Химический элемент

Углерод - химический элемент № \(6\). Он расположен в IVА группе Периодической системы.

C 6 + 6) 2 e) 4e

На внешнем слое атома углерода содержатся четыре валентных электрона, и до его завершения не хватает четырёх электронов. Поэтому в соединениях с металлами углероду характерна степень окисления \(–4\), а при взаимодействии с более электроотрицательными неметаллами он проявляет положительные степени окисления: \(+2\) или \(+4\).

В природе углерод встречается как в виде простых веществ, так и в виде соединений. В воздухе содержится углекислый газ . В земной коре распространены карбонаты (например, Ca CO 3 образует мел, мрамор, известняк). Горючие ископаемые (уголь, торф, нефть, природный газ) состоят из органических соединений , главным элементом которых является углерод.

Углерод относится к жизненно важным элементам, так как входит в состав молекул всех органических веществ.

Простые вещества

Углерод образует несколько аллотропных видоизменений, из которых наиболее известны алмаз и графит .

Алмаз имеет атомную кристаллическую решётку. Каждый атом углерода в алмазе связан четырьмя прочными ковалентными связями с соседними атомами, расположенными в вершинах тетраэдра.

Благодаря такому строению алмаз - самое твёрдое из известных природных веществ. Все четыре валентных электрона каждого атома углерода участвуют в образовании связей, поэтому алмаз не проводит электрический ток. Это бесцветное прозрачное кристаллическое вещество, хорошо преломляющее свет.

Графит тоже имеет атомную кристаллическую решётку, но устроена она иначе. Решётка графита слоистая. Каждый атом углерода соединён прочными ковалентными связями с тремя соседними атомами. Образуются плоские слои из шестиугольников, которые между собой связаны слабо. Один валентный электрон у атома углерода остаётся свободным.

Графит представляет собой тёмно-серое вещество с металлическим блеском, жирное на ощупь. В отличие от алмаза графит непрозрачный, проводит электрический ток и оставляет серый след на бумаге. У графита очень высокая температура плавления (\(3700\) °С).

Алмаз и графит взаимопревращаемы. При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз чернеет и превращается в графит. Графит можно превратить в алмаз при высокой температуре и большом давлении.

Из мельчайших частиц графита состоят сажа , древесный уголь и кокс . Сажа образуется при неполном сгорании топлива. Древесный уголь получают при нагревании древесины без доступа воздуха, а кокс - переработкой каменного угля.

Древесный уголь имеет пористое строение и обладает способностью поглощать газы и растворённые вещества. Такое свойство называется адсорбцией .

Химические свойства

Аллотропные модификации углерода в химических реакциях могут проявлять и окислительные , и восстановительные свойства. Окислительные свойства углерода выражены слабее, чем у других неметаллов второго периода (азота, кислорода и фтора).

  • Взаимодействие с металлами.

Углерод реагирует с металлами при высокой температуре с образованием карбидов :

4 Al 0 + 3 C 0 = t Al + 3 4 C − 4 3 .

В этой реакции углерод выступает как окислитель .

  • Взаимодействие с водородом.

Слайд 2

Нахождение в природе.

Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме (), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Слайд 3

Положение в ПСХЭ.Общая характеристика элементов подгруппы углерода.

Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Слайд 4

Электронноестроение

В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2.При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Слайд 5

Методы получения: лабораторные и промышленные.

Углерод Неполное сжигание метана: СН4 + О2 = С + 2Н2О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O2 = CO2 + 402 кДж.

Слайд 6

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO2 + C = CO – 175 кДж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H2O = CO + H2 – Q, «CO + H2» - водянойгаз. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH  H2O + CO.

Слайд 7

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO3 CaO + CO2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO3 + 2HCl  CaCl2 + CO2+ H2O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Слайд 8

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима:CO2 + H2O H2CO3. Кремний В промышленности: При нагревании смеси песка и угля: 2C + SiO2Si + 2CO. В лаборатории: При взаимодействии смеси чистого песка с порошком магния: 2Mg + SiO2  2MgO + Si.

Слайд 9

Кремниевая кислота Получают при действии кислот на растворы её солей. При этом она выпадает в виде студенистого осадка: Na2SiO3 + HCl  2NaCl + H2SiO3 2H+ + SiO32- H2SiO3

Слайд 10

Аллотропные видоизменения углерода.

