Введение
В школьном курсе химии знакомство с водородом и кислородом начинается на ранних стадиях изучения химии. В дальнейшем к этой теме не возвращаются, в результате знания о водороде и кислороде у выпускников средних школ оказываются весьма неполными, значительно более слабыми, чем знания, например, об азоте или железе. Между тем значение и водорода, и кислорода для современной жизни очень велико. В этой лекции сделана попытка изложить важнейшие сведения о водороде и кислороде, которые необходимы учителю химии, ведущему занятия в средней школе.
Глава 1. Теоретическая поддержка темы «Водород»
Общая характеристика. Атомный номер водорода 1. Можно утверждать, что водород «образует естественную нижнюю границу» периодической системы, т. к. нет элемента с меньшим атомным номером. Упоминания о получении горючего газа при действии кислот на металлы встречаются в работах многих химиков (скорее даже не химиков, а алхимиков) XVI–XVII вв. Первым стал рассматривать водород 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, и соответствующему ему газу название hydrogene (по-гречески – вода, а – рождаю). В середине XIX в. в России утвердилось произношение символа элемента по-французски («аш»), видимо, из-за того, что латинское произношение буквы h («ха») показалось неблагозвучным.
Как самый легкий элемент водород рассматривал еще Дж.Дальтон. Когда в начале XIX в. Дальтон создавал первую шкалу относительных атомных весов элементов, то за единицу сравнения он выбрал массу атома водорода. Длительное время положение водорода в периодической системе элементов было двойственным – его размещали и в 1-й, и в 7-й группах, но по последним рекомендациям ИЮПАК водород – элемент группы № 1.
Водород – неметалл, по шкале Полинга его электроотрицательность 2,1.
Водород в природе. Водород – достаточно распространенный в природе элемент, на его долю приходится около 1% массы земной коры (10-е место среди всех элементов). Интересно, что из-за малой массы атома распространенность атомов водорода среди других атомов оказывается значительной: из каждых 100 атомов земной коры 17 – атомы водорода. Иногда учащиеся считают, что водород входит в состав атмосферного воздуха, но в нем водород присутствует только в следовых количествах (менее 10–4%). В свободном виде водорода в земной коре нет, в химически связанном состоянии он содержится в воде, природном газе, нефти, каменном угле, входит в состав некоторых горных пород и минералов. В космосе водород по распространенности занимает первое место, 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 тканей всех растений и животных.
Атом водорода. Нейтральный атом водорода содержит 1 электрон (электронная конфигурация невозбужденного атома водорода 1s1). Решение волнового уравнения Шредингера позволяет найти расчетным путем энергии перехода этого электрона из основного состояния в возбужденные (2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s и т. д.), которые совпадают со значениями, найденными из спектроскопических исследований. Эти данные с определенными приближениями используют при описании электронных оболочек многоэлектронных атомов (при составлении их так называемых электронных 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). Протия в природной смеси изотопов водорода – 99,985%, дейтерия – 0,015%, массовое содержание радиоактивного трития ничтожно мало. Атомная масса водорода 1,00794 ± 0,00007 (колебания связаны с различиями изотопного состава водорода, входящего в состав разных объектов).
Радиус нейтрального атома водорода 0,046 нм – наименьший среди радиусов нейтральных атомов химических элементов. В соединениях водород чаще всего проявляет степень окисления +1, редко –1 (в гидридах металлов).
Молекула водорода Н2 двухатомна. При образовании 1 моль Н2 из 2 моль атомов Н выделяется 436 кДж. В молекуле атомы связаны одной электронной парой, что обычно передают схемой Н–Н или Н : Н. В рамках метода молекулярных орбиталей прочность молекулы Н2 объясняется тем, что в ней электронная пара занимает связывающую -орбиталь (рис. 1).
