Введение
В школьном курсе химии знакомство с водородом икислородом начинается на ранних стадиях изучения химии. В дальнейшем к этойтеме не возвращаются, в результате знания о водороде и кислороде у выпускниковсредних школ оказываются весьма неполными, значительно более слабыми, чемзнания, например, об азоте или железе. Между тем значение и водорода, икислорода для современной жизни очень велико. В этой лекции сделана попыткаизложить важнейшие сведения о водороде и кислороде, которые необходимы учителюхимии, ведущему занятия в средней школе.
Глава 1. Теоретическая поддержка темы «Водород»
Общая характеристика. Атомный номер водорода 1. Можноутверждать, что водород «образует естественную нижнюю границу» периодическойсистемы, т. к. нет элемента с меньшим атомным номером. Упоминания о получениигорючего газа при действии кислот на металлы встречаются в работах многих химиков(скорее даже не химиков, а алхимиков) XVI–XVII вв. Первым стал рассматриватьводород как химический элемент француз А.Л.Лавуазье, который в 1787 г. установил, что при горении на воздухе этот газ образует воду. Поэтому он дал и элементу, исоответствующему ему газу название hydrogene (по-гречески />– вода, а />– рождаю). В серединеXIX в. в России утвердилось произношение символа элемента по-французски («аш»),видимо, из-за того, что латинское произношение буквы h («ха») показалосьнеблагозвучным.
Как самый легкий элемент водород рассматривал ещеДж.Дальтон. Когда в начале XIX в. Дальтон создавал первую шкалу относительныхатомных весов элементов, то за единицу сравнения он выбрал массу атомаводорода. Длительное время положение водорода в периодической системе элементовбыло двойственным – его размещали и в 1-й, и в 7-й группах, но по последнимрекомендациям ИЮПАК водород – элемент группы № 1.
Водород – неметалл, по шкале Полинга его электроотрицательность2,1.
Водород в природе. Водород – достаточно распространенныйв природе элемент, на его долю приходится около 1% массы земной коры (10-еместо среди всех элементов). Интересно, что из-за малой массы атомараспространенность атомов водорода среди других атомов оказываетсязначительной: из каждых 100 атомов земной коры 17 – атомы водорода. Иногдаучащиеся считают, что водород входит в состав атмосферного воздуха, но в немводород присутствует только в следовых количествах (менее 10–4%). В свободномвиде водорода в земной коре нет, в химически связанном состоянии он содержитсяв воде, природном газе, нефти, каменном угле, входит в состав некоторых горныхпород и минералов. В космосе водород по распространенности занимает первоеместо, на него приходится более 50% массы Солнца и большинства других звезд.Преимущественно из водорода состоят межзвездный газ и газовые туманности.
Водород – органоген, вместе с углеродом, азотом,кислородом, серой и другими элементами-органогенами он входит в состав тканейвсех растений и животных.
Атом водорода. Нейтральный атом водорода содержит 1электрон (электронная конфигурация невозбужденного атома водорода 1s1). Решениеволнового уравнения Шредингера позволяет найти расчетным путем энергии переходаэтого электрона из основного состояния в возбужденные (2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s ит. д.), которые совпадают со значениями, найденными из спектроскопическихисследований. Эти данные с определенными приближениями используют при описанииэлектронных оболочек многоэлектронных атомов (при составлении их так называемыхэлектронных конфигураций).
Ядро природного водорода содержит 1 протон (нуклид 11Н –протий), 1 протон и 1 нейтрон (21Н – дейтерий, D; название ядра – дейтрон, d)или 1 протон и 2 нейтрона (31Н – тритий, T; название ядра – тритон, t). Протияв природной смеси изотопов водорода – 99,985%, дейтерия – 0,015%, массовоесодержание радиоактивного трития ничтожно мало. Атомная масса водорода 1,00794± 0,00007 (колебания связаны с различиями изотопного состава водорода, входящегов состав разных объектов).
Радиус нейтрального атома водорода 0,046 нм – наименьшийсреди радиусов нейтральных атомов химических элементов. В соединениях водородчаще всего проявляет степень окисления +1, редко –1 (в гидридах металлов).
Молекула водорода Н2 двухатомна. При образовании 1 мольН2 из 2 моль атомов Н выделяется 436 кДж. В молекуле атомы связаны однойэлектронной парой, что обычно передают схемой Н–Н или Н: Н. В рамках методамолекулярных орбиталей прочность молекулы Н2 объясняется тем, что в нейэлектронная пара занимает связывающую />-орбиталь (рис. 1).