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Слайд 11

Графит.

Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.

Слайд 12

Алмаз.

Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.

Слайд 13

Карбин и Зеркальный углерод.

Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Слайд 14

Химические свойства.

Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода:Si + 2КОН + H2O= К2Si03 + 2Н2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом:С + 2Н2 = СН4

Слайд 15

Карбиды.

Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al4C3 + 12H2O = 4Al (OH)3 + 3CH4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC2 + 2H2O = Ca (OH)2 + C2H2

Государственное общеобразовательное учреждение общеобразовательная школа № 89 Калининского района Санкт-Петербурга
Учитель химии: Малиновская Юлия Владиславовна
Конспект урока по теме: «Положение углерода и кремния в периодической системе химических элементов, сравнительная характеристика этих элементов. Аллотропия углерода.»
Класс : 9 класс
Цель: создать условия для систематизации и углубления знаний учащихся о строении атомов, взаимосвязи состава – строения – свойств веществ

Задачи:

Образовательные:


  • Обобщение и углубление знаний учащихся о строении атомов в зависимости от положения в периодической системе; взаимосвязи состава – строения – свойств веществ на примере аллотропных модификаций углерода

  • Расширение общекультурного кругозора учащихся
Развивающие:

  • Развитие умений анализировать, сравнивать, делать выводы, устанавливать взаимосвязи
Воспитательные:

  • Раскрытие мировоззренческой идеи о взаимосвязи состава, строения, свойств веществ; воспитание интеллектуально развитой личности; воспитание культуры общения

Тип урока : по дидактической цели – совершенствования и применения знаний; по способу организации – применения знаний и ознакомления с новым материалом
Используемые образовательные технологии:

Форма проведения : сочетание беседы, самостоятельной деятельности
Оборудование: компьютер, проектор, компьютерная презентация, коллекция: «Виды угля», образцы кристаллических решеток алмаза и графита.
1 этап урока

Организационный. Объявление темы урока.
Здравствуйте! Сегодня на уроке мы будем говорить о двух химических элементах.

Названия этих элементов происходит от латинских слов «карбо» и «ляпис креманс». (Учащиеся сразу понимают, что речь пойдет об углероде и кремнии.).

«Карбо» - «карбонеум» - означает «уголь» - углерод, а «ляпис креманс» - камень, дающий огонь – кремний.

Сегодня на уроке нам необходимо будет дать сравнительную характеристику этих элементов, используя ранее полученные знания.

В тетрадях учащиеся записывают тему урока: «Сравнительная характеристика элементов углерода и кремния».

Сравнить, значит выбрать в первую очередь, критерии сравнения. Скажите, пожалуйста, какие критерии мы, по вашему мнению, должны сравнивать. Учащиеся отвечают: положение в ПС, строение атомов, валентные возможности, степени окисления и т.п.


2 этап урока

Используя знания о строении атомов, характеристике элементов по положения в ПС, учащиеся самостоятельно заполняют сравнительную таблицу № 1.


Таблица № 1. Сравнительная характеристика элементов углерода и кремния

Критерии сравнения

С

углерод


Si

кремний


Положение в ПС

2 период, IV группа, главная подгруппа (А)

3 период, IV группа, главная подгруппа (А)

Строение атомов

Z я =+6, р=6, е=6, n=12-6=6, внешние е=4

Z я =+14, р=14, е=14, n=28-14=14, внешние е=4

Электронная конфигурация атомов

1s 2 2s 2 2p 2

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2

Валентные возможности

II в стационарном состоянии

IV в возбужденном состоянии

Возможные степени окисления

от -4 до +4

СН 4 , С 2 Н 6 , С 2 Н 4 , СаС 2 , С,

С 2 F 2 , СО, С 2 F 6 , СО 2


-4, 0, +2, +4

Mg 2 Si, Si , SiO, SiO 2


Радиус атома

возрастает

Электроотрицательность (по шкале Полинга)

2,5

1,9

Формула высшего оксида, его характер, название

СО 2 – кислотный, оксид углерода (IV), углекислый газ, диоксид углерода

SiO 2 – кислотный, оксид кремния (IV)

Формула высшего гидроксида, его характер, название

H 2 CO 3 – слабая нестойкая кислота (СО 2 + H 2 O), соли - карбонаты

H 2 SiO 3 – слабая кислота, имеет полимерную структуру (SiO 2 nH 2 O), соли - силикаты

