МЕТОДИЧЕСКИЕ
ААААААААААААААААААААА
МАТЕРИАЛЫ
ОРИЕНТИРЫ
К УРОКУ
СКАЗКА ОБ УГЛЕРОДЕ
К уроку по теме «Элементы IV группы»
Шоботенко Т. И.
Жили-были атомы углерода. Адрес у них был
обычный: планета Земля, материк Химия, страна Простые вещества, городок Углерод; атомы же
у него были необыкновенные, так как очень любили фантазировать благодаря четырем неугомонным
электронам на внешнем энергетическом уровне:
одному сферическому s-электрону и трем близнецам — гантелеподобным р-электронам. С ними происходили всяческие метаморфозы, которые приводили к образованию веществ, настолько разных по
свойствам, что не верилось, что они состоят из одинаковых атомов — атомов углерода.
У электронов был порыв братской дружбы, и они
становились неразлучными. Их невозможно было
отличить — образовывались четыре гибридных орбитали с углом 108° 28', направленные к вершинам
тетраэдра, с длиной связи 0,154 нм. Образовавшееся вещество имело невероятный блеск, чрезвычайно прочный и твердый характер, было прозрачным
и диэлектрическим в отношениях, с высокой точкой
кипения. Это — прочный алмаз.
И все же в алмазе самыми близкими в отношениях были группы по восемь атомов. Если же четыре из них (один тетраэдр) в дискуссии отклонялись от четырех других атомов (второй тетраэдр)
на 60°, то образовывался лонсдейлит. Как известно, в споре рождается истина: оказалось, что новое
соединение тверже алмаза на 58 %. Вот такие метаморфозы.
Дальше нас ждут ещё более интересные открытия. Итак, вернемся к четырем электронам углерода.
Не всегда все они находились в контакте. Если
один р-электрон отделялся от них глухой стеной недоразумения, то образовывались три гибридные орбитали с углом 120°, которые размещались в одной
плоскости с расстоянием между ними 0,134 нм.
Как видите, заинтересованность в общении возросла, и длина связи уменьшилась. Так у алмаза
и лонсдейлита, родных братьев, появились двоюродные: графит, графен, фуллерены, углеродные
нанотрубки, стекловидный углерод. Но все по порядку.
Старший сероглазый брат графит имел непрозрачный, мягкий, слоистый характер, где уступчивость (с ним договаривалась даже бумага) сосуществовала с огнестойкостью и жаропрочностью,
а при температуре 2000 °С — пластичностью, а несговорчивый p-электрон придавал ему электропроводность и металлический блеск.
Если же разделить слои атомов углерода в графите, оставив атомы, соединённые только дружескими электронами, то образуется графен (лауреат
Нобелевской премии по физике 2010 года) — материал большей механической жесткости (дружба цементирует отношения) и хорошей тепло- и электропроводности (негибридизированные р-электроны
в свободном плавании). Перед вами суперзвезда —
будущая основа наноэлектроники.
ХИМИЯ. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
29
Кристаллическая решетка алмаза
Кристаллическая решетка лонсдейллита
Кристаллическая решетка графита
Внимание! Если одну или несколько гексагональных графитовых плоскостей свернуть в трубку — цилиндр диаметром от одного до нескольких
нанометров и длиной до нескольких сантиметров,
получим тубуллены (углеродные нанотрубки).
Представьте себе: в этих нанозданиях могут поселяться активные молекулы, металлы, газы — жилой вопрос решен, все адреса установлены, субсидии нашли своих адресатов. И если сказка
(довольно длинные нанотрубки) станет реальностью, то такой нанотрос сможет поднимать больше тонны.
№ 4 (16) апрель 2012 г.
МАТЕРИАЛЫ
МЕТОДИЧЕСКИЕ
АААААААААААААААА
К УРОКУ
ОРИЕНТИРЫ
Оказывается, атомы углерода, как и миллионы людей, любят футбол. Иначе как объяснить их
способность образовывать молекулы, которые по
форме напоминают футбольный мяч. Они состоят
из пяти- и шестиугольников и так и называются —
бакиболы (другое название — фуллерены, в честь
архитектора Фуллера, изобретшего эту конструкцию). Собранные вместе, они образуют фуллериты,
которые являются полупроводниками. Если же их
легировать небольшим количеством щелочного металла, они становятся проводниками, а при низких
температурах — сверхпроводниками. Представляете изменения? А они могут ещё и не такое!