Рис. 1. Схема заполнения электронами молекулярных орбиталей в молекуле Н2
Физические свойства. Водород – газ без вкуса, цвета и запаха. Можно отметить, что получаемый лабораторными способами водород имеет неприятный запах. Длительное время считали, что это запах самого водорода. Но каково же было удивление ученых, когда во второй половине XIX в. они установили, что тщательно очищенный водород запаха не имеет, а неприятный запах вызван примесями сероводорода, фосфина и других газов!
Водород – самый легкий газ, при нормальных условиях его плотность 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). В первой половине XX в. началось строительство летательных аппаратов большой грузоподъемности – дирижаблей, которые наполняли водородом. Однако водород – взрывоопасный газ, и в 1930-е гг. с дирижаблями произошло несколько крупных аварий. После этого строительство дирижаблей с водородом во всем мире на многие годы прекратилось.
В воде водород растворим плохо (0,02% по объему). Еще хуже он растворим в органических растворителях. А вот в некоторых металлах водород растворим очень хорошо. Так, в 1 объеме палладия растворяется до 850 объемов водорода. Но палладий дорог, и как аккумулятор водорода для практических целей (например, для двигателя, работающего на экологически чистом водородном топливе) его использовать невыгодно. Сравнительно дешевые сплавы удалось приготовить на основе переходных металлов, которые можно использовать как аккумуляторы водорода. Если эти сплавы заранее насытить водородом, то последующий расход водорода на работу, например, двигателя автомобиля можно регулировать осторожным нагреванием сплава.
Температура кипения водорода равна –252,76 °С, температура плавления –259,18 °С; ниже эти температуры только у гелия, поэтому сравнительно дешевый жидкий водород используют для получения сверхнизких температур. Лет 30 назад в научной и популярной литературе широко обсуждался вопрос о возможности получения при низких температурах и высоких давлениях металлического водорода. В 1975 г. советские ученые провели эксперимент с твердым водородом при 4,4 К. При сверхвысоких давлениях они наблюдали резкое повышение электропроводимости слоя твердого водорода. Однако даже при небольшом снижении 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, как спин есть у электрона, он имеется и у протона), поэтому водород Н2 существует в двух состояниях: орто и пара. В ортоводороде (о-Н2) ориентация ядерных спинов одинаковая (параллельная), а в параводороде (п-Н2) – антипараллельная. Эти две формы могут превращаться друг в друга. При обычных и высоких температурах водород (так называемый нормальный водород, н-Н2) на 75% состоит из о-Н2 и на 25% – из п-Н2, при низких температурах устойчив п-Н2. При низких температурах превращение протекает медленно, и поэтому удается получить обе формы по отдельности. Отвечающий этим формам водород различается по температурам кипения, плавления и другим физическим свойствам (табл., см. с. 16).
Таблица
Свойства модификаций водорода
| Модификация 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 молекул Н2 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 взрывом образуется фтороводород HF). При облучении УФ-светом или при нагревании водород реагирует 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 с находящимся в смеси с азотом в воздухе). В учебной литературе часто используют термин «гремучий газ», подразумевая при этом смесь водорода и кислорода, находящихся в объемном отношении 2:1 (что соответствует стехиометрии практически необратимой при обычных условиях реакции 2Н2 + О2 = 2Н2О). Это может создать неверное представление о том, что при других объемных соотношениях смеси водорода и кислорода не взрываются. Между тем смеси этих газов 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 водородом в помещении нельзя (для их хранения используют уличные металлические шкафы).
Если получаемый в лаборатории водород предполагается далее использовать для реакции, протекающей при нагревании, то перед включением нагрева следует обязательно проверить водород на чистоту. Проверку осуществляют по звуку горения водорода, собранного в перевернутой вверх дном небольшой пробирке и поднесенной (без переворачивания) к пламени спички, спиртовки или газовой горелки. Если в пробирку поступает водород, содержащий примесь кислорода, то звук при горении «лающий», т.к. реакция мгновенно охватывает весь объем газа в пробирке. Если же водород чистый, то он сгорает постепенно, и звук горения глухой.
