Урок по теме "Водород. Общая характеристика, нахождение в природе, физические свойства и получение"

Скачать 284.96 Kb.

Название	Урок по теме "Водород. Общая характеристика, нахождение в природе, физические свойства и получение"
страница	2/3
Дата публикации	05.10.2013
Размер	284.96 Kb.
Тип	Урок

100-bal.ru > Химия > Урок

1 2 3

Я познаю мир. Химия: энцикл/авт. - сост. И.А. Савина. - М.: АСТ: Астрель: Транзиткнига, 2006.Водород

Урок в 9-м классе по теме: "Водород"

Цели урока: Сформировать понятие об особенностях строения и свойствах водорода,
представление о специфических свойствах, роли в природной среде и жизни человека.

Задачи:

в процессе исследования изучить физические и химические свойства водорода и его соединений;
развивать дальнейшие умения составлять уравнения химических реакций;
учить сравнивать, обобщать, анализировать и делать выводы;
развивать познавательную деятельность через эксперимент и посредством заданий развивающего характера;

Метод обучения: Объяснительно-иллюстративный, проблемно-поисковый.

Организационные формы: беседа, самостоятельная и практическая работа, сообщения учащихся

Средства обучения: таблицы, химическое оборудование и реактивы, медиапроектор.

Приёмы активизации мыслительной деятельности учащихся:

1.      Анализ учебной информации

2.      Раскрытие межпредметных связей между химией, биологией, географией, астрономией.

3.      Выдвижение гипотез

4.      Анализ и составление обобщающих таблиц.

Основные особенности использования цифровых образовательных ресурсов:

Во время изучения данной темы будут использованы иллюстративные материалы интернет-ресурсов, содержащие справочные данные по физико-химическим свойствам и значении водорода и воды; ресурсы компакт-дисков, содержащих информацию и иллюстративный материал по данной теме; компьютерные программные средства – Microsoft Word, Microsoft Power Point, и другие для подготовки материалов к уроку и самостоятельной работы учащихся.

Компьютерная презентация к уроку (Приложение №1)

Ожидаемые результаты обучения:

В результате изучения данной темы учащиеся:

·        Получают знания о строении, свойствах и значении водорода на Земле и во Вселенной

·        Получают представление о распространенности водорода в природе

·        Приобретают знание физических и химических свойств водорода

·        Знакомятся с важнейшими областями применения водорода и методами его получения из природного сырья

·        Приобретают умение объяснить причину опасности работы с водородом

·        Приобретают навыки работы с химическими веществами и оборудованием

·        Умеют использовать средства Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft Power Point, Front Page, Microsoft Office для подготовки презентаций, рефератов, докладов, проектных работ по данной теме.

Используемая литература:

1)      С.С.Бердоносов, Е.А. Менделеева «Особенности содержания и методики преподавания некоторых избранных тем курса химии 8-9 классов.»Москва Педагогический университет 2006.

2)      В.В.Еремин Н.Е Кузьменко.» Сборник задач и упражнений по химии. Школьный курс. Москва «ОНИКС21 век»Мир и Образование 2003.

3)      Энциклопедический словарь юного химика.Москва. «Педагогика» 1990.

4)      Журнал «Вокруг Света» Июль 2006. Разворот на водород.

Структура урока

I.Ориентировочно-мотивационный блок (Предъявление темы, обоснование её актуальности, возбуждение интереса к ней). Вводная беседа, создание проблемной ситуации.

II. Информационный блок (Формирование стержневой проблемы, организация обсуждения по этапам, составление опорного конспекта.)

III. Генерализация (Обобщение и систематизация результатов поиска и ответа на проблему, составление схем обобщающих поисковую деятельность )

IV. Рефлексия.

V. Домашнее задание.

                                                     Ход урока

Эпиграф к уроку:

И если вчера человечество благоговело перед новым видом энергии- электричеством, а позавчера перед паровым котлом, то сегодня мы управляем реакцией распада атомного ядра, а завтра будем управлять реакцией синтеза ядер- создадим земные солнца!