/>
Рис. 1. Схема заполнения электронами молекулярныхорбиталей в молекуле Н2
Физические свойства. Водород – газ без вкуса, цвета изапаха. Можно отметить, что получаемый лабораторными способами водород имеетнеприятный запах. Длительное время считали, что это запах самого водорода. Нокаково же было удивление ученых, когда во второй половине XIX в. ониустановили, что тщательно очищенный водород запаха не имеет, а неприятный запахвызван примесями сероводорода, фосфина и других газов!
Водород – самый легкий газ, при нормальных условиях егоплотность равна 0,0899 кг/м3. Если шар объемом 22,4 м3 наполнить водородом, то в воздухе он может поднять груз массой 29 – 2 = 27 кг
(29 – эффективная масса в килограммах 1 кмоль воздуха). Впервой половине XX в. началось строительство летательных аппаратов большойгрузоподъемности – дирижаблей, которые наполняли водородом. Однако водород –взрывоопасный газ, и в 1930-е гг. с дирижаблями произошло несколько крупныхаварий. После этого строительство дирижаблей с водородом во всем мире на многиегоды прекратилось.
В воде водород растворим плохо (0,02% по объему). Ещехуже он растворим в органических растворителях. А вот в некоторых металлахводород растворим очень хорошо. Так, в 1 объеме палладия растворяется до 850объемов водорода. Но палладий дорог, и как аккумулятор водорода дляпрактических целей (например, для двигателя, работающего на экологически чистомводородном топливе) его использовать невыгодно. Сравнительно дешевые сплавыудалось приготовить на основе переходных металлов, которые можно использоватькак аккумуляторы водорода. Если эти сплавы заранее насытить водородом, топоследующий расход водорода на работу, например, двигателя автомобиля можнорегулировать осторожным нагреванием сплава.
Температура кипения водорода равна –252,76 °С,температура плавления –259,18 °С; ниже эти температуры только у гелия, поэтомусравнительно дешевый жидкий водород используют для получения сверхнизкихтемператур. Лет 30 назад в научной и популярной литературе широко обсуждалсявопрос о возможности получения при низких температурах и высоких давленияхметаллического водорода. В 1975 г. советские ученые провели эксперимент ствердым водородом при 4,4 К. При сверхвысоких давлениях они наблюдали резкоеповышение электропроводимости слоя твердого водорода. Однако даже при небольшомснижении давления этот эффект исчез. Получить «металлический» водород,сохранявшийся при обычных условиях, за прошедшие годы так и не удалось.
У ядра атома водорода имеется спин (аналогично тому, какспин есть у электрона, он имеется и у протона), поэтому водород Н2 существует вдвух состояниях: орто и пара. В ортоводороде (о-Н2) ориентация ядерных спиноводинаковая (параллельная), а в параводороде (п-Н2) – антипараллельная. Эти двеформы могут превращаться друг в друга. При обычных и высоких температурахводород (так называемый нормальный водород, н-Н2) на 75% состоит из о-Н2 и на25% – из п-Н2, при низких температурах устойчив п-Н2. При низких температурахпревращение протекает медленно, и поэтому удается получить обе формы поотдельности. Отвечающий этим формам водород различается по температурамкипения, плавления и другим физическим свойствам (табл., см. с. 16).
Таблица
Свойства модификаций водородаМодификация водорода Температура кипения, °С Температура плавления, °С Пара-Н2 Орто-Н2 Нормальный Н2 –252,892 –252,702 –252,76 –259,342 –259,102 –259,18
Химические свойства. Из-за высокой устойчивости молекулН2 химическая активность водорода при обычных условиях мала. Хотя сам водород –неметалл, он более химически активен по отношению к неметаллам, чем к металлам.При комнатной температуре водород реагирует только с фтором (со взрывомобразуется фтороводород HF). При облучении УФ-светом или при нагревании водородреагирует с хлором (образуется хлороводород HCl). С менее активными галогенами– бромом и йодом – водород реагирует при нагревании.
