производстве алюминия: металл осаждается на графитовом катоде. Сейчас нашли применение “графитизированные” стали, т.е. стали с добавлением графита. Эти стали используют при изготовлении коленчатых валов, поршней и других деталей, где особенно важна высокая прочность и твердость материала.

Способность графита расщепляется на чешуйки, позволяет делать на его основе смазочные вещества. Графит – прекрасный проводник теплоты (иногда говорят, что графит – это “металлоподобный” углерод). При этом он может выдерживать значительные температуры, до 30000С и выше. К тому же он химически довольно стоек. Эти свойства нашли применение в производстве графитовых теплообменников и в ракетной технике (для изготовления рулей сопловых аппаратов).

Кадр 14

Благодаря уникальным свойствам графита отражать нейтроны и замедлять их движение его используют в атомной технике.

В последнее время широкое распространение получили графитопласты – пластмассы, содержащие в качестве наполнителя природный или искусственный графит и обладающие рядом ценных свойств. Так, например, ангемит – полимер на основе искусственного графита и фенолформальдегидной смолы – обладает высокой теплостойкостью, не разрушается под действием солей, кислот, щелочей, органических растворителей.

Ангемит применяют как хороший антикоррозийный материал, обладающий высокой теплопроводностью и электрической проводимостью. Его используют при изготовлении теплообменников, химической аппаратуры, трубопроводов, электродов и т.д.

Помимо ангемита, наша промышленность выпускает другие графитопласты с большой механической прочностью, которые можно использовать в производстве подшипников, поршней и др. деталей машин.

Большое значение в получении полимеров имеют графитовые волокна. Полимеры на их основе обладают высокой термостойкостью и способностью работать долгое время при повышенной температуре. Такие материалы бывают прочнее стали.

Кадр 15

Недавно удалось получить еще одну разновидность углерода – карбин – линейный цепной полимер. Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплениями более крупных частиц. Оказалось, что карбин – самая устойчивая форма углерода. В тех условиях, при которых графит переходит в алмаз за 30 мин., карбин не изменяется и после 15 ч. выдержки. Несомненно, что у карбина большое будущее.

Кадр 16 (доп.)

Сажу используют для изготовления типографской краски, картриджей, резины, косметической туши.

Кадр 17

Кокс применяется в доменных печах при выплавке чугуна из руд. Древесный уголь применяется в качестве топлива в кузнечных горнах, жаровнях, самоварах: в металлургии при выплавке некоторых цветных металлов и особо чистых сортов чугуна, т.к. не содержит вредных примесей, имеющихся в коксе.

Кадр 18, 19 без дополнений.

Адсорбция – способность поглощать газы и растворенные вещества (работа с понятием). (Демонстрация опыта поглощения активированным углем бурого газа NO2).

Применение древесного угля: (демонстрация таблеток карболена)
медицина
очистка спирта от сивушных масел
очистка сахара на рафинадных заводах от веществ, придающих ему желтый цвет
на основе адсорбционных свойств древесного угля русский химик Николай Дмитриевич Зелинский разработал фильтрующий противогаз (демонстрация строения фильтрующей коробки противогаза).

Проблемный вопрос: Адсорбция – это физический или химический процесс? (физический, т.к. при этом не изменяется состав вещества).

4. Химические свойства углерода.

Осуществите следующую цепочку превращений:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Демонстрация опыта восстановления меди из ее оксида углем.

Вывод: таким образом, мы рассмотрели с вами строение и свойства атома и простого вещества, образованных углеродом


Размер:9,7 Мв

Скачать презентацию(ссылка обновлена 30 ноября 2011 г):

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]