Введення
У шкільному курсі хімії знайомство з воднем і киснем починається на ранніх стадіях вивчення хімії. Надалі до цієї теми не повертаються, в результаті знання про водні та кисні у випускників середніх шкіл виявляються досить неповними, значно слабшими, ніж знання, наприклад, про азоті або залізі. Тим часом значення і водню, і кисню для сучасного життя дуже велике. У цій лекції зроблена спроба викласти найважливіші відомості про водні та кисні, які необхідні вчителю хімії, провідному заняття в середній школі.
Глава 1. Теоретична підтримка теми «Водень»
Загальна характеристика. Атомний номер водню 1. Можна стверджувати, що водень «утворює природну нижню межу» періодичної системи, тому що немає елементу з меншим атомним номером. Згадки про отримання пального газу при дії кислот на метали зустрічаються в роботах багатьох хіміків (скоріше навіть не хіміків, а алхіміків) XVI-XVII ст. Першим став розглядати водень як хімічний елемент француз А. Л. Лавуазьє, який у 1787 р . встановив, що при горінні на повітрі цей газ утворює воду. Тому він дав і елементу, і відповідному йому газу назва hydrogene (по-грецьки 
- Вода, а 
- Народжую). У середині XIX ст. в Росії утвердилося вимова символу елемента по-французьки («аш»), мабуть, через те, що латинське вимова літери h («ха») здалося неблагозвучним.
Як найлегший елемент водень розглядав ще Дж.Дальтон. Коли на початку XIX ст. Дальтон створював першу шкалу відносних атомних ваг елементів, то за одиницю порівняння він вибрав масу атома водню. Тривалий час становище водню в періодичній системі елементів було двоїстим - його розміщували і в 1-й, і в 7-й групах, але за останніми рекомендаціями ІЮПАК водень - елемент групи № 1.
Водень - неметал, за шкалою Полінга його електронегативність 2,1.
Водень в природі. Водень - досить поширений у природі елемент, на його частку припадає близько 1% маси земної кори (10-е місце серед всіх елементів). Цікаво, що з-за малої маси атома поширеність атомів водню серед інших атомів виявляється значною: з кожних 100 атомів земної кори 17 - атоми водню. Іноді учні вважають, що водень входить до складу атмосферного повітря, але в ньому водень присутній тільки в слідових кількостях (менше 10-4%). У вільному вигляді водню у земній корі немає, в хімічно зв'язаному стані він міститься у воді, природному газі, нафти, кам'яному вугіллі, входить до складу деяких гірських порід і мінералів. У космосі водень за поширеністю займає перше місце, на нього припадає понад 50% маси Сонця і більшості інших зірок. Переважно з водню складаються міжзоряний газ і газові туманності.
Водень - органоген, разом з вуглецем, азотом, киснем, сіркою та іншими елементами-органогенних він входить до складу тканин всіх рослин і тварин.
Атом водню. Нейтральний атом водню містить 1 електрон (електронна конфігурація збудженого атома водню 1s1). Рішення хвильового рівняння Шредінгера дозволяє знайти розрахунковим шляхом енергії переходу цього електрона з основного стану в порушені (2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s і т. д.), які збігаються зі значеннями, знайденими з спектроскопічних досліджень. Ці дані з певними наближеннями використовують при описі електронних оболонок багатоелектронних атомів (при складанні їх так званих електронних конфігурацій).
Ядро природного водню містить 1 протон (нуклід 11Н - протий), 1 протон і 1 нейтрон (21Н - дейтерій, D; назва ядра - дейтрона, d) або 1 протон і 2 нейтрони (31Н - тритій, T; назва ядра - тритон, t). Протію в природній суміші ізотопів водню - 99,985%, дейтерію - 0,015%, масовий вміст радіоактивного тритію мізерно мало. Атомна маса водню 1,00794 ± 0,00007 (коливання пов'язані з відмінностями ізотопного складу водню, що входить до складу різних об'єктів).
Радіус нейтрального атома водню 0,046 нм - найменший серед радіусів нейтральних атомів хімічних елементів. У з'єднаннях водень найчастіше виявляє ступінь окислення +1, рідко -1 (в гідридах металів).
Молекула водню Н2 двохатомних. При утворенні 1 моль Н2 з 2 моль атомів Н виділяється 436 кДж. У молекулі атоми зв'язані однією електронною парою, що зазвичай передають схемою Н-Н або Н: Н. У рамках методу молекулярних орбіталей міцність молекули Н2 пояснюється тим, що в ній електронна пара займає зв'язує
-Орбіталь (рис. 1).
