金刚石、石墨和C60教学实录

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江苏省无锡市东林中学 刘 敬



教学过程

师：碳元素在自然界里的含量不是最多的，但它形成物质的种类却是最多的。我们今天开始学习第六单元“碳和碳的氧化物”。请同学们把书翻开。

[板书］第六单元──碳和碳的氧化物

师：我们已经知道，物质由元素组成，由同种元素组成的纯净物叫做什么？

生：由同种元素组成的纯净物叫单质。

师：不同种元素可以组成不同种单质，同一种元素可以组成不同的单质吗？大家讨论。

生；不可以，一种元素应该只能组成一种单质。

生：可以的。

师：能举例说明吗？

生：我们学过氧元素就能组成氧气和臭氧两种单质。

生：磷元素可以组成白磷和红磷。

［教师一边小结一边板书］同种元素可以组成不同的单质

师：碳元素能否组成不同的单质？研究表明：金刚石、石墨和C60都是由碳元素组成的单质。今天，我们就来学习金刚石、石墨和C60。

［板书］课题1 金刚石、石墨和C60

师：我们先来看一段发生在玻璃店里的小品。

[学生表演]2名学生分别扮演老板和顾客，走到讲台前表演。

顾客：老板，我要配一块玻璃。

老板；好啊。

顾客：我自己有一把很锋利的刀，我想我自己来划玻璃。

老板；你自己想划，行啊，那你试试。（顾客用刀切玻璃没有成功）

老板：还是我来吧。（老板用玻璃刀很容易地把玻璃裁下来。）

顾客：你的玻璃刀用什么做的，这么厉害？

老板：我的玻璃刀上镶了一小块金刚石，它的硬度很高，给你看看。

顾客：哇，只有圆珠笔头这么大，真厉害。谢谢老板！

老板：不客气。

师：谢谢这两位同学的表演（大家鼓掌），由于金刚石非常坚硬，所以可以用来刻划玻璃。我们大家也看一下玻璃刀上镶嵌的金刚石吧。

［实物投影〕玻璃刀上的金刚石

师：金刚石还有其他的性质吗？课前布置了大家到网上或书籍中查找有关碳单质的一些资料，不知你们查到没有？谁先说说有关金刚石的一些资料。

生：金刚石的化学成分是碳，它是正八面体结构，它的结晶发生在高温、高压条件下，是岩浆作用的产物。金刚石无色透明或带蓝、黄、褐和黑色，有光泽；硬度为10，是自然界硬度最大的物质；比重为3.52；折光率为2.42，具有强色散性。可以用来制作首饰、高硬度的切割材料、高温半导体材料等。

师：谁还有不同资料要补充的吗？

生：早在罗马时代，就有人把金刚石雕刻成印章，这是最早的金刚石的“工业用途”。事实上人们从自然界里开采出来的绝大多数金刚石是用于工业的。长期以来，金刚石大多数的工业用途是利用它特别硬，不易磨损的特性。金刚石可以用于切割玻璃，制作钻头用于地质钻探、开采石油和打井等，还可以切割水泥，甚至大理石等建筑材料。至今，只有用金刚石车刀才能加工超硬的陶瓷，尚无其他代用品。金刚石还是优质的磨料，金刚石砂轮用来磨削硬质合金，比碳化硅耐用一万倍。

师：金刚石可以做装饰品──钻石，大家在商店里应该看过吧，我这里有一颗钻石，我们一起欣赏一下。

［实物投影]钻石

师：纯净的金刚石是无色透明的、正八面体形状的固体，经仔细琢磨后，成为装饰品──钻石，它还是天然界中存在的最硬物质，可以划玻璃、切割大理石等。

[投影]金刚石的性质和用途

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	性质	用途
金刚石	无色透明、正八面体形状的固体，折光率 2.42，具有强色散性	经仔细琢磨后，成为装饰品──钻石
	自然界中存在的最硬物质	划玻璃、切割大理石、加工坚硬的金属，装在钻探机的钻头上钻凿坚硬的岩层等

师：金刚石是碳单质家庭中最难理夺目的、最稀有和昂贵的，而同为碳元素组成的石墨和金刚石相比外表要暗淡许多，不信我们看一下课本提供的石墨的图片（学生看书）。同学们有关于石墨的资料吗？
生：石墨的化学成分是碳，它是层状结构，灰色，半金属光泽，硬度1～2；比重2.21～2.26；有滑感，易污手；具有导电性。由于熔点高，抗腐蚀性等特点，用于高温增润；由于具有滑感，用于机械工业的润滑剂；由于其具有导电性，又可制作电极。
生：跟金刚石相反，石墨是自然界最软的矿物之一。用石墨在纸上划过，会留下深灰色的痕迹。铅笔芯就是用石墨粉和粘土混合制成的。由于石墨的熔点高，所以石墨润滑剂可以在不适宜普通润滑剂的高温下使用。
师：石墨是深灰色、有金属光泽、不透明的细磷片状固体，很软，具有优良的导电性，很滑腻。石墨的这些性质决定它有哪些用途呢？
生：石墨很软，可以做铅笔芯。
生：石墨能导电，可以做电极。
生：石墨可以做润滑剂，因为它很滑腻。
[投影]石墨的性质和用途