При поджигании или при внесении катализатора (платина,палладий) водород со взрывом реагирует с кислородом (как с чистым, так и снаходящимся в смеси с азотом в воздухе). В учебной литературе часто используюттермин «гремучий газ», подразумевая при этом смесь водорода и кислорода,находящихся в объемном отношении 2:1 (что соответствует стехиометриипрактически необратимой при обычных условиях реакции 2Н2 + О2 = 2Н2О). Этоможет создать неверное представление о том, что при других объемныхсоотношениях смеси водорода и кислорода не взрываются. Между тем смеси этихгазов взрываются в широком интервале объемных соотношений. Поэтому, например,даже небольшая утечка в помещении водорода из баллона, в котором он хранится,может привести к сильнейшему взрыву. В связи с этим хранить баллоны с водородомв помещении нельзя (для их хранения используют уличные металлические шкафы).
Если получаемый в лаборатории водород предполагаетсядалее использовать для реакции, протекающей при нагревании, то перед включениемнагрева следует обязательно проверить водород на чистоту. Проверку осуществляютпо звуку горения водорода, собранного в перевернутой вверх дном небольшой пробиркеи поднесенной (без переворачивания) к пламени спички, спиртовки или газовойгорелки. Если в пробирку поступает водород, содержащий примесь кислорода, тозвук при горении «лающий», т.к. реакция мгновенно охватывает весь объем газа впробирке. Если же водород чистый, то он сгорает постепенно, и звук горенияглухой.
Отметим, что практически все реакции водорода с другимигазообразными веществами имеют цепной характер, и поэтому записи для скоростейэтих реакций типа
/>= k[H2]2•[O2]
неверны. Сказанное, вероятно, справедливо и для реакцииН2 с парами йода, которую до сих пор рассматривают как простую бимолекулярную.
С серой водород при нагревании выше 150–180 °С вступает вобратимую реакцию с образованием сероводорода H2S. В школьном курсе подробнорассмотрены условия протекания реакции водорода и азота, поэтому здесь они необсуждаются.
С углем водород реагирует при температуре около 1000 °С иповышенном давлении. Образуется смесь углеводородов, включая углеводороды,жидкие при обычных условиях. Таким путем удается получить синтетический бензин.Возможно, после того, как запасы нефти на Земле закончатся, с помощью такогобензина временно удастся решить проблему жидкого углеводородного топлива. Стакими неметаллами, как фосфор, кремний и бор, водород напрямую не реагирует,соответствующие соединения (в частности, фосфин PH3, силан SiH4 и боран B2H6)получают косвенными путями.
При нагревании водород реагирует с активными металлами(щелочными, щелочно-земельными и магнием) с образованием соответствующихгидридов. Получены, например, гидриды натрия NaH, магния MgH2 и кальция CaH2.Важное значение как компонент твердого ракетного топлива имеет гидрид алюминияAlH3, но его нельзя получить прямым взаимодействием алюминия и водорода. К егообразованию приводят многостадийные процессы, условия эффективногоосуществления которых часто составляют государственную тайну.
При нагревании водород реагирует с оксидами и хлоридамимногих металлов средней и низкой активности, причем образуются свободныеметаллы (происходит их восстановление). Например, при температуре около 200 °Спротекает реакция
PbO + H2 = H2O + Pb.
А при температуре выше 350–400 °С – реакции
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O,
2FeCl3 + 3H2 = 2Fe + 6HCl.
Нужно иметь в виду, что оксиды активных металлов, в томчисле оксиды кальция и алюминия, с водородом не реагируют. В ряду стандартныхпотенциалов (в ряду активности металлов) первый металл, оксид которого невосстанавливается водородом при нормальном давлении до металла, – это марганец.
Важное практическое значение имеет реакция Н2 с оксидомуглерода(II), которую используют в промышленных масштабах для полученияметанола:
СО + 2Н2 = СН3ОН.
Изменяя условия проведения этой реакции, можно получить идругие вещества (например, формальдегид НСНО).
В присутствии катализатора (никеля, платины) водородреагирует с органическими соединениями, в молекулах которых между атомамиуглерода имеются кратные связи.
Промышленное получение водорода. Длительное время водородв нашей стране в основном получали из газа, образующегося при нагревании бездоступа воздуха каменного угля – при его коксовании. В настоящее время наиболееэкономичный способ производства водорода – так называемая каталитическаяпаровая конверсия метана. При температуре около 1000 °С в присутствиикатализатора и паров воды протекает реакция
2СН4 + О2 = СО2 + 2Н2.
Водород очищают от примеси СО2, пропуская образующиесягазы под давлением через воду. Углекислый газ при этом переходит в раствор, аводород не растворяется.
