Презентация по химии. Углерод.

Муниципальное бюджетное учреждение средняя общеобразовательная школа № 93 с углубленным изучением отдельных предметов г.о. Тольятти.

Содержание: История происхождения названия. Строение атома. Нахождение в природе. Физические свойства. Аллотропные модификации углерода. Химические свойства. Получение. Применение. Токсическое действие углерода Это интересно История добычи алмазов в России.

История происхождения названия.  Углерод в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны аллотропные видоизменения углерода алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов.  Происхождение названия Международное название происходит от латинского carbo — уголь, связанного с древним корнем kar — огонь. Этот же корень в латинском cremare — гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» — обжигать, опалять). Отсюда — и «уголь».

Строение атома. )) 1s2 2s2 2p2 2 4 Расположен во втором периоде, IV группе главной подгруппе периодической системы 12 6 Процесс распаривания электронов в возбужденном состоянии Степень окисления в соединениях: -4; 0 +2; +4 упражнен ие

Нахождение в природе..  Содержание углерода в земной коре 0,1 % по массе. Свободный углерод находится в природе в виде алмаза и графита. Основная масса углерода в виде природных карбонатов, горючих ископаемых — антрацит (94—97 % С), бурые угли (64—80 % С), каменные угли (76—95 % С), горючие сланцы (56—78 % С), нефть (82—87 % С), горючих природных газов (до 99 % метана), торф (53—56 % С), а также битумы и др. В атмосфере и гидросфере находится в виде диоксида углерода СО2, в воздухе 0,046 % СО2 по массе, в водах рек, морей и океанов в ~60 раз больше. Углерод входит в состав растений и животных (~18 %). В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21 % (15 кг на 70 кг массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом и мочой.

Физические свойства. Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа. Поэтому разные модификации проявляют очень разные физические свойства это и очень твердое вещество, и мягкое вещество проводящее электрический ток и многие другие.

Аллотропные видоизменения. 1. Алмаз 2. Графит 3. Карбин 4. Лонсдейлит 5. Фуллерены 6. Углеродные нанотрубки 7. Графен 8. Аморфный углерод

Аллотропные видоизменения. Алмаз. Алмазы — редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны на всех континентах, кроме Антарктиды. Большинство ученых склоняются к магматической и мантийной теориям возникновения алмазов, к тому, что атомы углерода под большим давлением и на большой глубине формируют кубическую кристаллическую решетку - собственно алмаз. Камни выносятся на поверхность вулканической магмой во время формирования так называемых "трубок взрыва".  Возраст алмазов, по данным некоторых исследований, может быть от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет.  Алмаз твердое природное вещество, прозрачное, с очень сильным преломлением света (как у воды, поэтому в воде не видны) чаще бесцветные, очень редко встречаются красные, голубые, черные, желтые алмазы. Самое твердое из природных веществ, но хрупкое.

Графит . Аллотропные видоизменения.  (от греч. γραφειν — пишу) — минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода. Структура слоистая. Слои кристаллической решётки могут по-разному располагаться относительно друг друга, образуя целый ряд политипов. Слои слабоволнистые почти плоские, состоят из шестиугольных слоев атомов углерода. Кристаллы пластинчатые, чешуйчатые. Темно – серое или черное, мягкое, жирное на ощупь кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Теплопроводен и электропроводен.

Аллотропные видоизменения. Карбин . Кристаллическая модификация углерода с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (—C≡C—C≡C— C≡C— C≡C— C≡C— ), либо поликумуленовое (=C=C=C=C=C=C=C=C=C=). Известно несколько форм карбина, отличающихся числом атомов в элементарной ячейке, размерами ячеек и плотностью (2,68—3,30 г/см³). Карбин встречается в природе в виде минерала чаоита (белые прожилки и вкрапления в графите) и получен искусственно — окислительной дегидрополиконденсацией ацетилена, действием лазерного излучения на графит, из углеводородов или ССl4 в низкотемпературной плазме.

Аллотропные видоизменения. Лонсдейлит

Аллотропные видоизменения. Лонсдейлит или алмаз гексагональный — одна из аллотропных модификаций углерода. Алмаз и лонсдейлит имеют одинаковые валентные углы, которые равны 109°28’, длины связей у них равны 0,1545 нм, а координационное число — 4. Элементарная ячейка алмаза содержит восемь атомов углерода, а лонсдейлита — четыре.  Найден в метеоритах и получен искусственно из графита.

Аллотропные видоизменения. Фулле рен. Фуллерены — кристаллические вещества черного цвета с металлическим блеском. Молекулы выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа атомов углерода – 60, 70, 72 объединенные в пяти или шестигранники, внутри молекулы полые. Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу.

Аллотропные видоизменения. Углеродные нанотрубки.  Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

Аллотропные видоизменения. Графен.  Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

Аллотропные видоизменения. Аморфный углерод. В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, сажа, активный уголь, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь, состоит из мельчайших кристаллов, имеющих структуру графита.

Органические соединения. Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, кислородсодержащие соединения –кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, углеводы, жиры , азотсодержащие соединения – амины, белки, и др.

Химические свойства. При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные и окислительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C. 1.Восстановительные свойства: C + O2 = CO2 2C + O2 =2CO C + 2CuO = 2Cu + CO2 2. Окислительные свойства: C + 2H2 = CH4 2C + Ca = CaC2 3C + 4Al = Al4C3

Получение. Углерод встречается в природе в свободном состоянии: уголь, алмаз, графит. И в связанном состоянии: нефть, природный газ, карбонаты. Алмаз и графит добывают из недр земли. Их можно получать также искусственно.  Из графита при температуре от 1200о до 1600о С под давлением 104 МПа получают искусственные алмазы.  Из каменного угля при нагревании без доступа воздуха получают кокс.  Из природного газа получают сажу.