Рис. 1. Схема заповнення електронами молекулярних орбіталей у молекулі Н2
Фізичні властивості. Водень - газ без смаку, кольору і запаху. Можна відзначити, що отримується лабораторними способами водень має неприємний запах. Тривалий час вважали, що це запах самого водню. Але яке ж було здивування вчених, коли в другій половині XIX ст. вони встановили, що ретельно очищений водень запаху не має, а неприємний запах викликаний домішками сірководню, фосфіну та інших газів!
Водень - найлегший газ, при нормальних умовах його щільність дорівнює 0,0899 кг/м3. Якщо куля об'ємом 22,4 м3 наповнити воднем, то в повітрі він може підняти вантаж масою 29 - 2 = 27 кг
(29 - ефективна маса в кілограмах 1 кмоль повітря). У першій половині XX ст. почалося будівництво літальних апаратів великої вантажопідйомності - дирижаблі, які наповнювали воднем. Однак водень - вибухонебезпечний газ, і в 1930-і рр.. з дирижаблями сталося кілька великих аварій. Після цього будівництво дирижаблів з воднем в усьому світі на багато років припинилося.
У воді водень розчинний погано (0,02% за об'ємом). Ще гірше він розчинний в органічних розчинниках. А от у деяких металах водень розчинний дуже добре. Так, в 1 обсязі паладію розчиняється до 850 об'ємів водню. Але паладій доріг, і як акумулятор водню для практичних цілей (наприклад, для двигуна, що працює на екологічно чистому водневому паливі) його використовувати невигідно. Порівняно дешеві сплави вдалося приготувати на основі перехідних металів, які можна використовувати як акумулятори водню. Якщо ці сплави заздалегідь наситити воднем, то наступний витрати водню на роботу, наприклад, двигуна автомобіля можна регулювати обережним нагріванням сплаву.
Температура кипіння водню дорівнює -252,76 ° С, температура плавлення -259,18 ° С; нижче ці температури тільки у гелію, тому порівняно дешевий рідкий водень використовують для отримання наднизьких температур. Років 30 тому в науковій і популярній літературі широко обговорювалося питання про можливість отримання при низьких температурах і високих тисках металевого водню. У 1975 р . радянські вчені провели експеримент з твердим воднем при 4,4 К. При надвисоких тисках вони спостерігали різке підвищення електропровідності шару твердого водню. Проте навіть при невеликому зниженні тиску цей ефект зник. Отримати «металевий» водень, що зберігався при звичайних умовах, за минулі роки так і не вдалося.
У ядра атома водню є спін (аналогічно тому, як спін є у електрона, він є і у протона), тому водень Н2 існує у двох станах: орто і пари. У ортоводороде (о-Н2) орієнтація ядерних спінів однакова (паралельна), а в параводороде (п-Н2) - антипаралельних. Ці дві форми можуть перетворюватися один в одного. При звичайних та високих температурах водень (так званий нормальний водень, н-Н2) на 75% складається з о-Н2 і на 25% - з п-Н2, при низьких температурах стійкий п-Н2. При низьких температурах перетворення протікає повільно, і тому вдається отримати обидві форми окремо. Відповідальний цим формам водень розрізняється по температурах кипіння, плавлення та іншим фізичним властивостям (табл., див. с. 16).
Таблиця
Властивості модифікацій водню
Хімічні властивості. Через високу стійкості молекул Н2 хімічна активність водню при звичайних умовах мала. Хоча сам водень - неметал, він більш хімічно активний по відношенню до неметалів, ніж до металів. При кімнатній температурі водень реагує тільки з фтором (з вибухом утворюється фтороводород HF). При опроміненні УФ-світлом або при нагріванні водень реагує з хлором (утворюється хлороводень HCl). З менш активними галогенами - бромом і йодом - водень реагує при нагріванні.