  

	性质	用途
石墨	深灰色、有金属光泽、不透明的细磷片状固体
	很软	铅笔芯
	能导电	电极
	滑腻	润滑剂

师：铅笔是我们最熟悉的学习用品，铅笔里面其实不含铅，是石墨和粘土混合而成的。画画用的铅笔常用“6B”的，写字用的铅笔常用“HB” 的，制图用的铅笔常常是“6H” 的，6B最软，颜色最深，6H最硬，HB软硬适中。“H”代表Hard，坚硬的，“B”代表 BlaCk，黑的。由于石墨太软，只用石墨做铅笔芯，易断又易磨损，所以加入粘土。我们看看不同型号铅笔的笔迹。

[实物投影]6B、HB、6H铅笔的笔迹
［展示]一幅用6B铅笔画的人物头像素描
师：石墨除了做铅笔芯，还可以做电池的电极。我们取废旧电池中的碳棒来做一个导电的实验。请两位同学到讲台上来做这个实验。
［学生实验]石墨的导电性。把一根石墨电极和导线连接在一起，接通电源后，观察灯泡发亮，证明石墨具有导电性。
师：铅笔芯的成分里含有石墨，铅笔芯有没有导电性？想不想试验一下？
生：想！（学生很有兴趣）
师：你们的铅笔盒里有铅笔芯吗？自己上来做这个实验。（多个学生轮流做这个实验）
[学生实验］自己的铅笔芯接通电源后，也可以使灯泡发亮。
师：如果有一把长期不用而生锈的铁锁，怎样轻易打开它呢？想一想？
生：把铅笔芯的粉末放到锁孔里。因为铅笔芯的成分里有石墨，石墨具有润滑性，可以做润滑剂。
师：好，这个实验留给同学们回家去做。学习了金刚石和石墨，它们的性质和用途一样吗？
生：不一样。
[投影］比较金刚石和石墨的性质和用途

	金刚石	石墨
外观	无色透明正八面体状晶体	深灰色鳞片状固体
光泽	加工琢磨后有夺目光泽	略有金属光泽
硬度	最硬	较软
导电性	无	良好
导热性	良好	良好
用途	钻探机钻头、刻刀、装饰品等	电极、铅笔芯、润滑剂等

师：金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，物理性质为什么有这么大的差异呢？
［展示]金刚石和石墨的原子排列结构模型
师：金刚石的碳原子在空间构成连续、坚固的骨架结构，所以坚硬。石墨的碳原子呈平面层状结构，层与层之间的作用力小，所以很软，能导电，有滑感。
除了金刚石和石墨以外，生活中我们还常常用到木炭、活性炭、炭黑、焦炭等，它们主要由石墨的微小晶体和少量杂质构成。谁查到了有关木炭和活性炭的资料吗？请告诉我们。

生1：木炭是一种黑色多孔的固体。在隔绝空气的条件下加热木材，可以制得木炭。因为木炭具有疏松多孔的结构，表面积很大，能把气体或溶液中的一些物质吸附在它的表面，可做吸附剂。

生2：活性炭是黑色粉末状和颗粒状的固体。把木炭在隔绝空气的情况下加强热，并不断通入水蒸气，便可得到活性炭。活性炭具有比木炭更优良的吸附性能，可用来净化各种气体或液体。例如，活性炭可用做电冰箱的去味剂和制糖工业的脱色剂。防毒面具的滤毒罐里装的活性炭，可吸附毒气，而使纯净的空气通过。
师：同学的资料中提到的吸附性，我们在水的净化里提到过，我们今天做一个活性炭吸附有色物质的实验，来证明一下它的吸附性。
[学生实验]在盛有半杯水的小烧杯里，加入一滴红墨水，使水略显红色。放入活性炭，轻轻振荡。
师：由于黑色的活性炭悬浮于溶液中，现象不明显，可以用过滤的方法除去活性炭。
[学生实验]过滤。
师：看到什么现象了？
生：红色消失，液体变无色。
师：根据以前学过的知识，我们知道，过滤只能除去不溶性物质，所以红墨水颜色的退去是因为活性炭的吸附作用。活性炭不仅能吸附色素，还能吸附气体，防毒面具就是利用活性炭来吸附毒气的。
[展示]防毒面具（滤毒罐就是利用活性炭来吸附毒气的）
师：炭黑是一种黑色的极细粉末，由合碳的有机化合物不完全燃烧或强热分解制得。蜡烛就是一种含碳的有机物，让它不完全燃烧，能不能制得炭黑呢？
[学生实验]收集炭黑。点燃一支蜡烛，把冷碟子放在火焰的上方。
师：看到什么现象？
生：有黑色物质生成。
师：这就是炭黑，可用于制造油墨、油漆、鞋油、颜料以及橡胶轮胎的填料。大家回去后也可做这个实验。焦炭的主要用途是冶炼金属，是工业上冶炼生铁的一种原料，我们在后面的单元里将会学到它。
现在，我们小结一下刚才学过的几种含碳的物质。
[投影]