Применение.

Применение алмазов.

Применение графита.

Применение аморфного углерода.

Применение графена, нанотрубок. Искусственные мышцы из нанотрубок

История добычи алмазов в России.  Первый алмаз в Сибири был найден неподалеку от города Енисейска в ноябре  В России первый алмаз был найден 4 июля 1829 года на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым, который нашел кристалл, промывая золото. За полукаратный кристалл Павел получил вольную. Павел привел ученых, участников экспедиции немецкого ученого Александра Гумбольдта, на то место, где он нашел первый алмаз (сейчас это место называется Алмазный ключик (по одноименному источнику) и расположено приблизительно в 1 км от пос. Промыслаа́ недалеко от старой автомобильной дороги, связывающей поселки Промыслаа́ и Тёплая Гора Горнозаводского района Пермского края), и там было найдено еще два небольших кристалла. За 28 лет дальнейших поисков был найден только 131 алмаз общим весом в 60 карат. 1897 года на реке Мельничной. Размер алмаза составлял 2/3 карата. Из-за малого размера обнаруженного алмаза, и недостатка финансирования разведка алмазов не велась. Следующий алмаз был обнаружен в Сибири в 1948 году.  Поиск алмазов в России вёлся почти полтора века, и только в середине 50-х годов были открыты богатейшие коренные месторождения алмазов в Якутии. 21 августа 1954 года геолог Лариса Попугаева открыла первую кимберлитовую трубку за пределами Южной Африки. Её название было символично — «Зарница». Следующей стала трубка «Мир», что тоже было символично после Великой отечественной войны. Была открыта трубка «Удачная». Такие открытия послужили началом промышленной добычи алмазов на территории СССР. На данный момент львиная доля добываемых в России алмазов приходится на якутские горнообрабатывающие комбинаты.

Уголь.  Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией. В 1960 году уголь давал около половины мирового производства энергии, к 1970 году его доля упала до одной трети. представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля — растительные остатки.  Уголь, подобно нефти и газу,

Изотопы углерода. Природный углерод состоит из двух стабильных нуклидов — 12С (98,892 %) и 13С (1,108 %) и одного радиоактивного нуклида 14С (β-излучатель, Т½= 5730 лет), сосредоточенного в атмосфере и верхней части земной коры. Он постоянно образуется в нижних слоях стратосферы в результате воздействия нейтронов космического излучения на ядра азота по реакции: 14N (n, p) 14C, а также, с середины 1950-х годов, как техногенный продукт работы АЭС и в результате испытания водородных бомб. На образовании и распаде 14С основан метод радиоуглеродного датирования, широко применяющийся в четвертичной геологии и археологии.

Ультрадисперсные алмазы.  В 1980-е гг. в СССР было обнаружено, что в условиях динамического нагружения углеродсодержащих материалов могут образовываться алмазоподобные структуры, получившие название ультрадисперсных алмазов (УДА). В настоящее время всё чаще применяется термин «наноалмазы». Размер частиц в таких материалах составляет единицы нанометров. Условия образования УДА могут быть реализованы при детонации взрывчатых веществ с значительным отрицательным кислородным балансом, например смесей тротила с гексогеном. Такие условия могут быть реализованы также при ударах небесных тел о поверхность Земли в присутствии углеродсодержащих материалов. Так, в зоне падения Тунгусского метеорита в лесной подстилке были обнаружены УДА.

Токсическое действие углерода. Высокое содержание углерода в атмосферных аэрозолях ведет к повышению заболеваемости населения, особенно верхних дыхательных путей и легких. Профессиональные заболевания — в основном антракоз и пылевой бронхит. В воздухе рабочей зоны ПДК, мг/м³: алмаз 8,0, антрацит и кокс 6,0, каменный уголь 10,0, технический углерод и углеродная пыль 4,0; в атмосферном воздухе максимальная разовая 0,15, среднесуточная 0,05 мг/м³. Токсическое действие 14С, вошедшего в состав молекул белков, определяется радиационным воздействием бета частиц и ядер отдачи азота (14С (β) → 14N) и трансмутационным эффектом — изменением химического состава молекулы в результате превращения атома С в атом N. Допустимая концентрация 14С в воздухе рабочей зоны ДКА 1,3 Бк/л, в атмосферном воздухе ДКБ 4,4 Бк/л, в воде 3,0•104 Бк/л, предельно допустимое поступление через органы дыхания 3,2•108 Бк/год.

Адсорбция Поглощение газообразных или растворенных веществ поверхностью твердых веществ называется адсорбцией, а выделение поглощенных веществ – десорбцией. Это свойство применяется в медицине при отравлениях, при обесцвечивании красителей, в противогазах, в фильтрах для очищения воды.

Список литературы 1. Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия 9 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 2008. 2. Габриелян О.С. Химия 9 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Дрофа, 2008. 3. Горковенко М.Ю. Поурочные разработки по химии 9 4. Князев Д.А. Неорганическая химия: учебник для класс. М.: ВАКО, 2008. ВУЗов. М. Дрофа, 2004. 5. Энциклопедический словарь юного химика. 6. Интернет.