Перейдем к третьей родственной линии атомов углерода. Когда стремятся к изменениям только два электрона — по одному s и р, а два других
р-электрона не желают изменяться, их всё устраивает, то образуются только две гибридные орбитали под углом 180°, но с чрезвычайным доверием
в отношениях, расстояние между ядрами атомов
углерода ещё уменьшается и составляет лишь
0,120 нм. Такие линейные цепочки атомов, соединенные одинарными и тройными (α-форма) или
только двойными (β-форма) связями, образуют порошок черного цвета — карбин. Его высокая биологическая родственность и нетоксичность дают
возможность из волокон с карбиновым покрытием
получать протезы кровеносных сосудов, неотталкивающие крепкие шовные нити, покрытия трущихся поверхностей искусственных суставов, а карбиновые фотоэлементы надежны вплоть до 500 °С. Это
просто фантастика!
Кристаллическая
решетка карбина
Кристаллическая
решетка бакибола
По сказке нужно составить следующее:
1. Кластер (см. рис.).
2. Упражнение «О чем? Что? Как? Зачем?»
1) О чем сказка? (Об аллотропных видоизменениях углерода)
2) Что они собой представляют? (Значительное
количество веществ с разным строением
и свойствами)
3) Как это стало возможным? (Благодаря четырем
валентным электронам углерода, способным
гибридизироваться в разных количествах)
4) Зачем? (Чтобы показать разнообразие вариантов образования веществ в зависимости
от строения)
3. Сенкан
Вещество.
Прозрачное, бесцветное.
Сверлит, шлифует, украшает.
Очень твердое соединение.
Алмаз.
Вещество.
Непрозрачное, мягкое.
Расслаивается, смазывает, замедляет.
Тугоплавкое, химически стойкое,
электропроводное соединение.
Графит.
Кластер к сказке
Кристаллическая
решетка графена
Кристаллическая
решетка тубуллена
алмаз
лонсдейллит
0,154 нм
108°28′
И это ещё не вся родня углерода. Есть ещё переплетения первой и второй родственных ветвей:
углеродные нанопочки, углеродная нанопена, гексагонит, образование нескольких атомов: С, C2 ,
C3 , C8 , и, наконец, соседи: углеволокно, гипералмаз, металлический углерод, технический углерод... Как видите, городок Углерод постоянно заселяют новые вещества, возможно, одна из ваших
доработок поселится здесь, так как места есть.
Если вас заинтересовали родственники углерода, и вы хотите познакомиться с ними ближе, зайдите в Интернет — они вас не разочаруют.
№ 4 (16) апрель 2012 г.
30
пространy
ственная
sp3
стеклоy
видный
углерод
180°
120°
углеродy
ные
наноy
трубки
атом Карбону
полиин
α
sp2
sp
0,134 нм
0,120 нм
фуллерен
карбин
линейная
плоскостная
графит
βyполиy
кумуллен
графен
ХИМИЯ. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ
Оформите подписку на 2012 г.
ОПЫТОМ
ОРИЕНТИРЫ
ОБМЕН
МЕТОДИЧЕСКИЕ
А. И., Стунеева Ю.
ОПЫТОМОРИЕНТИРЫ
МЕТОДИЧЕСКИЕ
ОБМЕН
таблицы школьниНа основании результатов
явления, но и полузависимости электропроводности
характеристики изучаемого
для ки строят графики
хлоридов
капель 1М растворов
данные, необходимые
чить количественные
к 100 мл
про- растворов от числа
и алюминия, добавленных
применяющим ЦЛ, легче
анализа. Учащимся,
и само- натрия, кальция
1, 3 и 4).
познаваемого процесса
воды (см. рис. 2, кривые
никнуть в сущность
правильному решению.
стоятельно прийти к
рассмотрим организаВ качестве иллюстрации
с использованием ЦЛ
цию учебного исследования
изучению электролитичена уроке, посвящённом
ской диссоциации.
зависимости электричеПосле установления
от их строения, обвеществ
ской проводимости
диссоциации электролитов
суждения механизма
девятиклассники подходят
в водных растворах
доэкспериментального
к вопросу о возможности определенного числа
казательства образования
конкретного электролита.