Водородное соединение

СН 4 - метан

SiН 4 – силан (неустойчив)

В природе

Необходимый элемент органических веществ

Наиболее распространенный (после кислорода) элемент земной коры

По окончании самостоятельной работы по заполнению таблицы, все вместе с учителем заполняют заранее написанную на доске таблицу. В процессе совместного заполнения учащиеся вместе с учителем отмечают, проговаривают некоторые особенности элементов, на которые необходимо обратить внимание:


  1. Почти во всех своих соединениях углерод и кремний четырехвалентны, т.е. атомы данных элементов находятся в возбужденном состоянии. Учитель (ученик) показывает это на доске:


  1. Разнообразие степеней окисления у атомов углерода обусловлено существованием органических соединений, в неорганических веществах его наиболее характерные степени окисления: -4, 0, +2, +4

  2. Характерным отличием углерода и кремния является способность углерода к цепеобразованию. Атомы углерода, соединяясь друг с другом, образуют устойчивые соединения, аналогичные соединения кремния неустойчивы.

3 этап урока

От характеристики химических элементов – к простым веществам.
Работа с компьютерной презентацией.

Для атомов углерода характерна аллотропия. Учащиеся вспоминают определение понятию – «аллотропия». Учитель спрашивает: «У каких ранее пройденных химических элементов есть аллотропные модификации?».

Учащиеся приводят примеры: элемент кислород (О) – О 2 – кислород, О 3 – озон; элемент сера (S) – кристаллическая и пластическая сера.
Далее учитель спрашивает учащихся, может быть им известны аллотропные модификации углерода.

Углерод существует в форме следующих простых веществ: алмаз, графит, карбин, фуллерен. Уголь, сажу можно рассматривать как разновидности графита.

Интерес представляет древесный уголь.

С ним был знаком еще первобытный человек: он находил его на местах пожарищ и после разводимых им костров. Древесный уголь обладает большой пористостью и не тонет. В 1785 г. ученый – химик Товий Ловиц нечаянно пролил винную кислоту (бурого цвета из-за примесей) на смесь песка с углем. Ловиц собрал пролившийся раствор, отфильтровал его от песка с углем. В фильтре осталось бесцветное вещество. Оказалось, что уголь поглотил примеси, содержащиеся в винной кислоте. Так было открыто явления, которое называют адсорбцией.

Адсорбция – свойства угля и других твердых веществ удерживать на своей поверхности газы и растворенные вещества. Вещества, на поверхности которых происходит адсорбция, называют адсорбентами.

Адсорбция угля обуславливается его пористостью. Чем больше пор, тем лучше сорбционная способность угля. Но, обычно, поры угля заполнены различными веществами. Чтобы их очистить, уголь нагревают в струе водяного пара. Такой уголь, с очищенными порами, называют активированным.

В первую мировую войну, явление адсорбции нашло применение в борьбе с боевыми отравляющими веществами. Хлор (удушающий газ) был применен в 1915 году на западном фронте около города Ипра против англо-французских войск. Атака хлором лишила боеспособности целую дивизию (15 тыс чел были выведены из строя, 5 тыс – погибли).

Русский профессор Николай Зелинский (позднее академик) изобрел и провел испытание в июле 1915 г противогаза, действующего на основе явления адсорбции.

Кремний образует простое вещество – кристаллический кремний. Существует так же аморфный кремний – порошок белого цвета.
Далее учитель останавливается и обозначает физические свойства каждого простого вещества, образованного атомами углерода (слайды).

Учитель обращает внимание учащихся на то, что алмаз и графит, состоящие из атомов углерода, имеют такие разные физические свойства. Почему? (не всегда учащиеся могут дать ответ на этот вопрос). Учитель обращает внимание на различное строение кристаллических решеток алмаза и графита.

В кристалле алмаза каждый атом углерода образует четыре прочные ковалентные связи, они направлены к вершинам тетраэдра, все расстояния между атомами одинаковые. В графите же расстояние между атомами в слое гораздо меньше, чем расстояние между слоями (образцы кристаллических решеток).

4 этап урока
Его цель: расширение общекультурного кругозора учащихся, установление межпредметных связей химии с историей.

На предыдущем уроке, в качестве домашнего задания, учитель предложил учащимся найти интересные факты об истории алмаза и подготовить выступлении с компьютерной презентацией.