木炭	吸附一些食品和工业产品的色素，吸附有异味的物质
活性炭	吸附能力比木炭强，吸附毒气，制糖工业里脱色制白糖
炭黑	制造墨、油墨、油漆、鞋油和颜料，还可以增加轮胎制品的耐磨性
焦炭	冶炼金属

师：结合金刚石、石墨和木炭的性质和用途，讨论物质的结构、性质和用途之间有什么关系？
生：结构决定性质，性质又决定用途（学生一边回答，教师一边板书）
师：科学家发现，除了金刚石、石墨外，还有一些新的以单质形式存在的碳，其中，发现较早并在研究中取得重要进展的是C60分子。大家看书，C60的分子结构和什么相似？
生：和足球相似。
师：这种足球结构的碳分子很稳定。C60中60表示什么？
生：一个C60分子中含有60个碳原子。
师：C60是单质还是化合物？
生：是单质。
师：目前，人们正在进一步地研究C60分子的结构和性质，以及在材料科学、超导体等方面的应用。C60具有广泛的应用前景，谁能说说这方面的信息吗？
生：除了超导领域外，C60在以下几个方面也具有广泛的应用前景：①气体的贮存；②有感觉功能的传感器；③增强金属的强度；④新型的催化剂；⑤光学应用；⑥对癌细胞具有杀伤效应等医疗功能。
师：除C60外，一些新的单质碳也相继被发现，如：C70、C240、C540等。
（一边说，一边投影C70、C240、C540等的结构图）
20世纪90年代初，科学家又致力于一种新型的纳米材料──纳米碳管的研究，我们一起来看一下它的结构图。
[实物投影]纳米碳管的结构图
师：谁说说关于纳米碳管的性质？
生1：这是一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几纳米到几十纳米。这样的材料很轻，很结实。它的密度是钢的1／6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。
生2：如果用纳米碳管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不会被自身质量所拉断的绳索。如果用它做成地球—月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。
师：随着科学技术的发展，碳单质不断被发现，碳单质的用途也将不断扩大。学了这节课，大家有什么感受和反思吗？
生1：我觉得化学是一门与生活联系非常紧密的科学，例如铅笔芯、无轨电车、防毒面具等。化学使我们的世界变得更加绚丽多彩。
生2：化学以实验探究为手段，是一门不断向前发展的科学，化学新技术使我们的生活变得更加美好。
生3：今天这节课让我认识到物质的一切外在表现都是由其内在因素决定的，物质的结构决定性质，性质又决定用途，我觉得化学很有意思，我很喜欢它。
师：如果其他同学还有想法，我们课后接着交流。学完这堂课，我们应该知道：1．不同种元素可以组成不同的物质，同一种元素也可以组成不同的物质。如金刚石、石墨和C60等都是由碳元素组成的单质。2．木炭和活性炭具有吸附性。
师：现在做课后练习来巩固一下今天所学的内容。
[学生练习]练习后当堂订正。
师：回去后阅读“化学·技术·社会”中的“人造金刚石和金刚石薄膜”。今天这节课就上到这儿，下课。
（伴随着下课的音乐声这堂课结束了）
点评
本节课是第六单元课题1的第一部分，主要介绍了碳的几种单质的性质和用途，并适当介绍了一些结构知识。这堂课是一堂以学生活动为主的好课，课堂气氛活跃，教学内容丰富，知识客量大，体现了新课程改革中以学生为主体，倡导自主学生、合作学习和探究学习的精神。
该课的最大特点是充分调动了学生的积极性，学生在课前做了一些准备，课上思维活跃，积极参与各种活动，表演及实验也很成功。例如，上讲台表演 2人；上讲台演示实验 4人；演讲个人查阅资料6人；讨论、汇报、发言近二十人；统计下来有近三分之二的学生参与了各项活动。
该课的另一特点是能从学生熟悉的事物出发，充分利用实验、投影、实物、模型等各种教学手段，精心设计教学情景，充分地调动学生的学习积极性，使学生兴趣盎然。例如，让学生表演切割玻璃的小品，测试自己的细铅笔芯的导电性、观察防毒面具……