ионов при диссоциации
экспериментально проверить,
Действительно, как
об1 моль хлорида натрия
растворов
что при диссоциации
при диссоциации хлорида
Рис. 2. Зависимость электропроводности
—
разуется 2 моль ионов,
1М растворов:
а хлорида алюминия
от числа капель добавленных
кальция — 3 моль ионов,
; 3 — CaCl2 ; 4 — NaCl;
1 — AlCl3 ; 2 — Al (NO3 )3
4 моль?
электропроводноКоличественное измерение
5 — NaNO3
для понимания процессти растворов [5] важно
следующие водиссоциации. ДевятикласЗатем в группах обсуждаются
сов электролитической
опыт
провести лабораторный
сникам предлагается
сильно просы:
разные углы наклона?
электропроводность
в группах и измерить
1. Почему графики имеют
хлорида натрия, кальция
Как это можно объяснить?
разбавленных растворов
дисразличпричины
электролитической
объяснить
затем
и алюминия, а
2. Напишите уравнения
растворов. Перед
хлоридов. Сопоставьсоциации исследованных
ной проводимости исследуемых
запри диссоциазадача: установить
те число ионов, образующихся
школьниками поставлена
и построенраствора от числа
каждого электролита,
моль
1
ции
висимость электропроводности
при диссоциации исследуеные графики.
ионов, образующихся
урока школьникам предмого электролита.
На следующем этапе
Пемерного цилиндра отмеряповедение нитратов.
Ученики с помощью
воды в химический лагается спрогнозироватьисследованием ученикам
ют 100 мл дистиллированной
элек- ред экспериментальным
в качестве
него датчик и измеряют
стакан, погружают в
1М предлагается выдвинуть предположения
Затем добавляют 1 каплю
тропроводность воды.
ста- ответов на следующие вопросы:
перемешивают. После
диссоциации
при
хорошо
и
NaCl
образуется
раствора
значе1. Сколько ионов
прибора записывают
билизации показаний
Про1 моль нитрата натрия?
раствора в таблицу.
графика, если измерять
ние электропроводности
2. Каким будет наклон
допо каплям, ученики
раствора, полученного
должая добавлять электролит
исследуэлектропроводность
электропроводности
нитрата алюминия
фиксируют значения
бавлением 1М раствора
измерения проводят
емого раствора. Аналогичные
к 100 мл воды?
AlCl3 .
проверяются эксперис растворами CaCl2 и
Выдвинутые гипотезы
каких-то
кривые 2 и 5). Если в
ментально (см. рис. 2,
испытывают затруднерастворов хлоридов
Электропроводность
группах девятиклассники
то ормкСм/см
полученных данных,
натрия, кальция и алюминия,
ния с интерпретацией
между группами. Заганизуется обмен мнениями
в поддержании дискуссии,
Число капель 0,1М раствора
дача учителя состоит
Электролит
аргументом может выступать
в уточнении того, что
6 7 8 9 10 11
установленный факт.
0 1 2 3 4 5
NaCl
экспериментально
только
учебного исследоРассмотренная организация
получить знания об
CaCl2
вания позволила школьникам
диссоциации, а впоследствии
электролитической
вопросу о силе электролита,
осознанно подойти к
AlCl3
№ 3 (15) март 2012 г.
12
ХИМИЯ. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
Б.
Зимина
2. Дорофеев М. В.,
применения цифровых
реакций ионного
Принципы эффективного
№ 2. —
о механизме и направленности срезов, проведенв школе. — 2010. —
контрольных
лабораторий // Химия
обмена. Результаты
и спупосле изучения темы
С. 55–63.
ных непосредственно
науки. Вып.12: Феномен
высокий уровень прочно3. Князева Е. Н. Философия 2006. — С. 133–152.
стя один месяц, показали
РАН,
сознания. — М.: ИФ
педагости полученных знаний.
М. Ю. Современные
конструктивно4. Полат Е. С., Бухаркина
Таким образом, реализация
технологии в системе
учебного химическогические и информационные
«Акадего подхода при организации
Издательский центр
возможностей
образования. — М.:
го эксперимента с использованием
сосремия», 2008. — С. 74–82.
of
позволяет учащимся
J., Volz D. L. Conductivity
цифровых лабораторий
исследовании, а не
5. Holmquist D. D., Randall
Chemistry
of Concentration //
доточиться на самостоятельном
Solutions: The Effect
от учителя. Это позволяДоступно на сайте: http://
получать готовые знания
with Vernier. — P. 13–16.
уровня усвоения осознанных,
/cwv.html
роет добиться высокого
www.vernier.com/cmat
L. The
знаний, устойчивого
T.