                                                                                               Д.И.Щербаков.

Учитель:

                            Опорный конспект:

Общая характеристика:

Водород занимает первое место в периодической системе (Z = 1). Он имеет простейшее строение атома: ядро атома окружено электронным облаком. Электронная конфигурация 1s¹.

В одних условиях водород проявляет металлические свойства (отдает электрон), в других — неметаллические (принимает электрон). Однако по свойствам он более сходен с галогенами, чем со щелочными металлами. Поэтому водород помещают в VII группу периодической системы элементов Д.И. Менделеева, а в I группе символ водорода заключают в скобки.

Водород в природе:

Водород широко распространен в природе — содержится в воде, во всех органических соединениях, в свободном виде — в некоторых природных газах. Содержание его в земной коре достигает 0,15% ее массы (с учетом гидросферы — 1%). Водород составляет половину массы Солнца.

Когда-то люди обожествляли Солнце. Но теперь оно стало объектом точных исследований, и мы редко задумываемся о том, что само наше существование целиком и полностью зависит от происходящих на нем процессов.

Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия; реакция идет в несколько стадий, а ее суммарный результат записывается вот таким уравнением:

4¹₁Н⁺ → ⁴₂Не²⁺ + 2е⁺ + 26,7 МэВ.

Много это или мало –26,7 МэВ на один элементарный акт? Очень много: при «сгорании» 1 г протонов выделяется в 20 млн раз больше энергии, чем при сгорании 1 г каменного угля. На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком.

Солнце - это сферически симметричный раскаленный плазменный шар, находящийся в равновесии. Оно, вероятно, возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности примерно 5 млрд. лет назад. В начале своей жизни солнце, примерно на 3/4 состояло из водорода. Затем, из-за гравитационного сжатия, температура и давление в недрах настолько увеличились, что самопроизвольно начала происходить термоядерная реакция, в ходе которой водород превращаться в гелий. В результате этого очень сильно поднялась температура в центре Солнца, (порядка 15.000.000^о К), а давление в его недрах возросло настолько ( 1,5х10⁵ кг/м³), что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца. За время существования Солнца уже около половины водорода в его центральной области превратилось в гелий и вероятно ещё через 5 млрд. лет, когда в центре светила водород будет на исходе, Солнце ( жёлтый карлик в настоящее время) увеличится в размерах и станет красным гигантом.

В природе водород встречается в виде двух изотопов — протия (99,98%) и дейтерия (0,02%). Поэтому в обычной воде содержатся большие количества тяжелой воды

Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов (или общего электронного облака):

Н:Н или Н₂

Благодаря этому обобщению электронов молекула Н₂ более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж:

Н₂ = 2Н, ?H° = 436 кДж/моль

Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.

Физические свойства.

Водород — это самый легкий газ (он в 14,4 раза легче воздуха), не имеет цвета, вкуса и запаха. Мало растворим в воде (в 1 л воды при 20°С растворяется 18 мл водорода). При температуре — 252,8°С и атмосферном давлении переходит в жидкое состояние. Жидкий водород бесцветен.

Кроме водорода с массовым числом 1 существуют изотопы с массовыми числами 2 и 3 — дейтерий D и тритий Т.

Газообразный водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода.

В молекуле ортоводорода (т. пл. -259,20 °С, т. кип. -252,76 °С) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. -259,32 °С, т. кип. -252,89 °С) — противоположно друг другу (антипараллельны).

Химические свойства

Для водорода характерны следующие реакции с простыми веществами (с Al, B, Si, P соединения водорода получают косвенным путём):

Взаимодействие с неметаллами

При поджигании или в присутствии платинового катализатора реагирует с кислородом

O₂ + 2H₂ = 2H₂O, реакция протекает со взрывом.

Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом.

При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой:

S + H₂ ⇔ H₂S

С азотом — при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора (железо):

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ = 2HF, реакция протекает со взрывом при любой температуре,

Cl₂ + H₂ = 2HCl, реакция протекает только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H₂ = CH₄

] Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

Водород образует с активными металлами гидриды:

Na + H₂ = 2NaH

Ca + H₂ = CaH₂

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂ ↑

Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)

Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O

Гидрирование органических соединений

При действии водорода на ненасыщенные углеводороды в присутствии никель-катализатора и повышенной температуре происходит реакция гидрирования:

CH₂=CH₂ + H₂ = CH₃-CH₃

Водород восстанавливает альдегиды до спиртов:

CH₃CHO + H₂ = C₂H₅OH

Получение:

Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород.

Эксперимент по получению водорода из воды с помощью солнечной энергии (Университет Нового Южного Уэльса, Австралия). В этой технологии солнечный свет сначала преобразуется в электричество, которое уже разлагает воду на кислород и водород в присутствии катализатора (диоксида титана)

В промышленности

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H₂ + 2NaOH + Cl₂

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

H₂O + C ⇔ H₂ + CO

3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром:

CH₄ + H₂O ⇔ CO + 3H₂ (1000°C)

Каталитическое окисление кислородом:

2CH₄ + O₂ ⇔ 2CO + 4H₂

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H₂O = NaOH + H₂

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O⁺ + 2e = H₂ + 2H₂O

Применение:

В качестве перспективного горючего водород начал рассматриваться уже в середине прошлого века, а до этого он успел поработать в дирижаблях и сварочных аппаратах, ныне же часто трудится в роли одного из самых эффективных аккумуляторов энергии. Внедрение водорода в качестве горючего долго тормозилось его взрывоопасностью, а самое главное, себестоимостью его добычи. Но скоро ситуация может резко измениться

Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург». Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий. .

Водород используют при синтезе аммиака NH₃, хлороводорода HCl, метанола СН₃ОН, при гидрокрекинге (крекинге в атмосфере водорода) природных углеводородов, как восстановитель при получении некоторых металлов. Гидрированием природных растительных масел получают твёрдый жир — маргарин. Жидкий водород находит применение как ракетное топливо, а также как хладагент. Смесь кислорода с водородом используют при сварке.

Одно время высказывалось предположение, что в недалёком будущем основным источником получения энергии станет реакция горения водорода, и водородная энергетика вытеснит традиционные источники получения энергии (уголь, нефть и др.). При этом предполагалось, что для получения водорода в больших масштабах можно будет использовать электролиз воды. Электролиз воды — довольно энергоёмкий процесс, и в настоящее время получать водород электролизом в промышленных масштабах невыгодно. Но ожидалось, что электролиз будет основан на использовании среднетемпературной (500—600 °C) теплоты, которая в больших количествах возникает при работе атомных электростанций. Эта теплота имеет ограниченное применение, и возможности получения с её помощью водорода позволили бы решить как проблему экологии (при сгорании водорода на воздухе количество образующихся экологически вредных веществ минимально), так и проблему утилизации среднетемпературной теплоты.

В 1979 году компания BMW выпустила первый автомобиль, вполне успешно ездивший на водороде, при этом не взрывавшийся и выпускавший из выхлопной трубы водяной пар. В эпоху усиливающейся борьбы с вредными выхлопами машина была воспринята как вызов консервативному автомобильному рынку. Вслед за BMW в экологическую сторону потянулись и другие производители. К концу века каждая уважающая себя автокомпания имела в запаснике хотя бы один концепт-кар, работающий на водородном топливе.

Баварские автомобилестроители в рамках программы CleanEnergy («чистая энергия») приспособили под езду на Н₂ несколько «семерок» и MINI Cooper.

Оборудованная 4-литровым двигателем водородная «семерка» развивает мощность в 184 лошадиные силы и проходит на одной заправке (170 литтров жидкого водорода «под завязку») 300 км.

Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных элементах. Ибо кроме «экологичности» у них есть масса других преимуществ. Например, гораздо более высокий (до нескольких раз) КПД двигателя или бесшумность.

А больше всех новым топливом заинтересовались японцы. И это понятно. Эта страна, практически лишенная хоть каких-нибудь природных запасов нефти и газа, обладает неограниченными объемами сырья для водорода (в виде океанской воды) и поистине завидной сообразительностью населения. А поэтому здесь водородные аналоги есть практически у любого вида техники — от работающего на топливных элементах локомотива до человекоподобного робота SpeecysFC. К тому же японцы вовсю ведут разработки топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов. Вопрос? Так как же хранят водород?

Водородное топливо сберегают тремя способами: в сжатом виде, в сжиженном и в металлогидридах. Самое простое, конечно, — закачать водород в бак мощным компрессором. В баках той же Mazda водородное топливо содержится под давлением 350 атмосфер. Но способ этот, будучи самым дешевым, и самый небезопасный. При таком высоком давлении любая слабинка в системе грозит протечкой газа. А где протечка, там пожар, а то и взрыв.

Более надежный и практичный способ — держать водород в жидком виде. Но для этого его нужно охладить до –253 градусов Цельсия. В BMW топливо хранится именно в таком виде: поэтому почти половину топливной системы занимает мощнейшая теплоизоляция. И все равно, стоит оставить машину на стоянке, скажем, на недельку, и она встретит вернувшегося хозяина с пустыми баками. Никакая изоляция не может полностью защитить систему от нагрева. В результате водород начинает испаряться, давление в баке растет, и газ просто стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. По техническим условиям полная заправка испаряется всего за три дня…

Самый перспективный способ — хранение в металлогидридных композициях. Водород, оказывается, очень хорошо растворяется металлами, как вода впитывается губкой. Причем он поглощается в огромных объемах, значительно превосходящих объемы «губки». Такие «напитанные» водородом металлы называются металлогидридами. При охлаждении они вбирают водород, при нагревании — активно его отдают.

Представьте себе такой опыт. В приборе для электролиза воды катод изготовлен в виде пластинки. Вы включаете ток, и... пластинка сама собой начинает изгибаться! Секрет этого фокуса заключается в том, что пластинка изготовлена из палладия и с одной стороны покрыта слоем лака. При электролизе на не лакированной стороне пластинки выделяется водород и тотчас же растворяется в металле; а так как при этом объем палладия увеличивается, то возникает усилие, изгибающее пластинку.

Это явлении, называется окклюзией.

Водород и будущее

Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции:

²₁Н + ³₁Н → ⁴₂Не +¹₀n + 17,6 МэВ.

Эта реакция начинается при 10 млн градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии.

Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце идут медленные и стабильные термоядерные процессы. Солнце дарует нам жизнь, а водородная бомба – сулит смерть...

Но когда-нибудь настанет время – и это время не за горами, – когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас 300 л бензина. И человечество будет с недоумением вспоминать, что было время, когда люди угрожали друг другу животворным источником тепла и света...

Домашнее задание: Ответить на контрольные вопросы,

Контрольные вопросы по теме:

1.      Какой элемент характеризуется наибольшей распространенностью во Вселенной?

2.      Кто впервые выделил водород в чистом виде?

3.      Какова электронная конфигурация водорода?

4.      Назовите изотопы водорода.

5.      Чем объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.

6.      В каких модификациях может существовать газообразный водород?

7.      Охарактеризуйте химические свойства водорода.

8.      Что называют гремучим газом?

9.      Какие соединения водород образует с активными металлами?

10. Оксиды каких элементов восстанавливаются до металлов водородом?

11. Что такое реакции гидрирования?

12. Каковы способы получения водорода в промышленности?

13. Как получают водород в лаборатории?