Отметим, что практически все реакции водорода с другими газообразными веществами имеют цепной характер, и поэтому записи для скоростей этих реакций типа
= k[H2]2•[O2]
неверны. Сказанное, вероятно, справедливо и для реакции Н2 с парами йода, которую до сих пор рассматривают как простую бимолекулярную.
С серой водород при нагревании выше 150–180 °С вступает в обратимую реакцию с образованием сероводорода H2S. В школьном курсе подробно рассмотрены условия протекания реакции водорода и азота, поэтому здесь они не обсуждаются.
С углем водород реагирует при температуре около 1000 °С и повышенном 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 такого бензина временно удастся решить проблему жидкого углеводородного топлива. С такими 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 соответствующих гидридов. Получены, например, гидриды натрия NaH, магния MgH2 и кальция CaH2. Важное значение как компонент твердого ракетного топлива имеет гидрид алюминия AlH3, но его нельзя получить прямым взаимодействием алюминия и водорода. К его образованию приводят многостадийные процессы, условия эффективного осуществления которых часто составляют государственную тайну.
При нагревании водород реагирует с оксидами и хлоридами многих металлов средней и низкой активности, причем образуются свободные металлы (происходит их восстановление). Например, при температуре около 200 °С протекает реакция
PbO + H2
= H2
O + Pb.
А при температуре выше 350–400 °С – реакции
Fe2
O3
+ 3H2 = 2Fe + 3H2
O,
2FeCl3
+ 3H2
= 2Fe + 6HCl.
Нужно иметь в виду, что оксиды активных металлов, в том числе оксиды кальция и алюминия, с водородом не реагируют. В ряду стандартных потенциалов (в ряду активности металлов) первый металл, оксид которого не восстанавливается водородом при нормальном давлении до металла, – это марганец.
Важное практическое значение имеет реакция Н2 с оксидом углерода(II), которую используют в промышленных масштабах для получения метанола:
СО + 2Н2
= СН3ОН.
Изменяя условия проведения этой реакции, можно получить и другие вещества (например, формальдегид НСНО).
В присутствии катализатора (никеля, платины) водород реагирует с органическими соединениями, в молекулах которых между атомами углерода имеются кратные связи.
Промышленное получение водорода. Длительное время водород в нашей стране в основном получали из газа, образующегося при нагревании без доступа воздуха каменного угля – при его коксовании. В настоящее время наиболее экономичный способ производства водорода – так называемая каталитическая паровая конверсия метана. При температуре около 1000 °С в присутствии катализатора и паров воды протекает реакция
2СН4
+ О2
= СО2
+ 2Н2
.
Водород очищают от примеси СО2, пропуская образующиеся газы под давлением через воду. Углекислый газ при этом переходит в раствор, а водород не растворяется.
Водород как побочный продукт образуется при получении щелочи и хлора электролизом водного раствора хлорида натрия:
2NaCl + 2H2
O = 2NaOH + H2
+ Cl2
,
а также при получении сажи из метана по реакции крекинга
СН4
= С + 2Н2
,
при крекинге нефтепродуктов и в результате некоторых других процессов.
Лабораторные методы получения водорода. В лаборатории водород можно получить действием на цинк соляной кислотой или приблизительно 20%-м раствором серной кислоты (в этом случае водород загрязнен SO2). Удобно проводить эти реакции в аппарате Киппа. Иногда для получения водорода используют реакцию алюминия с водным раствором щелочи:
2Al + 2NaOH + 6H2
O = 2Na[Al(OH)4
] + 3H2
.
Чистый водород получают путем электролиза водных растворов или щелочи, или сульфата натрия.
Иногда встречается ошибочное утверждение о том, что «водород получают электролизом воды». Конечно, при электролизе водных растворов щелочей или сульфата натрия происходит электрохимическое разложение воды, но нужно иметь в виду, что чистая вода электрический ток не проводит, и подобное утверждение неточно. Для промышленного получения водорода электролиз водных растворов не используют из-за большого расхода при этом электроэнергии и высокой стоимости получаемого водорода (стоимость водорода, образующегося при конверсии метана, заметно ниже).
