Все из углерода (современные углеродные материалы)

Предмет: 
Химия
Автор: 
Дроздов Андрей Анатольевич, доцент химического факультета МГУ
Аннотация: 

Лекция посвящена рассмотрению истории возникновения и развития углеродных материалов. Углерод – один из древнейших элементов, с углем человечество познакомилось еще в глубокой древности. Алмаз и графит известны каждому, а вот названия других аллотропных модификаций углерода стали часто упоминать лишь несколько лет назад.. Главное внимание на лекции уделено истории создания современных углеродных материалов, свойствам, строению и применению фуллеренов, углеродных нанотрубок, графена. Именно за исследования в области соединений углерода химики и физики в последние годы получили Нобелевские премии. Школьники узнают много интересных фактов об открытии и свойствах нанообъектов, о вкладе отечественных ученых в развитие нанохимии углеродных материалов. Лекция адресована школьникам 9 – 11 классов, интересующихся химией и нанотехноологиями. В презентации представлены новейшие достижения науки в области создания и исследования углеродных материалов.

Краткая презентация: 
Вопросы: 

I. Предварительные вопросы. Вопросы до лекции, позволяющие определить степень осведомленности о тематике лекции и наличие знаний, необходимых понимания лекции.

1) Какие аллотропные модификации углерода вам известны? Приведите примеры
2) Что вы знаете об углеродных нанотрубках?
3) Что означает приставка нано?

II. Промежуточные вопросы. Вопросы, которые можно задать во время лекции, позволяющие определить степень освоения материала, необходимого для продолжения лекции.

1) Сравните алмаз и графит.
2) Как устроена углеродная нанотрубка?
3) Прокомментируйте фразу «у каждого вещества есть свой наноуровень».
4) На каком свойстве углеродных нанотрубок основана идея создания космического лифта?
5) Изобразите строение однослойной и многослойной нанотрубки
6) В каких гибридизациях находятся атомы углерода в фуллеренах?
7) Какая из аллотропных модификаций углерода растворима в органических растворителях?
8) Чем сходны и чем отличаются кубический и гексагональный алмаз?
9) Какие применения находят нанотрубки?
10) Что такое карбен?

III. Итоговые вопросы. Вопросы, позволяющие определить уровень освоения материалов лекции.
1) Дайте определения терминам «фуллерен», «углеродная нанотрубка», «графен», «лонсдейлит», «наночастица».
2) Как получают углеродные волокна и доля каких целей их используют?
3) Сравните различные аллотропные модификации углерода по строению и свойствам?
4) Как получают углеродные нанотрубки?
5) Как можно извлечь фуллерены из угольной сажи?
6) Кто впервые открыл углеродные нанотрубки и почему это открытие прошло незамеченным ?
7) В каких древних материалах обнаружены углеродные нанотрубки?

Задача. Клинок Саландина

Клинок арабского принца Саландина, описанный Вальтером Скоттом в романе «Талисман», был обязан своими удивительными качествами вуцу – материалу, из которого он изготовлен. Во время ковки вуца толщина изделия уменьшается в несколько раз. Считают, что вуц изобрели металлурги Древней Индии. Для его получения в глиняный горшок помещали смесь измельченной железной крицы и древесного угля. Тигель закрывали крышкой и нагревали при температуре белого каления до тех пор, пока при встряхивании тигля не слышался хлюпающий звук. После этого тигель медленно охлаждали в течение нескольких дней. Полученный слиток не поддается ковке при комнатной температуре – он слишком хрупкий. Поэтому чтобы изготовить клинок мастер нагревал заготовку в печи до тех пор, пока она не становилась «цвета королевского пурпура», а затем ковал. По средневековой традиции горячий клинок положено было вонзить в тело молодого раба, так как сила раба переходит клинку. Если вместо этого, мастер оставлял раскаленный клинок остывать на воздухе, хороший клинок не получался.

