Нанохимия и нанотехнология
методическая разработка по химии (11 класс) на тему

Абдрахманова Гульназ Мидхатовна [226-050-545]

Итоговая работа

Урок «Нанохимия и нанотехнология»

Класс – химико-биологического профиля обучения

Возраст учащихся – 10 класс

Цель – расширение и углубление знаний учащихся по разделу современной химии: нанохимии и нанотехнологии.

Задачи:

-обучающая – изучение законов химии на наноуровне (новые эффекты и явления), выявление различий и взаимосвязей нанохимии и нанотехнологии;

- развивающая – развитие навыков решения простых задач по нанохимии, а также работы с различными источниками информации (научной и справочной литературой, Internet);

- воспитательная – привитие устойчивого интереса к изучаемому предмету, индивидуальной и совместной работе (чувство коллективизма), профориентационная работа.

Ход урока.

1. Организационный момент. Приветствие учащихся, отметка в журнале отсутствующих, создание в классе благожелательной атмосферы для дальнейшей работы.
2. Повторение. Вспомнить эволюцию познания свойств вещества:

• макроуровень – алхимики в эпоху средневековья (14-18 в.) использовали «метод комбинаторики», т.е.  приливали в разной последовательности и количестве растворы, твердые вещества, газы друг к другу, выявляли сходства и различия в результатах опытах и на этом делали вывод о строении веществ;
• микроуровень – этап изучения и установления строения атома (19-20 в.): модели Резерфорда, Бора, квантовая теория, связь между электронным строением атома и свойством вещества, современная формулировка Периодического закона Менделеева, расположение раннее известных и недавно открытых элементов в ПСЭМ.

        А как изучают  вещества современные ученые (21 в), на каком уровне? Меняются ли свойства веществ при значительном уменьшении их размеров? И можно ли найти «достойное» применение вновь полученных знаний, чтобы это было и экономически оправдано?

Вот об этом обо всем мы с Вами и поговорим сегодня, а также научимся решать несложные задачи по данной теме.

3. Объяснение нового материала.

        В настоящее время в научном языке уже устоялся термин «нанонаука» (англ.nanoscience). Что Вы понимаете под этим термином (учащиеся высказывают свои версиии). Правильно, это область исследоания частиц нанометровых размеров: лат.nanus –карлик, один нанометр – это одна миллиардная часть метра, т.е. 10-9 м.

        Таким образом, нанохимия –это составляющая область химии, которая занимается разработкой методов синтеза и изучением химических свойств нанообъектов.

1.         А как Вы думаете, различаются ли термины «нанохимия»  и «нанотехнология»? Учащиеся пытаются более полно раскрыть понятие «технология». Затем вместе с учителем обобщают его: нанотехнология  –это совокупность технологических процессов производства и применения нанообъектов [1] (лекция №1, с.4-21).

        Таким образом, давайте с Вами зафиксируем принципиальное различие между данными понятиями: любая наука прежде всего занимается (Чем?) … (правильно, изучением фундаментальных законов природы, методами ее познания), а технология имеет дело (С чем?) … (правильно, с разработкой внедрения в производство этих новых идей и их примененим).

        Хорошо, молодцы, а теперь подумайте над таким вопросом: Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых? Ведь законы природы должны быть едины (универсальны) для всех размеров: макроуровень или же микроуровень? Учащиеся предлагают свои версии ответов.

2.         Оказывается, в микроуровне, а тем более в наноуровне начинают больше действовать квантовые эффекты (учитель использует примеры с окраской коллоидного раствора золота, секреты дамасской стали и др. из лекции №1 курса «Нанохимия и нанотехнология» В.В.Еремина, с.5-9), объясняет и наглядно показывает из видеокурса  примеры нанообъектов (классификация нанообъектов, с.14-21, изображения с сайта www.nanometer.ru), раскрывает различие между методами синтеза наночастиц (восходящий и нисходящий) [1] (лекция №2, с.23-41).
3.         Таким образом, учитель плавно переходит к тому, что учащиеся готовы осознать и связать  влияние размерных эффектов на свойства вещества (учитель демонстрирует график зависимости температуры плавления золота от размера частиц (с.10), приводит пример с делением куба на 8 частей (с.1) и математически показывает, что постепенное уменьшение размера частиц приводит к увеличению общей площади поверхности [1]  (лекция №1,рис.5, с.12), объясняет возрастающую роль поверхностной энергии на свойства вещества (с.11), анализирует уравнение Гиббса-Томсона, с.13), приводит пример нанокристаллов полупроводников, называемых квантовыми точками (с.20).