Водород как побочный продукт образуется при получениищелочи и хлора электролизом водного раствора хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + H2/>+ Cl2/>,
а также при получении сажи из метана по реакции крекинга
СН4 = С + 2Н2,
при крекинге нефтепродуктов и в результате некоторыхдругих процессов.
Лабораторные методы получения водорода. В лабораторииводород можно получить действием на цинк соляной кислотой или приблизительно20%-м раствором серной кислоты (в этом случае водород загрязнен SO2). Удобнопроводить эти реакции в аппарате Киппа. Иногда для получения водородаиспользуют реакцию алюминия с водным раствором щелочи:
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] +3H2/>.
Чистый водород получают путем электролиза водныхрастворов или щелочи, или сульфата натрия.
Иногда встречается ошибочное утверждение о том, что«водород получают электролизом воды». Конечно, при электролизе водных растворовщелочей или сульфата натрия происходит электрохимическое разложение воды, нонужно иметь в виду, что чистая вода электрический ток не проводит, и подобноеутверждение неточно. Для промышленного получения водорода электролиз водныхрастворов не используют из-за большого расхода при этом электроэнергии ивысокой стоимости получаемого водорода (стоимость водорода, образующегося приконверсии метана, заметно ниже).
Применение водорода. Главные направления промышленногоиспользования водорода – синтез аммиака, хлороводорода, метилового спирта,получение некоторых металлов (молибдена, вольфрама и др.), гидрированиеорганических соединений. Жидкий водород используют как горючее в ракетнойтехнике и как хладагент в специальных физических приборах.
Глава 2. Методика изучения темы «Получение водорода, егофизические и химические свойства»
Изучение водорода начинают с получения его. Учительдемонстрирует опыт, а учащиеся описывают свои наблюдения, отмечая «кипение»кислоты при соприкосновении с цинком. Такой факт дает возможность приобсуждении данных эксперимента обратить внимание учащихся на то, что внешниепроявления различных по сущности процессов могут быть сходными. Следуетпобеседовать о кипении, как физическом явлении. Учащиеся должны припомнитьопределение кипения как перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.При кипении жидкости ее пары в виде пузырьков выходят на поверхность исмешиваются с окружающим воздухом. При охлаждении происходит конденсация паровв жидкость. Молекулы при этом не изменяются, новое вещество не образуется.Учитель может подвести учащихся к выводу о качественно иной природенаблюдаемого явления. Можно ли предположить, что наблюдаемое явление —некипение? Нагревание не проводили, вещества лишь соприкасались друг с другом(цинк с соляной кислотой). А это — одно из условий химической реакции. Какдоказать, что образовавшийся газ — новое вещество? В первую очередь следуетпроверить, не поддерживает ли он горение, как кислород, и не гасит ли зажженнуюлучинку, как углекислый газ. В результате опытов выявляется новое свойство:водород —горючий газ. Так как ни цинк, ни кислота таким свойством не обладают,значит, образующийся при их взаимодействии газ-г действительно новое вещество.
Можно обсудить с учащимися вопрос о том, из какоговещества выделяется водород. Наблюдения показывают, что пузырьки газаотрываются от поверхности металла. Г. Кавендиш, открывший водород, так и считал,что металл — источник газа. Учащимся же известно, что металлы — простыевещества. Если провести ряд опытов, показывающих, как взаимодействуют разныеметаллы с одной и той же кислотой и один и тот же металл с разными кислотами,то можно наблюдать во всех случаях выделение водорода. На основании этихнаблюдений учащиеся сделают вывод о том, что водород входит в состав кислот. Нопочему же реакция идет на поверхности металла? Вопрос заставляет еще разобратить внимание на то, что именно поверхность металла соприкасается скислотой и атомы металла вытесняют из неё водород. Как подтвердить правильностьвывода? Учащиеся нередко предлагают изменить размер поверхности соприкосновенияметалла с кислотой. Они высказывают предположение, что при увеличенииповерхности реакция пойдет быстрее, а при уменьшении — медленнее. Рассуждениеведется по аналогии с тем, что происходит в процессе сжигания разных видовтоплива. Учитель может вновь провести опыт, одновременно опуская в одинаковыерастворы кислоты, взятой в равных объемах, одинаковые навески металла, но водном случае металл — в виде целой пластины, а в другом — несколько кусочковметалла или порошок. Так можно сделать вывод о зависимости скорости реакции отколичественного фактора — площади поверхности соприкосновения реагирующихвеществ.