прочных
Greenbowe
и
M. M.,
осмысленных
разви6. Pienta N. J., Cooper
интереса школьников,
Teaching. — Prenticeста познавательного
Chemists’Guide to Effective
умений.
2004. — P. 8.
тия исследовательских
Hall Publishing Co.,
Литература
1. Выготский Л. С. Собрание
гика, 1984. — С. 244–268.
сочинений. — М.: Педаго-
ПО СТРАНИЦАМ ИНТЕРНЕТА
МОЛЕКУЛА ВОДЫ ВЗАИМОДЕЙСТВУЕ
Т С КАРБОНОВОЙ НАНОСТРУКТУРОЙ
водорода,
энергозатраты на получение процесс
позволяет вдвое уменьшить
их данным,
Применение нанотехнологий
Северная Каролина. Согласно за счет уникальных
из университета штата
может быть ускорен
утверждают исследователи
в производстве водорода,
разложения воды, используемый
Марко
карбоновых нанотрубок.
исследователей под руководством дефектам
каталитических свойств
университета, группа
естественным
Как сообщается в пресс-релизе
обнаружила, что благодаря объясняется тем, что
Это
(Marco Buongiorno-Nardelli)
химические реакции.
Бонджорно-Нарделли
(essentially
могут ускоряться некоторые
«не до конца завершены»
карбоновых нанотрубок
«дефектные» нанотрубки,
атомы, из которых состоят
то представляем,
химически более активны.
в карбоновых нанотрубках,
«incomplete») и поэтому
о химических реакциях
— отмечает Бонджорно«Обычно, когда мы говорим
карбоновая атомсформированных наноструктурах,
где
идеально
места,
в
—
дефекты
что они происходят
такие структуры имеют
реакций».
Нарделли. — Но в действительности
могут влиять на ход химических технологию разложеИ именно эти дефекты
ная сеть повреждена.
частности, модернизировать
—
открытие позволит, в
методов — термолиз
современных
из
Ученые считают, что их
Один
высвобождая атом вододля получения водорода.
ния воды, применяемую
чего её молекула разрушается,
пришли к выводы до 2000 °C, после
этого процесса, исследователи
предполагает нагрев
месяцев на моделирование
ров для разрушения молекулы
рода. Потратив несколько
«дефектных» нанотрубок-катализато
меньше энергии.
требуется значительно
воду, что в случае использования
всего 1000 °C, и, соответственно, и исследователям из
достаточно температуры
модели,
только о компьютерной
Правда, пока речь идёт
разработать
Каролины ещё предстоит
университета Северной
метод использования
экономически выгодный
нанокатализатора в реальных
условиях.
/164856
Источник: http://elementy.ru/news
ХИМИЯ. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
13
№ 3 (15) март 2012 г.
1 месяц
Подписку можно оформить в любом почтовом отделении по одному
из двух каталогов: «Роспечать» или «Почта России». Для этого проще
использовать квитанцию, размещённую на обороте. Вы также можете
оформить редакционную или электронную подписку со скидкой.
Подробности по тел. (495) 66-432-11 или на сайте
www.e-osnova.ru
46395 35729 79362
подписной индекс
«Роспечать»
подписной индекс
«Почта России»
3 месяца
электронная версия
«Почта России»
6 месяцев
на почте
на почте
через редакцию
электронная версия*
на почте
через редакцию
электронная версия*
98,33 руб.
294,99 руб.
265,49 руб.
199,50 руб.
589,98 руб.
530,98 руб.
399,00 руб.
Комплект (15 изданий со скидкой 15 %). Подписной индекс: «Роспечать» — 46397, «Почта России» — 35791
на почте
на почте
1252,50 руб.
3757,50 руб.
—
на почте
через редакцию
электронная версия*
7515,00 руб.
6750,00 руб.
5085,00 руб.
*Электронная версия — полностью идентична печатному изданию. Статьи открываются в формате .pdf, их можно сохранить на своём компьютере или распечатать.
Химия. Всё для учителя!
подписной индекс
Химия. Всё для учителя!
35729 46395
подписной индекс
Адрес издательства: 125222 Москва, а/я 8, «ИГ «Основа», тел. (495) 66-432-11, e-mail: info@e-osnova.ru, сайт: www.e-osnova.ru
подписной индекс
электронной
версии по каталогу
«Почта России»
79362
ХИМИЯ. ВСЁ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ!
31
№ 4 (16) апрель 2012 г.