Применение водорода. Главные направления промышленного использования водорода – синтез аммиака, хлороводорода, метилового спирта, получение некоторых металлов (молибдена, вольфрама и др.), гидрирование органических соединений. Жидкий водород используют как горючее в ракетной технике и как хладагент в специальных физических приборах.
Глава 2. Методика изучения темы «Получение водорода, его физические и химические свойства»
Изучение водорода начинают с получения его. Учитель демонстрирует опыт, а учащиеся описывают свои наблюдения, отмечая «кипение» кислоты при соприкосновении с цинком. Такой факт дает возможность при обсуждении данных эксперимента обратить внимание учащихся на то, что внешние проявления различных по сущности процессов могут быть сходными. Следует побеседовать о кипении, как физическом явлении. Учащиеся должны припомнить определение кипения как перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. При кипении жидкости ее пары в виде пузырьков выходят на поверхность и смешиваются с окружающим воздухом. При охлаждении происходит конденсация паров в жидкость. Молекулы при этом не изменяются, новое вещество не образуется. Учитель может подвести учащихся к выводу о качественно иной природе наблюдаемого явления. Можно ли предположить, что наблюдаемое явление —не кипение? Нагревание не проводили, вещества лишь соприкасались друг с другом (цинк с соляной кислотой). А это — одно из условий химической реакции. Как доказать, что образовавшийся газ — новое вещество? В первую очередь следует проверить, не поддерживает ли он горение, как кислород, и не гасит ли зажженную лучинку, 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 какого вещества выделяется водород. Наблюдения показывают, что пузырьки газа отрываются от поверхности металла. Г. Кавендиш, открывший водород, так и считал, что металл — источник газа. Учащимся же известно, что металлы — простые вещества. Если провести ряд опытов, показывающих, как взаимодействуют разные металлы 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 этих наблюдений учащиеся сделают вывод о том, что водород входит в состав кислот. Но почему же реакция идет на поверхности металла? Вопрос заставляет еще раз обратить внимание на то, что именно поверхность металла соприкасается с кислотой и атомы металла вытесняют из неё водород. Как подтвердить правильность вывода? Учащиеся нередко предлагают изменить размер поверхности соприкосновения металла с кислотой. Они высказывают предположение, что при увеличении поверхности реакция пойдет быстрее, а при уменьшении — медленнее. Рассуждение ведется по аналогии с тем, что происходит в процессе сжигания разных видов топлива. Учитель может вновь провести опыт, одновременно опуская в одинаковые растворы кислоты, взятой в равных объемах, одинаковые навески металла, но в одном случае металл — в виде целой пластины, а в другом — несколько кусочков металла или порошок. Так можно сделать вывод о зависимости скорости реакции от количественного фактора — площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
Учитель долж
Обсуждая устройство и работу приборов для получения и собирания, водорода, учитель должен опираться на знания учащихся о причинно-следственной связи и обсудить вопрос о соответствий конструкции приборов их назначению.
При получении водорода и изучении его физических свойств необходимо сравнить их с физическими свойствами кислорода и сделать вывод о различии и сходстве способов собирания этих газов в сосуды.
При сравнительном изучении химических свойств водорода и кислорода необходимо обратить внимание учащихся на то, что водород и кислород вступают в химические реакции как с простыми веществами, так и со сложными. Водород проявляет свойства восстановителя, а кислород —окислителя. Водород и кислород как простые вещества обладают противоположными химическими свойствами: водород горит в воздухе, а кислород не горит, но поддерживает горение других веществ. Взаимодействуя между собой, водород и кислород образуют совершенно непохожее на них новое вещество — воду, которая не горит и не поддерживает горения.