Учитель должен экспериментально доказать образованиесложного вещества хлорида цинка. После того как учащиеся самостоятельноопределят тип протекающей реакции и рассмотрят ее сущность с точки зренияатомно-молекулярной теории, учитель может отметить, что при этом происходят двавзаимно противоположных, но связанных друг с другом процесса: разъединениеводорода и хлора в молекулах НС1 и соединение хлора и цинка, в результате чегообразуется хлорид цинка. Любая химическая реакция представляет собой единстводвух противоположных процессов.
Обсуждая устройство и работу приборов для получения исобирания, водорода, учитель должен опираться на знания учащихся о причинно-следственнойсвязи и обсудить вопрос о соответствий конструкции приборов их назначению.
При получении водорода и изучении его физических свойствнеобходимо сравнить их с физическими свойствами кислорода и сделать вывод оразличии и сходстве способов собирания этих газов в сосуды.
При сравнительном изучении химических свойств водорода икислорода необходимо обратить внимание учащихся на то, что водород и кислород вступаютв химические реакции как с простыми веществами, так и со сложными. Водородпроявляет свойства восстановителя, а кислород —окислителя. Водород и кислородкак простые вещества обладают противоположными химическими свойствами: водородгорит в воздухе, а кислород не горит, но поддерживает горение других веществ.Взаимодействуя между собой, водород и кислород образуют совершенно непохожее наних новое вещество — воду, которая не горит и не поддерживает горения.
При изучении химических свойств водорода важно показатьучащимся, что одна, и та же реакция в зависимости or условий может проходить сразной скоростью и иметь разные признаки, хотя сущность будет одна и та же.Например, взаимодействие кислорода и водорода с образованием воды идет и приобычных условиях, но крайне медленно, а поэтому незаметно. Если водородподжечь, то он спокойно горит на воздухе и в кислороде, образуя воду. Смесьводорода с кислородом при поджигании или при нагревании выше 550 °С взрывается.Если в смесь водорода и кислорода внести металл — платину, смесь раскаляется,образуются пары воды, которые затем в виде капель оседают на стенках сосуда.Однако условия и признаки разные. Следует отметить каталитическую роль платины.
Знание этих факторов нужно не только для того, чтобыучащиеся обратили внимание на условия, влияющие на время прохождения реакций,но чтобы заметили возможность управления химическими превращениями, связьтеории с практикой.
Взаимодействие оксида меди (II) с водородом можнорассмотреть по-разному. В одном случае можно продемонстрировать опыт, обсудитьего результаты, сделать соответствующее обобщение. В другом случае можно болееактивно использовать знания учащихся. Поскольку они уже знакомы с физическимисвойствами оксида меди (II), меди, водорода и воды, то учитель может предложитьим самостоятельно предсказать признаки химической реакции между оксидом меди(II) и водородом, записать ее уравнение и определить тип реакции. Важноостановиться на роли водорода в этой реакции. Ведь учащиеся нередко подмечаютлишь такую сторону реакции, как соединение, водорода с кислородом собразованием оксида (Н2О), т. е. окисление. Учитель может рассмотреть реакциюкак окислительно-восстановительную, показать единство процессов окисленияводорода и восстановления меди, указать на роль водорода и оксида меди (II) каквосстановителя и окислителя. Это можно отметить как еще одно подтверждениеединства противоположностей, характеризующего реакцию как внутреннепротиворечивый процесс, в котором взаимосвязаны (взаимодействуют)противоположные по своей роли вещества — окислитель и восстановитель. Нужнотакже заметить, что рассматриваемую реакцию относят к типу реакций замещения,но вместе с тем ее называют и окислительно-восстановительной реакцией. Такучитель подтверждает возможность рассмотрения химических превращений с разныхточек зрения.
Для закрепления знаний о получения водорода в лабораториии его физических и химических свойствах можно, кроме заданий из учебника,предложить учащимся сконструировать приборы для получения водорода из выданныхдеталей и обсудить достоинства и недостатки приборов или их проектов. Большуюобучающую и развивающую роль играют упражнения на выполнение ряда превращенийвеществ: составьте уравнения реакций и укажите условия следующих превращений:
/>
Имеет смысл объяснить учащимся, чем надоруководствоваться при подборе взаимодействующих веществ. Основной решения этоговопроса является анализ состава исходного вещества и продукта реакции, потомучто продукты реакции включают в себя атомы исходных веществ.