Решение простых задач (вспомнить перевод различных единиц размерности, увидеть возрастание площади поверхности).

Задача №1. Используя сведения, приведенные в тексте лекции№1, оцените число атомов золота в 1 м3 и в 1 нм3.

Решение.  Зная, что куб золота с ребром 1 м весит 19,3 т [1] (лекция №1, с.4), найдем количество вещества золота в этом объеме: n(Au) = m(Au)/M(Au) = =19,3.106 (г) / 197 (г/моль) = 9,8.104 (моль).   Число атомов золота находим через постоянную Авогадро: N(Au) = n(Au) . NA = 9,8.104 (моль) .6,02.1023 (моль-1) =  5,9 .1028.

Зная, что 1 нм3 = 10-27 м3, и используя вычисленное выше значение числа атомов в 1 м3 , определим число атомов золота в 1 нм3: N(Au) =  5,9 .1028 .10-27 =59. (Ответ. 5,9 .1028; 59).

Задача №2. Рассчитайте число атомов золота в 6 нмоль золота, число атомов кислорода в 10 нмоль кремнезема SiO2. (Ответ. 3,6.1015; 1,2.1016).

Задача №3. Сколько атомов углерода входит в состав наноалмаза диаметром 5,0 нм? Какую долю (%) от общего объема алмаза занимают атомы углерода? Необходимая информация: ковалетный радиус атома углерода составляет 0,077 нм (половина длины связи С_С); плотность алмаза – 3,52 г/ см3 ; объем шара V= π.d3 /6. (Ответ. 12000 атомов углерода; доля атомов углерода составляет 35%).

Задача №4. Напишите уравнения или схемы химических реакций, которые можно использовать для получения наночастиц: а)  Al2O3; б) TiO2; в) Pd;  г) Au;  д) Li;  е) ZnSe.  

        Учитель делает вывод: Таким образом, мир наноструктур богат и разнообразен. В нем можно найти аналоги почти всех макрообъектов нашего обычного мира. Но в этом «наномире» важными становятся квантовые и размерные эффекты, которыми в нашем макромире мы иногда можем пренебречь.

        Теперь, когда мы с Вами уяснили чем занимается нанонаука, поговорим о связи нанонауки с нанотехнологией. Для начала ответьте, пожалуйста, на такой интересный вопрос: Один из основоположников нанонауки, американский физик р.Фейнман (на экран выводится фото ученого), говоря о теоретической возможности механически манипулировать отдельными атомами, еще в 1959 г. сказал фразу, ставшую знаменитой: «Там внизу много места» («There ,s plenty of room at the bottom»). Как Вы понимаете высказывание ученого? (Учащиеся высказывают, свои мнения).

        Правильно, он имел ввиду возрастающую роль поверхностных явлений у нанообъектов, которые мы можем и должны использовать в производстве, например, беспроводного наноустройства (с.43). Т.е. задача нанонауки – это получить вещества в наносостоянии, а задача технологическая – придумать (спроектировать) всю цепочку производства структур, устройств, систем, объектов. Таким образом, нанотехнология – это производство с размерами и точностями в области 0,1-100 нм [1] (лекция №3, с.43) .

        Далее учитель приводит схему инновационного пути (с.45), обсуждает с учащимися каждый этап, выслушивает их мнения, поясняет взаимосвязь нанонауки и нанотехнологии на конкретных примерах: механические наноустройства, магнитные наноматериалы, нанотехнологии в медицине (видеоматериалы лекции №3, с.45-63).

Вопросы для обсуждения (можно предварительно дать задание учащимся в качестве тем для докладов, рефератов с последующим выступлением):

1. В чем, на Ваш взгляд, может состоять преимущество наномедицины перед традиционной? [1] (лекция №3, с.57-63).
2. Верите ли Вы в будущее нанотехнологий? Аргументируйте свой ответ [1] (лекция №3, с.45-63), [2] (лекция №5, с.4-17), [3] .
3. Какие свойства фуллерена могут быть использованы на практике? [1] (лекция №4, с.65-91).

4. Какие свойства наночастиц позволяют им играть роль катализаторов? Перечислите известные Вам типы нанокатализаторов. [2] (лекция №6, с.18-39).

5. Закрепление нового материала.

Теперь, в качестве закрепляющего задания мы  с Вами рассмотрим несколько интересных задач по данной теме.

