Текстовый документ к учебному пректу по химии'Многоликий углерод' (10 класс)

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования

«Управления образования Североуральского городского округа»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №1

Учебный проект по химии

МНОГОЛИКИЙ УГЛЕРОД

Исполнители:

Сысолятина Анна, учащаяся 10Б класса

Дрангой Артемия, учащаяся 10Б класса

Руководитель:

Наседкина людмила Владимировна

учитель химии первой категории

Североуральский городской

2014

Учебный проект по химии

«Многоликий углерод»

Учебный предмет ( дисциплины , близкие к теме ): химия - тема «Соединения углерода».

Возраст учащихся: 10 класс.

Тип проекта: поисковый.

Продукты проекта: презентация выполнена в программе Power Point.

Основополагающий вопрос: Существует ли жизнь без углерода?

ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ:

• Что такое углерод?

• В виде чего углерод встречается в природе?

• Каково значение углерода в жизни человека?

Проблемный вопрос: ЧТО ТАКОЕ УГЛЕРОД?

Углерода на нашей планете сравнительно немного ( содержание углерода в земной коре 6,5*10^16 т Около 10^13т Углерода входит в состав горючих ископаемых ( уголь, природный газ, нефть и т. д.), а также в состав углекислого газа атмосферы(6*10^11т) и гидросферы (10^14т) , Однако без преувеличения можно сказать, что это один из важнейших элементов периодической системы . Уникальность его состоит не только в том , что на основе его соединений построено всё живое , но и в том , что нет ни одного другого элемента , у которого было бы столько простых веществ с совершенно разными свойствами.

Углерод (химический символ - C, (международное название Carboneum происходит от лат. Carbo-уголь.) - химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса - 12,0107

Древнерусское название югъль или угъль того же происхождения. В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом углетвор, с 1824 года Соловьёв ввёл название «углерод».

Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между углеродом и другими элементами образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях (эти связи могут быть одинарными, двойными и тройными). Способность углерода-образовывать 4 равнозначные валентные связи с другими атомами. Углерод создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов - линейных, разветвленных, циклических.

Проблемный вопрос: В ВИДЕ ЧЕГО УГЛЕРОД ВСТРЕЧАЕТСЯ В ПРИРОДЕ?

Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединённом состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трёх видах: в виде угля, алмаза и графита. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде углекислого газа в воде и воздухе , а в виде солей углекислоты и органических остатков - в почве и массе земной коры.

САМЫЙ ТВЁРДЫЙ - АЛМАЗ.

Алмаз - одно из самых тугоплавких веществ. Химический состав алмаза был установлен только в XVIII веке на основании опытов А. Лавуазье(1772), изучавшего горение алмаза на воздухе , и исследований С. Теннанта(1797) , который доказал , что одинаковые количества алмаза и угля дают при окислении равны количества углекислого газа.

Алмаз- минерал весьма устойчивый. Он не поддаётся воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, «царской водки»), даже доведённых до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. И в то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой .

Нагретый на воздухе до температуры выше 800С, алмаз сгорает с образованием углекислого газа. При нагревании без доступа воздуха при температуре около 1000 С алмаз превращается в графит.

Алмаз обладает очень сильной оптической дисперсией (0,044), вследствие чего отражённый свет разлагается на спектральные цвета. Эти оптические свойства в сочетании с необыкновенной чистотой и прозрачностью минерала придают алмазу яркий блеск, сверкание и игру.

В природных кладовых наряду с бесцветными встречаются окрашенные алмазы: фиолетовые, коричневые, светло-синие, бледно-зелёные, жёлтые и даже чёрные камни - карбонадо. Поверхность алмазов из наиболее древних месторождений ( возраст которых превышает 1 млрд. лет) имеет зелёную окраску, которая, однако, исчезает при механической обработке кристалла. Учёные объясняют возникновение зелёной «рубашки» на алмазах продолжительным воздействием на них естественного радиоактивного облучения. Если бомбардировать алмаз электронами с энергией 1 МэВ, а потом с определённой скоростью охлаждать, то алмаз становится сине-зелёным . Гамма-лучи придают алмазу равномерную голубовато-зелёную окраску.

По предположениям учёных, месторождения алмазов- глубины нашей планеты , где действуют огромные температуры и давления. Иногда магма выплёскивается оттуда в виде узкой, расширяющейся кверху кимберлитовой трубки (по имени южноафриканского города Кимберли, где эта порода была впервые обнаружена и описана).

В 1902 г. в Трансваале Томасом Куллинаном было открыто крупнейшее в Южной Америке месторождение алмазов, и здесь же 25 января 1905 года был найден величайший в мире алмаз, получивший название «Куллинан» . Камень «чистейшей воды» весил около 600 г(3106 каратов , по другим источникам -3025,75) и имел размеры 100*65*50 мм . В 1907 г. алмаз был подарен королю Эдуарду VII. При органке алмаз был расколот на две части. Одна часть в форме «груши» , весом 530,2 карата , получила название «Звезда Африки», или «Куллинан-I». Сегодня это самый крупный в мире бриллиант. Он нашёл место в верхушке королевского скипетра Великобритании. И второй осколок приобрёл форму «изумруда» ; он весит 317,4 карата, носит имя «Куллинан-II» и украшает британскую корону. Из частей алмаза, оставшихся после обработки первых двух бриллиантов , были огранены ещё несколько десятков бриллиантов.