1) Что представляет собой вуц с химической точки зрения?
2) Какие свойства отличают вуц от других материалов для клинков и сабель?
3) Что такое крица, как ее получали?
4) Что означало появление хлюпающего звука?
5) Зачем тигель медленно охлаждали, а потом нагревали до «цвета пурпура»?
6) Как влияет ковка на прочность изделия?
7) С какой целью раскаленный клинок вонзали в раба? Какую замену этой средневековой процедуре вы можете предложить?
8) Клинки, изготовленные из вуца, часто имеют красивый узор (рис.). Как его получают? Чем он образован?

Дополнительные материалы: 

Литература

1) Учебники 10 – 11 класс (профильный уровень) В.В. Еремин, Н.Е. Кузьменко, А.А. Дроздов, В.И. Теренин, В.В. Лунин. Издательство Дрофа.
2) М. Рыбалкина, Нанотехнология для всех, М, 2005
3) Н.В. Меньшутина, Введение в нанотехнологию, Калуга, Издательство научной литературы Бочкаревой Н.Ф., 2006
4) М. Ратнер, Д. Ратнер, Нанотехнология. Простое объяснение очередной гениальной идеи, М., Издательский дом «Вильямс», 2004
5) Нанотехнологии. Азбука для всех, под редакцией академика РАН Ю.Д. Третьякова, М., Физматлит, 2008
6) И. Сенатская, Ф. Байбуртский, Магнитная жидкость, Наука и жизнь, 2002, номер 11
7) Ю. Свидиненко, Нанотехнологии в нашей жизни, Наука и жизнь, 2005, номер 7
8) Г. Сергеев, Нанохимия – от ракетного топлива к лекарствам, Наука и жизнь, 2006, номер 4
9) Д. Бобров, О трении, графите и нанотехнологиях, Наука и жизнь, 2008, номер 4
10) Н. Резник, Цианобактерии производят нанотрубки, Наука и жизнь, 2007, номер 4
11) Е. Кудрявцева, Нанограммы, микрометры, гигаватты, Наука и жизнь, 2008, номер 6
12) Э. Раков, Удивительные нанотрубки – методы получения (номер 23, 2000), Химия и нанотехнология (номер 36, 2004), Удивительные нанотрубки – не только углерод (номер 18, 2001), Удивительные нанотрубки – первые открытия (номер 17, 2000)
13) А. Л. Бучаченко Нанохимия - прямой путь к высоким технологиям нового века, Успехи химии. 2003 . Т. 72, вып. 5. - С. 419-437
14) В.В. Еремин, А.А. Дроздов, Нанохимия и нанотехнологии, элективный курс для учащихся 10 – 11 классов, М., Дрофа, 2009

Интернет-ресурсы
http://chem.msu.ru/rus/olimp задания Московской городской олимпиады по химии с 2002 г по настоящее время
http://www.nanometer.ru/ – сайт нанотехнологического сообщества «Нанометр»
http://www.rusnanonet.ru/ - сайт российской нанотехнологической сети
http://www.nanonewsnet.ru - сайт о нанотехнологиях в России
http://mrsec.wisc.edu/Edetc/ – «Исследование наномира»: образовательный сайт университета штата Висконсин (США)
http://www.periodictable.ru/ популярный сайт о простых веществах, фото веществ, видеоролики опытов
• видеолекции член-корр. РАН проф. Е.А. Гудилина, выложенные на сайте российской национальной нанотехнологической сети:
http://www.rusnanonet.ru/video/gudilin01/
http://www.rusnanonet.ru/video/gudilin02/
http://www.rusnanonet.ru/video/gudilin03/

Список тем, которые можно изучать в качестве продолжения лекции «Все из углерода (современные углеродные материалы)» или которые связаны с тематикой лекции

1. Введение в нанохимию и нанотехнологию
2. Углеродные нанотрубки
3. Фуллерены
4. Роснанотех – направления исследований
5. История создания наноматериалов
6. Молекулярные устройства
7. Знаменитые алмазы