Аллотропные модификации углерода

                  Введение

      Углерод и его аллотропные модификации имеют большое практическое значение в жизни человека и промышленности. Если аллотропные модификации углерода (алмаз, графит) были изучены уже давно, то фуллерен (1985) и нанотрубки (1991) до конца еще не исследованы, но нашли широкое применение в оптоэлектронике, микроэлектронике, в производстве полевых транзисторов и других областях советской техники. Однако в школьном курсе химии раскрываются строение, свойства и практическое значение только алмаза и графита.

      В связи с этим была определена цель работы: провести анализ методической литературы, школьных учебников и программ по вопросу преподавания темы «Углерод и его соединения» в школьном курсе химии и на его основе разработать методику ведения урока по данной теме с использованием дополнительных сведений об аллотропных модификациях углерода и их практическом значении.

      Для достижения цели исследования были поставлены следующие задачи:

• провести анализ методической литературы по изучению темы «Углерод  его соединения» в курсе химии средней школы;
• проанализировать школьные учебники по данной теме в курсе химии за 9 класс;
• определить основные понятия и объем, которые должны быть усвоены учащимися;
• отбор материала для урока поданной теме;
• разработать конспект урока по теме «Углерод и его соединения» с использованием дополнительных сведений об аллотропных модификациях углерода для учащихся 9 класса.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

            1.Современные  представления о  химии углерода

     1.1. История открытия

      Углерод в виде угля, копоти и сажи известен человеку с незапамятных времен; около 100 тыс.лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропными изменениями углерода – алмазом и графитом, а также с ископаемым углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одними из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь-явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов.

      На  рубеже XVII-XVIII вв.возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества – невесомого флюида-флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь-это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, «флогистирующее» действие угля, - его способность восстанавливать металлы из «известей» и руд. Позднейшие флогистики, Реомюр, Бергман и др., уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым «чистый уголь» был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье и Фуркруа «Метод химической номенклатуры» (1787) появилось название «углерода» вместо французского «чистый уголь». Под этим же названием углерод фигурирует в «Таблице простых тел» в «Элементарном учебнике химии» Лавуазье.

           В 1791 году английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 году французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода – графит в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 году Потт обнаружил отсутствие в графите какой – либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и будучи флогистиком счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную «воздушную кислоту» (СО₂) и большое количество флогистона.

      Двадцать  лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.

        Международное название Carboneum происходит от латинского carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare – гореть; корень car, cal, русское гар, гал и гол, санскритское cra означает кипятить, варить. Со словом «carbo» связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle – уголь. Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз происходит от древнегреческого – несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого – пишу. В начале XIX в. Старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом «углетвор» (шере, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод [1].

            1.2 Нахождение в природе

     Углерод находится в природе как в свободном состоянии, так и в виде многочисленных соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Алмазы образуют отдельные кристаллы или небольшого размера сростки. Вес кристаллов обычно лежит в пределах от тысячных до десятых долей грамма. Самый большой их найденных алмазов весил 621,2 г.

      Наиболее  крупные месторождения графита  образовались в результате воздействия  высоких температур и давления на каменные угли.

      Уголь, тоже состоящий из углерода, получается искусственным путем. Однако в природе  есть вещества, близкие по своему составу  к углю. Таковы различные виды ископаемого  угля, образующие во многих местах земного  шара мощные отложения. Некоторые из ископаемых углей содержат до 99% углерода.

      Соединения  углерода очень распространены. Кроме  ископаемого угля, в недрах Земли  находятся большие скопления  нефти, представляющий сложную смесь различных углеродсодержащих соединений, преимущественно углеводородов. В земной коре встречаются в огромных количествах соли угольной кислоты, особенно карбонат кальция. В воздухе всегда имеется диоксид углерода. Наконец, растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главное участие принимает углерод. Таким образом, этот элемент – один из распространенных на Земле, хотя общее его содержание в земной коре составляет около 0,1 вес.%.

      По  многочисленности и разнообразию своих  соединений углерод занимает среди  других элементов совершенно особое положение. Число изученных соединений углерода оценивают в настоящее  время примерно в два миллиона, тогда как соединения всех остальных  элементов, вместе взятые, исчисляются  лишь сотнями тысяч [5].

      Углерод входит в состав многих солеобразных минералов, имеющих обобщенную формулу МеСО₃, где Ме – металл в степени окисления +2. Из этих карбонатных пород наиболее распространены: известняк и мрамор СаСО₃, магнезит МgСО₃, доломит МgСО₃*СаСО₃, сидернит FеСО₃ и др. Некоторые карбонаты имеют органическое происхождение. В земной коре большая часть углерода находится не в виде органических соединений, а в составе двух минералов – известняка и доломита [7]. Продукты питания, одежды, обувь и т.д. в основном являются углеродистыми веществами [6]. 