Второй по величине алмаз, найденный в природе, - «Эксцельсиор» - до обработки весил почти 200 граммов.

В России алмаз впервые был найден в XVI в. в низовьях Днепра. Первое в России промышленное месторождение алмазов «Зарница» было обнаружено на реке Далдын в Якутии в 1954 г.

Алмазы образуются и вне земной коры- об этом свидетельствуют алмазные крупинки , обнаруженные в метеорите , упавшем в 1886г. вблизи деревни Новый Урей в Пензенской губернии.

Наиболее крупными известными и ценными историческими алмазами, принадлежащими нашей стране , являются «Орлов» и «Шах» . Оба камня изучены и детально описаны академиком А.Е. Ферсманом.

Алмаз «Орлов»- алмаз был найден в Индии в конце XVII века - начале XVIII века. По дошедшим до нас сведениям, алмаз при огранке «похудел». Изначально вес этого белого алмаза со слабым зеленоватым отливом оценивался в 400 карат, но после огранки в форму бриллианта его вес сильно снизился и оценивается в 189,62 каратов. Это один из немногих алмазов, сохраняющих первоначальную индийскую огранку.

Камень был приобретён в Амстердаме у армянского или персидского торговца за 400 тысяч флоринов придворным ювелиром Иваном Лазаревым (по некоторым сведениям, он был женат на племяннице продавца). Затем был выкуплен у Лазарева графом Г. Г. Орловым и в 1773 году преподнесён им Екатерине II в день именин вместо букета цветов в тщетной надежде вернуть её утраченную милость. Весть об этом поистине царском подарке облетела всю Европу, так как ни один из европейских монархов не мог похвастаться бриллиантом такого размера.

По менее романтичной версии, лазаревский диамант фаворит не покупал, денег за него не платил и очень недолго держал его в своих руках. Камень через посредничество А. Г. Орлова купила сама Екатерина II, заплатив за него из государственной казны. Но чтобы отвести от себя обвинения в мотовстве и неразумных тратах, она придумала целый спектакль, а камень получил имя Орлова.

Алмаз «Шах» - бриллиант индийского происхождения весом в 88,7 карата, который хранится в Алмазном фонде в Москве. Одна из величайших ценностей персидских шахов. Был передан в числе прочих даров российскому императору Николаю I правителем Персии Фетх Али-шахом после того, как в январе 1829 года в Тегеране произошло убийство русского посольства во главе с А. С. Грибоедовым. Безукоризненно прозрачный, легкого желтовато-бурого оттенка камень. Глубокая бороздка на нём свидетельствует, что его носили как талисман. Считают, что камень был найден в копях Голконды в XVI веке, перед тем как их забросили. По описанию Тавернье, в 1665 году «алмаз был подвешен к трону Великих Моголов и висел так, чтобы сидящий на троне постоянно видел его перед собой». На алмазе хорошо видны три выгравированных имени его владельцев и соответствующие даты в мусульманском летосчислении, основанном на лунном годе (в скобках приведены даты в привычном летоисчислении): Низам-шах, 1000 (1591); Шах-Джахан, 1051 (1641); Фетх-Али-шах, 1242 (1826).

В 1829 году, после резни в русском посольстве в Тегеране, в которой был убит представитель России А. С. Грибоедов, возникла угроза конфликта между Персией и Россией. Во избежание дипломатических затруднений в Петербург был отправлен сын наследника персидского престола, который в знак примирения передал императору Николаю I богатые дары; в их числе был и знаменитый крупный алмаз с искусной гравировкой на трёх гранях.

Однажды в 1820 г. в Лондоне разразился скандал. На одном из аристократических приёмов известный ювелир сказал хозяйке дома, что у неё в перстне не алмаз , а подделка. Дама, считавшая, что владеет самым крупным бриллиантом, была в шоке. Однако ювелир оказался прав: камень, по внешнему виду ничем не отличавшийся от алмаза, не царапал стекло . Это был страз - кусочек огранённого хрустального стекла , впервые полученного в 1790 г. Венским ювелиром Штрассером. Это свинцовое стекло с высоким содержанием PbO (до50%) близко по оптическим свойствам алмазу, в нём есть «игра цветов» и «алмазный» блеск , и только недостаточная твёрдость выдаёт его происхождение.

САМЫЙ МЯГКИЙ - ГРАФИТ.

