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.