Применение водорода. Водород в природе
Объясняя применение водорода, учитель должен показать,как связано оно со свойствами простого вещества и его соединений. При этомважно подчеркнуть ценность водорода как химического сырья и как перспективногоэлемента для энергетики будущего. Водород—экологически чистое топливо, так как,сгорая, он образует воду— вещество, не чуждое природе (табл. 4).
/>
При обсуждении с учащимися вопроса о распространенностиводорода на Земле и в доступном для изучения космическом пространстве учителюследует обратить внимание на то, что ввиду высокой химической активностиводорода он встречается в основном в соединении с другими элементами. Так, всоставе воды — самого распространенного на Земле вещества—массовая доляводорода равна 11,19%, а в земной коре его массовая доля составляет 1%.
Очень редко и в минимальных количествах газообразныйводород встречается в составе вулканических в других природных газов. Надоотметить, что водород во Вселенной — это самый распространенный элемент. В видеплазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, Изводорода в основном состоят газы межзвездной среды и газовые туманности.
Водород входит в состав природного газа и нефти.Например, содержится в метане СН4, который образует на 90% газ, используемый вбыту. Водород — важная составная часть кислот, многие из которых содержатся врастениях и в организме животных.
Изучение вопроса о распространении водорода в природепозволяет организовать повторение понятий: химический элемент, простоевещество, сложное вещество. Кроме того, важно закрепить умения решать задачи навычисление массовой доли элемента в сложном веществе (например, вычислениесодержания водорода в воде, в метане, в аммиаке, в хлороводороде), а такжемассовой (или объемной) доли компонента в смеси (например, объемной доливодорода в различных смесях его с кислородом или воздухом).
Глава 3. Методические разработки по «Водород.Кислоты. Соли»
Цели урока:
Обучающие: создать условия для обобщения и систематизациизнаний учащихся по теме: «Водород. Кислоты. Соли», продолжить формироватьумение классифицировать неорганические вещества; закрепить основные понятия«оксиды», «кислоты», «соли», «индикатор»; уметь выделять главное.
Развивающие: содействовать развитию познавательной итворческой активности учащихся через постановку проблемных вопросов, приподготовке творческих домашних заданий, а также умению сравнивать,анализировать, находить решение заданий в нестандартных ситуациях.
Воспитательные: учить детей самоанализу своейдеятельности на уроке при презентации знаний о кислотах и солях в выполненииразноуровневых заданий, на этапе рефлексии и т. п., формировать интерес кпредмету через мультимедийные возможности компьютера; способствовать отработкенавыков самовыражения у учащихся на основе выполнения разнообразныхтематических заданий.
Тип урока: обобщение и систематизация изученногоматериала с применением ИКТ.
Место проведения: кабинет информатики.
Эпиграф урока:
«Для тех, кто мало знает и этого много, а для тех, ктохочет знать много и этого мало». (Л. Зорина)
Средства обучения:
Раздаточный материал из серии разноуровневых заданий поиндивидуальной карточке.
Проверочные тесты.
Компьютер для презентации проверочного теста и проверки,презентации знаний о кислотах и солях, применение водорода.
Оборудование: штатив с пробирками, кристаллизатор,индикаторная бумага: метилоранж, фенолфталеин, лакмус.
Реактивы: кальций, соляная кислота, вода.
Структура урока
Организационный момент. Приветствие учащихся.
Презентация о применении водорода (выступление учащегося)
Самостоятельная работа «Решение задачи на определениемассовой доли элемента».
Практическая часть «Получение водорода» в лаборатории.
Презентация сведений о кислотах, солях и индикаторах.
Презентация сведений о химических свойствах кислот.
Презентация сведений об основных группах неорганическихсоединений.
Разноуровневая проверочная работа.
Решение задачи по уравнению химической реакции.
Подведение итога урока. Выставление оценок, ихаргументация.
Дифференцированное домашнее задание.
Рефлексия.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент «Настроимся на урок»
Сообщение темы, постановка цели урока, обращаю вниманиена эпиграф (Приложение 1, слайд №1)
II. Компьютерное тестирование (вопросы ЕГЭ)
III. Выступление учащегося с применением презентации«Водород» (Приложение 1, слайды № 2 – 8)
IV. Актуализация знаний
Самостоятельная работа учащихся в тетрадях «Решениезадачи на определение массовой доли элемента» (Приложение 1, слайд № 9)
Учитель: Как в лаборатории получают водород?