При изучении химических свойств водорода важно показать учащимся, что одна, и та же реакция в зависимости or условий может проходить с разной скоростью и иметь разные признаки, хотя сущность будет одна и та же. Например, взаимодействие кислорода и водорода с образованием воды идет и при обычных условиях, но крайне медленно, а поэтому незаметно. Если водород поджечь, то он спокойно горит на воздухе и в кислороде, образуя воду. Смесь водорода 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, чтобы учащиеся обратили внимание на условия, влияющие на время прохождения реакций, но чтобы заметили возможность управления химическими превращениями, связь теории с практикой.
Взаимодействие оксида меди (II) с водородом можно рассмотреть по-разному. В одном случае можно продемонстрировать опыт, обсудить его результаты, сделать соответствующее обобщение. В другом случае можно более активно использовать знания учащихся. Поскольку они уже знакомы с физическими свойствами оксида меди (II), меди, водорода и воды, то учитель может предложить им самостоятельно предсказать признаки химической реакции между оксидом меди (II) и водородом, записать ее уравнение и определить тип реакции. Важно остановиться на роли водорода в этой реакции. Ведь учащиеся нередко подмечают лишь такую сторону реакции, как соединение, водорода с кислородом с образованием оксида (Н2О), т. е. окисление. Учитель может рассмотреть реакцию как окислительно-восстановительную, показать единство процессов окисления водорода и восстановления меди, указать на роль водорода и оксида меди (II) как восстановителя и окислителя. Это можно отметить как еще одно подтверждение единства противоположностей, характеризующего реакцию как внутренне противоречивый процесс, в котором взаимосвязаны (взаимодействуют) противоположные по своей роли вещества — окислитель и восстановитель. Нужно также заметить, что рассматриваемую реакцию относят к типу реакций замещения, но вместе с тем ее называют и окислительно-восстановительной реакцией. Так учитель подтверждает возможность рассмотрения химических превращений с разных точек зрения.
Для закрепления знаний о получения водорода в лаборатории и его физических и химических свойствах можно, кроме заданий из учебника, предложить учащимся сконструировать приборы для получения водорода из выданных деталей и обсудить достоинства и недостатки приборов или их проектов. Большую обучающую и развивающую роль играют упражнения на выполнение ряда превращений веществ: составьте уравнения реакций и укажите условия следующих превращений:
Имеет смысл объяснить учащимся, чем надо руководствоваться при подборе взаимодействующих веществ. Основной решения этого вопроса является анализ состава исходного вещества и продукта реакции, потому что 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 этом важно подчеркнуть ценность водорода как химического сырья и как перспективного элемента 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 распространенности водорода на Земле и в доступном для изучения космическом пространстве учителю следует обратить внимание на то, что ввиду высокой химической активности водорода он встречается в основном в соединении с другими элементами. Так, в составе воды — самого распространенного на Земле вещества—массовая доля водорода равна 11,19%, а в земной коре его массовая доля составляет 1%.
Очень редко и в минимальных количествах газообразный водород встречается в составе вулканических в других природных газов. Надо отметить, что водород во Вселенной — это самый распространенный элемент. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, Из водорода 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 в быту. Водород — важная составная часть кислот, многие из которых содержатся в растениях и в организме животных.
Изучение вопроса о распространении водорода в природе позволяет организовать повторение понятий: химический элемент, простое вещество, сложное вещество. Кроме того, важно закрепить умения решать задачи на вычисление массовой доли элемента в сложном веществе (например, вычисление содержания водорода в воде, в метане, в аммиаке, в хлороводороде), а также массовой (или объемной) доли компонента в смеси (например, объемной доли водорода в различных смесях его с кислородом или воздухом).
Глава 3. Методические разработки по "Водород. Кислоты. Соли"
Цели урока:
Обучающие: создать условия для обобщения и систематизации знаний учащихся по теме: «Водород. Кислоты. Соли», продолжить формировать умение классифицировать неорганические вещества; закрепить основные понятия «оксиды», «кислоты», «соли», «индикатор»; уметь выделять главное.