14. Перечислите основные области применения водорода.

15. Что такое водородное топливо?

16. Почему баллоны, содержащие сжатый кислород можно хранить в помещениях, а баллоны с водородом нельзя?

17. Каково значение водорода в природе.

Проверочные задания по теме водород:

1) Какой минимальный объем гремучего газа нужно использовать для получения

2 л воды?

       2) Какую массу цинка (г) надо растворить в соляной кислоте, чтобы полученным    водородом можно было восстановить 14.4 г оксида меди(II)?

       3)Самый тяжелый из изотопов водорода- тритий- радиактивен. В какой элемент       превращается радиактивный водород при β-распаде?

        4)Рассчитайте количество водорода, которое может быть получено из 21 г гидрида кальция в случае: а) термического разложения твердого образца; б) реакции такого же образца с водой.

        5) В солнечной атмосфере содержится 82% водорода-1 и 18 % гелия-4 по числу атомов. Рассчитайте массовую долю атомарного водорода в атмосфере солнца.

        6) Допишите уравнения реакций:

Zn + 2HCl =     ?     + H₂

? + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

NaH + H₂O = NaOH + ?

2Al + 2NaOH + 6H₂O = ?   + 3H₂

Zn + ? + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂

Водород, его общая характеристика и нахождение в природе. Получение водорода в лаборатории и его физические свойства

      Цель урока. Конкретизировать знания о химическом элементе и простом веществе на примере изучения водорода. Сформировать представления о способах получения и собирания водорода в лаборатории.
      Основные понятия. Химический элемент, простое вещество, физические свойства, валентность кислотного остатка.
      Планируемые результаты обучения. Знать состав молекул водорода и способ его получения реакцией замещения. Уметь характеризовать физические свойства водорода, собирать водород методом вытеснения воздуха, доказывать его наличие, проверять водород на чистоту. Соблюдать меры предосторожности при работе с химическими реактивами.
      Демонстрации. Получение водорода в аппарате Киппа. Ознакомление с физическими свойствами водорода. Проверка водорода на чистоту. Наполнение водородом мыльных пузырей.
      Лабораторный опыт. Получение и свойства водорода.
      Краткое содержание урока. В начале урока учитель продолжает формировать умение решать расчетные задачи с использованием термохимических уравнений. К доске вызываются несколько человек, которые получают индивидуальные задания. Класс в это время обсуждает выполнение домашнего задания.
      При изучении нового материала продолжается конкретизация знаний о химическом элементе и простом веществе. Используя план характеристики химического элемента (см. урок 19), учащиеся самостоятельно характеризуют водород как химический элемент.
      Далее учитель демонстрирует получение водорода в аппарате Киппа: объясняет устройство аппарата и показывает, как проверить водород на чистоту, разъясняет, почему работать с водородом опасно. Затем учитель демонстрирует способы собирания водорода. Учащиеся, наблюдая за демонстрационным экспериментом, отмечают физические свойства водорода. Обсуждение физических свойств водорода необходимо проводить в сравнении с физическими свойствами кислорода.
      Говоря о том, что водород самый легкий из газов, можно продемонстрировать наполнение водородом мыльных пузырей. Готовят из туалетного мыла пену, в которую для прочности мыльных пузырей добавляют несколько капель глицерина.
      Затем учитель подробно разбирает запись уравнения реакции получения водорода в лаборатории, отмечает, что эта реакция относится к реакциям замещения. Обращает внимание на формулы сложных веществ — соляной кислоты НСl и серной кислоты Н₂SO₄. Вводит понятие о валентности кислотного остатка. Затем учащиеся выполняют лабораторный опыт 9 (с. 77 учебника), закрепляя практические умения получать водород, собирать его вытеснением воздуха, проверять на чистоту, доказывать наличие образовавшейся соли.
      Материал § 26 (с. 73 учебника) лучше рассмотреть при изучении химических свойств воды.