После ответов учащихся демонстрация опыта (Приложение 1,слайд 10)
Учитель: Что такое кислоты? Назвать кислоты, кислотныеостатки, их валентность.
Ответы учащихся (Приложение 1, слайды № 11, 12)
Учитель: Как распознать кислоту?
Ответы учащихся, демонстрация опыта. (Приложение 1, слайд№ 13)
Учитель: Кислоты вступают в химическую реакцию сметаллами и их оксидами. Дописать уравнения химических реакций, определить типхимической реакции.
Самостоятельная работа учащихся в тетрадях. (Приложение 1,слайд № 14)
Учитель: Какое вещество образовалось в результате взаимодействияметалла с кислотой?
Ответы учащихся. (Приложение 1, слайд № 15)
Выбрать формулы солей, затем кислот и оксидов. Дать имназвания. (Приложение 1, слайд № 16)
Учитель: Как дают названия солям? Составить формулысолей.
Ответы учащихся. (Приложение 1, слайд № 17)
Скоростная дорожка «Дать названия солям» (работавыполняется на время)
Разноуровневая самостоятельная работа. Учащиеся имеютправо выбора задания (Приложение 2).
Решение задачи по уравнению химической реакции в двухвариантах ( стр.78 № 10, 11 по учебнику Е.Е. Минченкова, 8 класс).
V. Домашнее задание: стр. 77, № 5, 6 учебникаЕ.Е.Минченкова, 8 класс.
VI. Подводятся итоги урока, выставляются оценки.
– Я довольна вашей работой, но моей оценки недостаточно,ответьте пожалуйста на следующие вопросы: (Приложение 1, слайд № 18)
– Спасибо за внимание. (Приложение 1, слайд № 19)
г) Водород (вещество)
При обычных условиях водород – газ без цвета и запаха. Внебольших количествах он нетоксичен. Твердый водород плавится при 14 К (–259°С), а жидкий водород кипит при 20 К (–253 °С). Низкие температуры плавления икипения, очень маленький температурный интервал существования жидкого водорода(всего 6 °С), а также небольшие значения молярных теплот плавления (0,117кДж/моль) и парообразования (0,903 кДж/моль) говорят о том, что межмолекулярныесвязи в водороде очень слабые. Плотность водорода r(Н2) = (2 г/моль):(22,4л/моль) = 0,0893 г/л. Для сравнения: средняя плотность воздуха равна 1,29 г/л.То есть водород в 14,5 раза «легче»воздуха. В воде он практическинерастворим. При комнатной температуре водород малоактивен, но при нагреванииреагирует со многими веществами. В этих реакциях атомы водорода могут какповышать, так и понижать свою степень окисления: Н2 + 2е– = 2Н–I, Н2 – 2е– =2Н+I.
В первом случае водород является окислителем, например, вреакциях с натрием или с кальцием: 2Na + H2 = 2NaH, (t) Ca + H2 = CaH2. (t) Ноболее характерны для водорода восстановительные свойства: O2 + 2H2 = 2H2O, (t)
CuO + H2 = Cu + H2O. (t)
При нагревании водород окисляется не только кислородом,но и некоторыми другими неметаллами, например, фтором, хлором, серой и даже азотом.В лаборатории водород получают в результате реакции
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2/>.
Вместо цинка можно использовать железо, алюминий инекоторые другие металлы, а вместо серной кислоты – некоторые другиеразбавленные кислоты. Образующийся водород собирают в пробирку методомвытеснения воды (см. рис. 10.2 б) или просто в перевернутую колбу (рис. 10.2а).
/>
В промышленности в больших количествах водород получаютиз природного газа (в основном это метан) при взаимодействии его с парами водыпри 800 °С в присутствии никелевого катализатора:
CH4 + 2H2O = 4H2 +CO2(t, Ni)
или обрабатывают при высокой температуре парами водыуголь:
2H2O + С = 2H2 + CO2.(t)
Чистый водород получают из воды, разлагая ееэлектрическим током (подвергая электролизу):
2H2O = 2H2/>+ O2/>(электролиз).