Развивающие: содействовать развитию познавательной и творческой активности учащихся через постановку проблемных вопросов, при подготовке творческих домашних заданий, а также умению сравнивать, анализировать, находить решение заданий в нестандартных ситуациях.
Воспитательные: учить детей самоанализу своей деятельности на уроке при презентации знаний о кислотах и солях в выполнении разноуровневых заданий, на этапе рефлексии и т. п., формировать интерес к предмету через мультимедийные возможности компьютера; способствовать отработке навыков самовыражения у учащихся на основе выполнения разнообразных тематических заданий.
Тип урока: обобщение и систематизация изученного материала с применением ИКТ.
Место проведения: кабинет информатики.
Эпиграф урока:
«Для тех, кто мало знает и этого много, а для тех, кто хочет знать много и этого мало». (Л. Зорина)
Средства обучения:
Раздаточный материал из серии разноуровневых заданий по индивидуальной 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 определение массовой 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 неорганических соединений.
Разноуровневая проверочная работа.
Решение задачи по уравнению химической реакции.
Подведение итога урока. Выставление оценок, их аргументация.
Дифференцированное домашнее задание.
Рефлексия.
ХОД УРОКА
I. Организационный момент «Настроимся на урок»
Сообщение темы, постановка цели урока, обращаю внимание на 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 «Решение задачи 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, кислотные остатки, 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 с металлами и их оксидами. Дописать уравнения химических реакций, определить тип химической реакции.
Самостоятельная работа учащихся в тетрадях. (Приложение 1, слайд № 14)
Учитель: Какое вещество образовалось в результате взаимодействия металла с кислотой?
Ответы учащихся. (Приложение 1, слайд № 15)
Выбрать формулы солей, затем кислот и оксидов. Дать им названия. (Приложение 1, слайд № 16)
Учитель: Как дают названия солям? Составить формулы солей.
Ответы учащихся. (Приложение 1, слайд № 17)
Скоростная дорожка «Дать названия солям» (работа выполняется на время)
Разноуровневая самостоятельная работа. Учащиеся имеют право выбора задания (Приложение 2).
Решение задачи по уравнению химической реакции в двух вариантах ( стр.78 № 10, 11 по учебнику Е.Е. Минченкова, 8 класс).
V. Домашнее задание: стр. 77, № 5, 6 учебника Е.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. В небольших количествах он нетоксичен. Твердый водород плавится при 14 К (–259 °С), а жидкий водород кипит при 20 К (–253 °С). Низкие температуры плавления и кипения, очень маленький температурный интервал существования жидкого водорода (всего 6 °С), а также небольшие значения молярных теплот плавления (0,117 кДж/моль) и парообразования (0,903 кДж/моль) говорят о том, что межмолекулярные связи в водороде очень слабые. Плотность водорода r(Н2) = (2 г/моль):(22,4 л/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 практически нерастворим. При комнатной температуре водород малоактивен, но при нагревании реагирует со многими веществами. В этих реакциях атомы водорода могут как повышать, так и понижать свою степень окисления: Н2 + 2е– = 2Н–I, Н2 – 2е– = 2Н+I.
В первом случае водород является окислителем, например, в реакциях с натрием или с кальцием: 2Na + H2 = 2NaH, (t) Ca + H2 = CaH2. (t) Но более 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 и некоторые другие металлы, а вместо серной кислоты – некоторые другие разбавленные кислоты. Образующийся водород собирают в пробирку методом вытеснения воды (см. рис. 10.2 б) или просто в перевернутую колбу (рис. 10.2 а).
В промышленности в больших количествах водород получают из природного газа (в основном это метан) при взаимодействии его с парами воды при 800 °С в присутствии никелевого катализатора:
CH4
+ 2H2
O = 4H2
+CO2
(t, Ni)
или обрабатывают при высокой температуре парами воды уголь:
2H2
O + С = 2H2
+ CO2
. (t)
Чистый водород получают из воды, разлагая ее электрическим током (подвергая электролизу):
2H2
O = 2H2
+ O2
(электролиз).