  Согласно общепринятой гипотезе А. И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили метан (CH₄) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счёт которого образуется всё органическое вещество биосферы, является углерода двуокись(CO₂), находящаяся в атмосфере, а также растворённая в природных водах в виде HCO^-₃. Наиболее мощный механизм усвоения (ассимиляция) углерода (в форме CO₂) — фотосинтез — осуществляется повсеместно зелёными растениями (ежегодно ассимилируется около 100 млрд. т CO₂). На Земле существует и эволюционно более древний способ усвоения CO₂ путём хемосинтеза; в этом случае микроорганизмы - хемосинтетики используют не лучистую энергию Солнца, а энергию окисления неорганических соединений. 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. Содержание углерод в живых организмах в расчёте на сухое вещество составляет: 34,5—40% у водных растений и животных, 45,4—46,5% у наземных растений и животных и 54% у бактерий. В процессе жизнедеятельности организмов, в основном за счёт тканевого дыхания, происходит окислительный распад органических соединений с выделением во внешнюю среду CO₂. Углерод выделяется также в составе более сложных конечных продуктов обмена веществ. После гибели животных и растений часть углерода вновь превращается в CO₂ в результате осуществляемых микроорганизмами процессов гниения. Таким образом, происходит круговорот углерода в природе. Значительная часть углерода минерализуется и образует залежи ископаемого углерода: каменные угли, нефть, известняки и др. Помимо основной функции — источника углерода— CO₂, растворённая в природных водах и в биологических жидкостях, участвует в поддержании оптимальной для жизненных процессов кислотности среды. В составе CaCO₃ углерод образует наружный скелет многих беспозвоночных (например, раковины моллюсков), а также содержится в кораллах, яичной скорлупе птиц и др. Такие соединения Углерод, как HCN, CO, CCl₄, преобладавшие в первичной атмосфере Земли в добиологический период, в дальнейшем, в процессе биологической эволюции, превратились в сильные антиметаболиты обмена веществ.

            1.3 Физические свойства

     Электронная структура атома углерода 1S² 2S² 2P². В зависимости от числа сигма – связей координационное число углерода равно четырем (SP³ – гибридизация), трем (SP² – гибридизация) или двум (SP – гибридизация).

      В большинстве соединений углерод  четырехвалентен, ему приписывают  степень окисления -4,+4,+2. Число валентных  электронов углерода равно числу  валентных орбиталей. Это одна из основных причин большой устойчивости связи С-С и исключительной склонности углерода к образованию гомоцепей. Гомоцепные молекулы, содержащие связь С-С, бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые, циклические [4].

      По  мимо одинарных, углерод легко образует кратные связи. При образовании кратных связей,  для углерода характерно наличие только сигма-связи, из-за отсутствия в его атоме d-электронов. 
 
 
 
 

      Значение  ОЭО углерода [2,6] промежуточное между  таковыми электроположительных и электроотрицательных элементов, хотя ближе к последним. Поэтому даже в случаях максимальной поляризации атомов углерода в его соединениях не имеет места возникновение самостоятельных ионов С(4+) и С(4-). Поэтому химические соединения углерода малополярны [7].

        Атомный радиус 0,77Å, ковалентные  радиусы 0,77Å, 0,67Å, 0,60Å соответственно  в одинарной, двойной и тройной связях; ионный радиус C^4- 2,60Å, C⁴⁺ 0,20Å. При обычных условиях, углерод химически инертен. При высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает в ряду: «аморфный» углерод, графит, алмаз; взаимодействие с кислородом воздуха (горение) происходит соответственно при температурах выше 300—500 °С, 600—700 °С и 850—1000 °С с образованием двуокиси углерода CO₂ и окиси углерода CO.  CO₂ растворяется в воде с образованием угольной кислоты.

  Изотопы углерода

      Природный углерод в основном состоит из двух стабильных изотопов: С¹² (около 99%) и С¹³ (около 1%). Кроме того, в атмосфере в очень малом количестве содержится также радиоактивный изотоп С¹⁴.

      Искусственно  получен ряд радиоактивных изотопов углерода, из которых отметим два: С¹¹ и С¹⁴. Особенно большое применение нашел второй из них; первый менее удобен из-за своей малой устойчивости.

      Изотоп  С¹⁴ получают по реакции N¹⁴ (n,р) С¹⁴, которая идет с медленными нейтронами. Мишенью обычно служит NH₄ NO₃, иногда Ca(NO₃)₂. 

      С помощью изотопа С¹⁴ найдено, что в растениях, наряду с фотосинтетическим ассимилированием углекислого газа из атмосферы, идет интенсивное использование углерода из почвы через корневую систему.

      Изучая  хлорофилл, меченный изотопом С¹⁴, удалось выяснить большую роль этого пигмента в питании сельскохозяйственных животных. Как оказалось, хлорофилл повышает общее благоприятное состояние организма, увеличивает плодовитость животных, повышает их стойкость против заболеваний. Еще хлорофилл является важным средством, предупреждающим развитие малокровия (анемии) у животных в зимне-весенний период их содержания. Изотоп С¹⁴ позволил получить важные данные по усвояемости кормов. Установлено, что глюкоза усваивается организмом в течение нескольких минут [6].

            1.4 Химические свойства

     При низких температурах и уголь, и графит и, в особенности, алмаз инертны. При нагревании их активность увеличивается [5]

I. С простыми веществами:

- с  галогенами.

Реагирует только с фтором.

С⁰ + 2F₂ = C⁺⁴F ₄

- с  кислородом

C⁰ + O ₂ = C⁺⁴O₂  - полное сгорание

2C⁰ + O₂ = 2C⁺²O  - неполное сгорание

- с серой

C⁰ + 2S = C⁺⁴S₂

С азотом и фосфором углерод не взаимодействует.

- с водородом 

2H₂ +C = CH₄   При 600⁰С

2C + 2H₂ = C₂H₂ + Н₂ При 1500-2000⁰С

- с металлами  образует карбиды.

      С кремнием углерод дает карбид состава  SiC. Это кристаллическое вещество, по твердости приближающееся к алмазу (царапает стекло). В чистом виде кристаллы бесцветны. Технический продукт окрашен примесями и носит название карборунда. Применяется для изготовления шлифовальных кругов, а также как огнеупорный материал. Карбид кремния важный полупроводниковый материал [6]