Графит (от др.-греч. - пишу) - минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1-2 по шкале Мооса). Относительно мягкий. После воздействия высоких температур становится немного тверже, но очень хрупким. Плотность 2,08-2,23 г/см. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Не плавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10-12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах). Теплопроводность графита от 278,4 до 2435 Вт/(м*К), зависит от марки графита, от направления относительно базисных плоскостей и от температуры. Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300-1300 К, причем положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит. Трудно себе представить, что алмазы , сверкающие в коронах монархов, и невзрачный грифель мягкого «простого» карандаша - ближайшие родственники . Более того , графит - самая устойчивая при комнатной температуре аллотропная модификация углерода, поэтому теоретически все алмазы давно должны были бы превратиться в графит, но, к счастью, такая реакция протекает с заметной скоростью лишь при температурах выше 1000 С . Понятно , что идея изготовления карандашей из корон никогда не вызывала особого энтузиазма. В течение многих лет учёные искали способ превращения дешёвого и доступного графита в алмаз.

Первые попытки получить искусственный алмаз относятся к 1828 г. Лишь в середине 50-х годов XX в. английским естествоиспытателям удалось осуществить давнюю мечту . Давление в 3*10^6 атм. и температура в 3000 С сделали своё дело : кристаллическая решётка перестроилась и графит стал алмазом . В 1978 г. российские учёные разработали новый способ получения искусственных алмазов . Однако удивительной красоты, которую природа подарила алмазу, человек так и не смог добиться : искусственные алмазы по всем свойствам соответствуют природным собратьям , но по внешнему виду отличаются от них , как гадкий утёнок от прекрасного лебедя. По этой причине они стали добросовестными тружениками. Их используют в свёрлах, коронках, волоках для протяжки проволоки.

САМЫЙ ПРОЧНЫЙ - КАРБИН.

Карбин - аллотропная форма углерода на основе sp-гибридизации углеродных атомов. Состоит из углеродных фрагментов с тройной -С?С-С?С-, или двойной кумулированной =С=С=С=С= связью. Может быть линейным или образовывать циклические структуры.

Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9ч2 г/смі), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. Это вещество впервые получено советскими химиками В. В. Коршаком, А. М. Сладковым, В. И. Касаточкиным и Ю. П. Кудрявцевым в начале 60-х гг. в Институте элементоорганических соединений Академии наук СССР (ИНЭОС). Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причём под воздействием света его проводимость сильно увеличивается. На этом свойстве основано первое практическое применение - в фотоэлементах.

САМЫЙ УДИВИТЕЛЬНЫЙ - ФУЛЛЕРЕН.

Фуллерен, бакибол или букибол - молекулярное соединение, принадлежащее классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани.

В 1985 году группа исследователей - Роберт Кёрл, Харольд Крото, Ричард Смолли, Хис и О'Брайен - исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении (абляции) твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам, состоящим из 60 и 70 атомов углерода. Они предположили, что данные пики отвечают молекулам С60 и С70 и выдвинули гипотезу, что молекула С60 имеет форму усечённого икосаэдра симметрии Ih. Полиэдрические кластеры углерода получили название фуллеренов, а наиболее распространённая молекула С60 - бакминстерфуллерена, по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера, применявшего для постройки куполов своих зданий пяти- и шестиугольники, являющиеся основными структурными элементами молекулярных каркасов всех фуллеренов.

Следует отметить, что открытие фуллеренов имеет свою предысторию: возможность их существования была предсказана ещё в 1971 году в Японии и теоретически обоснована в 1973 году в СССР. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Кёрлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Единственным способом получения фуллеренов в настоящий момент (октябрь 2007) является их искусственный синтез. В течение ряда лет эти соединения интенсивно изучали в лабораториях разных стран, пытаясь установить условия их образования, структуру, свойства и возможные сферы применения. Установлено, в частности, что фуллерены в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах - их раньше просто не замечали .

Проблемный вопрос: КАКОВО ЗНАЧЕНИЕ УГЛЕРОДА В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА?

Углерод - важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры,), а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества -витамины, гормоны, медиаторы и др. Значительная часть необходимой организмам энергии образуется в клетках за счет окисления соединений углерода. Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений Солнца. Большинство животных потребляют углерод с пищей в виде уже готовых органических соединений. В зависимости от способа усвоения органических соединений принято различать автотрофные организмы и гетеротрофные организмы. Применение для биосинтеза белка и других питательных веществ микроорганизмов, использующих в качестве единственного источника углерода, углеводороды нефти, - одна из важных современных научно - технических проблем.

Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный 14С (в организме человека егосодержится около 0,1мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе. Так, с помощью радиоуглеродной метки была установлена последовательность реакции фотосинтеза, изучен обмен аминокислот, прослежены пути биосинтеза многих биологически активных соединений и т.д. Применение 14С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности 14С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

Заключение

Таким образом , ответ на наш основополагающий вопрос -СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ЖИЗНЬ БЕЗ УГЛЕРОДА?- таков: жизнь без углерода невозможна!

При работе над проектом мы узнали много интересного о простых веществах, в виде которых углерод встречается в природе.

Во время работы мы столкнулись с такими трудностями, как формулирование основополагающего вопроса и вытекающих из него проблемных вопросов.

Работая над проектом , мы научились работать в команде . выполняя разные социальные роли.

Мы считаем , что знания , полученные при создании проекта , помогут нам принимать самостоятельные аргументированные решения.

Ресурсы:

• http://ru.wikipedia.org -сайт «Википедия»

• Научно методический журнал «Естествознание в школе»