д) Соединения водорода
Гидриды (бинарные соединения, содержащие водород) делятся на два основных типа: а) летучие (молекулярные) гидриды, б) солеобразные (ионные) гидриды. Элементы IVА – VIIA групп и бор образуют молекулярные гидриды. Из них устойчивы только гидриды элементов, образующих неметаллы: B2
H6
;CH4
; NH3
; H2
O; HF SiH4
;PH3
; H2
S; HCl AsH3
; H2
Se; HBr, H2
Te; HI
За исключением воды, все эти соединения при комнатной температуре – газообразные вещества, отсюда их название – "летучие гидриды" . Некоторые из элементов, образующих неметаллы, входят в состав и более сложных гидридов. Например, углерод образует соединения с общими формулами CnH2n+2, CnH2n, CnH2n–2 и другие, где n может быть очень велико (эти соединения изучает органическая химия).
К ионным гидридам относятся гидриды щелочных, щелочноземельных элементов и магния. Кристаллы этих гидридов состоят из анионов Н и катионов металла в высшей степени окисления Ме или Ме2 (в зависимости от группы системы элементов).
| LiH |
|
| NaH |
MgH2 |
| KH |
CaH2 |
| RbH |
SrH2 |
| CsH |
BaH2 |
И ионные, и почти все молекулярные гидриды (кроме Н2О и НF) являются восстановителями, но ионные гидриды проявляют восстановительные свойства значительно сильнее, чем молекулярные. Кроме гидридов, водород входит в состав гидроксидов и некоторых солей. Со свойствами этих, более сложных, соединений водорода вы познакомитесь в следующих главах.
Главными потребителями получаемого в промышленности водорода являются заводы по производству аммиака и азотных удобрений, где аммиак получают непосредственно из азота и водорода:
N2
+3H2
2NH3
(Р, t, Pt – катализатор).
В больших количествах водород используют для получения метилового спирта (метанола) по реакции
2Н2
+ СО = СН3
ОН (t, ZnO – катализатор),
а также в производстве хлороводорода, который получают непосредственно из хлора и водорода:
H2
+ Cl2
= 2HCl.
Иногда водород используют в металлургии в качестве восстановителя при получении чистых металлов, например:
Fe2
O3
+ 3H2
= 2Fe + 3H2
O.
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 энергией ионизации атомов других элементов. К какому элементу по этой характеристике водород ближе всего?
3.Проделайте то же для энергии сродства к электрону
4.Сравните направление поляризации ковалентной связи и степень окисления водорода в соединениях: а) BeH2,CH4, NH3, H2O, HF; б) CH4, SiH4,GeH4.
5.Запишите простейшую, молекулярную, структурную и пространственную формулу водорода. Какая из них чаще всего используется?
6.Часто говорят: " Водород легче воздуха". Что под 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 парообразования водорода, определите значения соответствующих удельных величин. 9.Для каждой из четырех реакций, иллюстрирующих основные химические свойства водорода , составьте электронный баланс. Отметьте окислители и восстановители. 10.Определите массу цинка, необходимого для получения 4,48 л водорода лабораторным способом.
11.Определите массу и объем водорода, который можно получить из 30 м3 смеси метана и паров воды, взятых в объемном отношении 1:2, при выходе 80 %.
12.Составьте уравнения реакций, протекающихпри взаимодействии водорода а) со фтором, б) с серой.
13.Приведенные ниже схемы реакций иллюстрируют основные химические 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 уравнения соответствующих реакций в случае, если М – натрий. Проиллюстрируйте уравнениями реакций химические свойства гидрида кальция.
14.Используя метод электронного баланса, составьте уравнения следующих реакций, иллюстрирующих восстановительные свойства некоторых молекулярных гидридов: а) HI + Cl2 HCl + I2 (t); б) NH3 + O2 H2O + N2 (t); в) CH4 + O2 H2O + CO2 (t).