д) Соединения водорода
Гидриды (бинарные соединения, содержащие водород) делятсяна два основных типа: а) летучие (молекулярные) гидриды, б) солеобразные(ионные) гидриды. Элементы IVА – VIIA групп и бор образуют молекулярныегидриды. Из них устойчивы только гидриды элементов, образующих неметаллы: B2H6;CH4; NH3; H2O; HF SiH4 ;PH3;H2S; HCl AsH3; H2Se; HBr, H2Te; HI
За исключением воды, все эти соединения при комнатнойтемпературе – газообразные вещества, отсюда их название – «летучиегидриды». Некоторые из элементов, образующих неметаллы, входят в состав иболее сложных гидридов. Например, углерод образует соединения с общимиформулами CnH2n+2, CnH2n, CnH2n–2 и другие, где n может быть очень велико (этисоединения изучает органическая химия).
К ионным гидридам относятся гидриды щелочных,щелочноземельных элементов и магния. Кристаллы этих гидридов состоят из анионовН/>икатионов металла в высшей степени окисления Ме/>или Ме2/>(в зависимости от группы системыэлементов).LiH NaH MgH2 KH CaH2 RbH SrH2 CsH BaH2
И ионные, и почти все молекулярные гидриды (кроме Н2О иНF) являются восстановителями, но ионные гидриды проявляют восстановительныесвойства значительно сильнее, чем молекулярные. Кроме гидридов, водород входитв состав гидроксидов и некоторых солей. Со свойствами этих, более сложных,соединений водорода вы познакомитесь в следующих главах.
Главными потребителями получаемого в промышленностиводорода являются заводы по производству аммиака и азотных удобрений, гдеаммиак получают непосредственно из азота и водорода:
N2 +3H2/>2NH3(Р, t, Pt – катализатор).
В больших количествах водород используют для полученияметилового спирта (метанола) по реакции
2Н2 + СО = СН3ОН (t, ZnO –катализатор),
а также в производстве хлороводорода, который получаютнепосредственно из хлора и водорода:
H2 + Cl2 = 2HCl.
Иногда водород используют в металлургии в качествевосстановителя при получении чистых металлов, например:
Fe2O3 + 3H2= 2Fe + 3H2O.
Глава 4. Контролирующие задания по теме «Водород»
1.Из каких частиц состоят ядра а) протия, б) дейтерия, в)трития?
2.Сравните энергию ионизации атома водорода с энергиейионизации атомов других элементов. К какому элементу по этой характеристикеводород ближе всего?
3.Проделайте то же для энергии сродства к электрону
4.Сравните направление поляризации ковалентной связи истепень окисления водорода в соединениях: а) BeH2,CH4, NH3, H2O, HF; б) CH4, SiH4,GeH4.
5.Запишите простейшую, молекулярную, структурную ипространственную формулу водорода. Какая из них чаще всего используется?
6.Часто говорят: " Водород легче воздуха". Чтопод этим подразумевается? В каких случаях это выражение можно понимать буквально,а в каких –нет?
7.Составьте структурные формулы гидридов калия и кальция,а также аммиака, сероводорода и бромоводорода.
8.Зная молярные теплоты плавления и парообразованияводорода, определите значения соответствующих удельных величин. 9.Для каждой изчетырех реакций, иллюстрирующих основные химические свойства водорода,составьте электронный баланс. Отметьте окислители и восстановители. 10.Определитемассу цинка, необходимого для получения 4,48 л водорода лабораторным способом.
11.Определите массу и объем водорода, который можнополучить из 30 м3 смеси метана и паров воды, взятых в объемном отношении 1:2,при выходе 80 %.
12.Составьте уравнения реакций, протекающихпривзаимодействии водорода а) со фтором, б) с серой.
13.Приведенные ниже схемы реакций иллюстрируют основныехимические свойства ионных гидридов: а) MH + O2 />MOH(t); б) MH + Cl2 />MCl +HCl (t); в) MH + H2O />MOH +H2; г) MH + HCl(p) />MCl +H2 Здесь М – это литий, натрий, калий, рубидий или цезий. Составьте уравнениясоответствующих реакций в случае, если М – натрий. Проиллюстрируйте уравнениямиреакций химические свойства гидрида кальция.
14.Используя метод электронного баланса, составьтеуравнения следующих реакций, иллюстрирующих восстановительные свойстванекоторых молекулярных гидридов: а) HI + Cl2 />HCl +I2 (t); б) NH3 + O2 />H2O +N2 (t); в) CH4 + O2 /> H2O +CO2 (t).