Задача № 5. Напишите, пожалуйста, реакцию пиролиза метана с указанием агрегатного состояния веществ. Учащиеся записывают реакцию разложения метана: СН4 (г.) ↔ С(тв.) + 2Н2(г.)

Учитель: данная реакция протекает с поглощением теплоты, а такие реакции мы называем (как?) … Правильно, эндотермические.

Вопрос: Какие факторы способствуют смещению равновесия в сторону твердого углерода? (Учащиеся вспоминают определение «химическое равновесие», принцип Ле-Шателье и  факторы, с помощью которых возможно смещать химическое равновесие).

Ответ. Повышение температуры, снижение давления, повышение концентрации метана (ввод в реакционную смесь порции метана) и отвод из реакционной смеси газообразного продукта – водорода.

Задача № 6. Оцените толщину пленки нанолалмаза, полученной методом CVD из метана на поверхности субстрата размером 10х10 см в камере объемом 3 л при температуре 1000 К, если исходное давление метана составляло 18 мм рт. ст. Плотность алмаза равна 3,52 г/ см3 . (Ответ. 295 нм).

Задача №7. В метаново-кислородном топливном элементе происходит полное окисление метана кислородом воздуха. Напишите уравнения реакций, протекающих на электродах, если электролит имеет кислотную среду. (Ответ. Катод (восстановление):    О2 +4Н+  + 4е → 2H2О; Анод (окисление):     CH4 + 2H2О  - 8е → CО2 + 8Н+ ).

Задача №8. Считая, что активность гетерогенного катализатора пропорциональна его поверхности, определите, во сколько раз надо уменьшить размер частиц катализатора, чтобы сократить его количество в 4 раза, но сохранить активность. Частицы считайте сферическими. (Ответ. Уменьшить радиус в 4 раза).

Примечание. Задачи №№ 2, 3, 4,  взяты из контрольной работы №1 (тема «Основные понятия нанохимии и нанотехнологии»), задачи №№ 6,7,8  (тема «Свойства и применение наноматериалов»), подробные решения и ответы на которые были представлены в письменном виде слушателем дистанционных курсов по данной теме, а  также имеются в отзывах на контрольные работы, поэтому в разработке урока представлены лишь ответы на данные задачи.

6. Заключение. Итак, сегодня мы с Вами познакомились с современной областью изучения веществ – нанохимией и нанотехнологией, выяснили как законы химии проявляются на наноуровне, какие новые эффекты и явления возникают в нанометровом диапазоне, выявили различие и взаимосвязь нанохимии и нанотехнологии, научились решать задачи по данной теме. Кроме этого, мы посмотрели какие новые возможности раскрываются перед нами при использовании современных достижений нанонауки и нанотехнологии. Вы сами убедились, что для того, чтобы стать высоклассным специалистом в этой области, необходимо глубоко изучать такие науки как физика, математика, химия, биология. Поэтому, мы с Вами на каждом уроке вспоминаем и используем основные понятия из данных областей познания свойств окружающего нас материального мира. Конечно, не стоит ожидать от нанотехнологий революции в обозримом будущем, как это сделали электричество или компьютеры, но масштабы практического применения нанотехнологий будут расти с каждым годом, по мере накопления знаний в этой области. И, конечно, некоторым из Вас также посчастливится внести свой интеллектуальный вклад в данном деле. Успехов Вам! Спасибо всем за работу при подготовке к  занятию по данной интересной теме и активность на самом занятии. (Далее учитель отмечает оценками в журнале наиболее активных учащихся и благодарит их за работу).

Использованная литература.

1. Еремин В.В. Материалы курса «Нанохимия и нанотехнология»: лекции 1-4. – М.: Педагогический университет «Первое сентября», 2009. – 92 с.
2. Еремин В.В. Материалы курса «Нанохимия и нанотехнология»: лекции 5-8. – М.: Педагогический университет «Первое сентября», 2009. – 96 с.
3. Раков Э.Г. Химия и нанотехнология: две точки зрения. Химия (ИД «Первое сентября»), 2004, №36, с.29.

Интернет-ресурсы

www.nanometer.ru

www.nanojournal.ru

Видео-материалы

1. Еремин В.В. Видеопособие «Нанохимия и нанотехнология» : лекции 1-4. – М.: Педагогический университет «Первое сентября», 2009.
2. Еремин В.В. Материалы курса «Нанохимия и нанотехнология»: лекции 5-8. – М.: Педагогический университет «Первое сентября», 2009.