Если есть учащиеся, выполнившие задание, учитель предоставляет им слово, если нет, то рассказывает сам и показывает свою презентацию.

5 этап урока

Подведение итогов. Рефлексия.
Учащиеся отвечают на вопросы:

Какие новые понятия были изучены на уроке?

Какие вопросы вызвали затруднения? И т.п.

Учитель ставит оценки тем, учащимся, которые показали хорошие и отличные знания в процессе урока, были активны.


Список литературы:

  1. Левкин А.Н. Общая и неорганическая химия: материалы к экзаменам. – СПб.: «Паритет», 2003 – 240 с.

  2. Малиновская Ю.В. Химия. 6-й класс/Пропедевтический курс. – СПб.: ТОО Фирма «Икар», 2002, - 76 с.

  3. Таубе П. Р., Руденко Е. И. От водорода до нобелия? – М.: госуд. изд-во «Высшая школа», 1961 – 330 с.

  4. Химия: учебник для 9 кл.общеобразоват. уч./ Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. – 11 – е изд. Пере. – М.: Просвещение, 2010

Ба́зис (др.-греч. βασις, основа) - множество таких векторов в векторном пространстве, что любой вектор этого пространства может быть единственным образом представлен в виде линейной комбинации векторов из этого множества - базисных векторов

Базисом в пространстве R n называется любая система из n -линейно независимых векторов. Каждый вектор из R n , не входящих в базис, можно представить в виде линейной комбинации базисных векторов, т.е. разложить по базису.
Пусть – базис пространства R n и . Тогда найдутся такие числа λ 1 , λ 2 , …, λ n , что .
Коэффициенты разложения λ 1 , λ 2 , …, λ n , называются координатами вектора в базисе В. Если задан базис, то коэффициенты вектора определяются однозначно.

Замечание. В каждом n -мерном векторном пространстве можно выбрать бесчисленное множество различных базисов. В различных базисах один и тот же вектор имеет различные координаты, но единственные в выбранном базисе. Пример. Разложить вектор по базису .
Решение. . Подставим координаты всех векторов и выполним действия над ними:

Приравняв координаты, получим систему уравнений:

Решим ее: .
Таким образом, получим разложение: .
В базисе вектор имеет координаты .

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Понятие вектора. Линейные операции над векторами

Вектором называется направленный отрезок имеющий определенную длину т е отрезок определенной длины у которого одна из ограничивающих его точек.. длина вектора называется его модулем и обозначается символом модуль вектора.. вектор называется нулевым обозначается если начало и конец его совпадают нулевой вектор не имеет определенного..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

В векторном исчислении и его приложениях большое значение имеет задача разложения, состоящая в представлении данного вектора в виде суммы нескольких векторов, называемых составляющими данного

вектора. Эта задача, имеющая в общем случае бесчисленное множество решений, становится вполне определенной, если задать некоторые элементы составляющих векторов.

2. Примеры разложения.

Рассмотрим несколько весьма часто встречающихся случаев разложения.

1. Разложить данный вектор с на два составляющих вектора из которых один, например а, задан по величине и направлению.

Задача сводится к определению разности двух векторов. Действительно, если векторы являются составляющими вектора с, то должно выполняться равенство

Отсюда определяется второй составляющий вектор

2. Разложить данный вектор с на два составляющих, из которых один должен лежать в заданной плоскости а второй должен лежать на заданной прямой а.

Для определения составляющих векторов перенесем вектор с так, чтобы его начало совпало с точкой пересечения заданной прямой с плоскостью (точка О - см. рис. 18). Из конца вектора с (точка С) проведем прямую до

пересечения с плоскостью {В - точка пересечения), а затем из точки С проведем прямую параллельно

Векторы и будут искомыми, т. е. Естественно, что указанное разложение возможно, если прямая а и плоскость не параллельны.

3. Даны три компланарных вектора а, b и с, причем векторы не коллинеарны. Требуется разложить вектор с по векторам

Приведем все три заданных вектора к одной точке О. Тогда в силу их компланарности они расположатся в одной плоскости. На данном векторе с как на диагонали построим параллелограмм, стороны которого параллельны линиям действия векторов (рис. 19). Это построение всегда возможно (если только векторы не коллинеарны) и единственно. Из рис. 19 видно, что