bigpo.ru
добавить свой файл
1

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:

Впервые этот газ в чистом виде выделил 240 лет назад английский химик Генри Кавендиш. Свойства полученного им газа были настолько удивительны, что ученый принял его за легендарный «флогистон», «теплород» — вещество, по канонам науки того времени определявшее температуру тел. Он прекрасно горел (а огонь считался почти чистым флогистоном), был необычайно легок, в 15 раз легче воздуха, хорошо впитывался металлами и так далее. Однако другой великий химик, француз Антуан-Лоран Лавуазье, уже в 1787 году доказал, что полученное Кавендишем вещество — вполне обычный, хотя и очень интересный химический элемент. Свое название он получил оттого, что при горении давал не дым, сажу и копоть, а воду. Кстати, именно эта его особенность больше всего привлекает сегодняшних экологов и «зеленых».


О каком газе идет речь?

Ученики: О Водороде


Учитель:


Итак тема нашего урока «Водород».

Ребята, а что бы вы хотели узнать об этом удивительном элементе. Составим схему:


Общая характеристика




Применение Водород в природе




Атом водорода

Получение Водород







Молекула водорода


Химические свойства


Физические свойства


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 15.000.000о 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 + H2H2S

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