При підпалюванні або при внесенні каталізатора (платина, паладій) водень з вибухом реагує з киснем (як з чистим, так і з перебувають в суміші з азотом в повітрі). У навчальній літературі часто вживають термін «гримучий газ», маючи на увазі при цьому суміш водню і кисню, що знаходяться в об'ємному відношенні 2:1 (що відповідає стехіометрії практично необоротною при звичайних умовах реакції 2Н2 + О2 = 2Н2О). Це може створити неправильне уявлення про те, що за інших об'ємних співвідношеннях суміші водню і кисню не вибухають. Між тим суміші цих газів вибухають в широкому інтервалі об'ємних співвідношень. Тому, наприклад, навіть невеликий витік в приміщенні водню з балона, в якому він зберігається, може призвести до найсильнішого вибуху. У зв'язку з цим зберігати балони з воднем в приміщенні не можна (для їх зберігання використовують вуличні металеві шафи).
Якщо отримується в лабораторії водень передбачається далі використовувати для реакції, що протікає при нагріванні, то перед включенням нагріву слід обов'язково перевірити водень на чистоту. Перевірку здійснюють по звуку горіння водню, зібраного в перевернутій догори дном невеликий пробірці і піднесеної (без перекидання) до полум'я сірника, спиртівки або газового пальника. Якщо в пробірку надходить водень, що містить домішка кисню, то звук при горінні «гавкаючий», тому що реакція миттєво охоплює весь обсяг газу в пробірці. Якщо ж водень чистий, то він згорає поступово, і звук горіння глухий.
Відзначимо, що практично всі реакції водню з іншими газоподібними речовинами мають ланцюговий характер, і тому запису для швидкостей цих реакцій типу
= K [H2] 2 • [O2]
невірні. Сказане, ймовірно, справедливо і для реакції Н2 з парами йоду, яку досі розглядають як просту бімолекулярний.
З сірої водень при нагріванні вище 150-180 ° С вступає в оборотну реакцію з утворенням сірководню H2S. У шкільному курсі докладно розглянуті умови протікання реакції водню й азоту, тому тут вони не обговорюються.
З вугіллям водень реагує при температурі близько 1000 ° С і підвищеному тиску. Утворюється суміш вуглеводнів, включаючи вуглеводні, рідкі при звичайних умовах. Таким шляхом вдається отримати синтетичний бензин. Можливо, після того, як запаси нафти на Землі закінчаться, за допомогою такого бензину тимчасово вдасться вирішити проблему рідкого вуглеводневого палива. З такими неметалами, як фосфор, кремній і бор, водень безпосередньо не реагує, відповідні сполуки (зокрема, фосфін PH3, силан SiH4 і боран B2H6) отримують непрямими шляхами.
При нагріванні водень реагує з активними металами (лужними, лужно-земельними і магнієм) з утворенням відповідних гідридів. Отримано, наприклад, гідриди натрію NaH, магнію MgH2 і кальцію CaH2. Важливе значення як компонент твердого ракетного палива має гідрид алюмінію AlH3, але його не можна отримати прямим взаємодією алюмінію і водню. До його освіті призводять багатостадійні процеси, умови ефективного здійснення яких часто становлять державну таємницю.
При нагріванні водень реагує з оксидами і хлоридами багатьох металів середньої і низької активності, при цьому утворюються вільні метали (відбувається їх відновлення). Наприклад, при температурі близько 200 ° С перебігає реакція
PbO + H 2 = H 2 O + Pb.
А при температурі вище 350-400 ° С - реакції
Fe 2 O 3 + 3H2 = 2Fe + 3H 2 O,
2FeCl 3 + 3H 2 = 2Fe + 6HCl.
Потрібно мати на увазі, що оксиди активних металів, у тому числі оксиди кальцію та алюмінію, з воднем не реагують. У ряду стандартних потенціалів (у ряду активності металів) перший метал, оксид якого не відновлюється воднем при нормальному тиску до металу, - це марганець.
Важливе практичне значення має реакція Н2 з оксидом вуглецю (II), яку використовують у промислових масштабах для отримання метанолу:
СО + 2Н 2 = СН3ОН.
Змінюючи умови проведення цієї реакції, можна отримати і інші речовини (наприклад, формальдегід НСНО).
У присутності каталізатора (нікелю, платини) водень реагує з органічними сполуками, в молекулах яких між атомами вуглецю є кратні зв'язки.
Промислове одержання водню. Тривалий час водень в нашій країні в основному отримували з газу, що утворюється при нагріванні без доступу повітря кам'яного вугілля - при його коксуванні. В даний час найбільш економічний спосіб виробництва водню - так звана каталітична парова конверсія метану. При температурі близько 1000 ° С в присутності каталізатора і парів води протікає реакція
2СН 4 + О 2 = СО 2 + 2Н 2.
Водень очищають від домішки СО2, пропускаючи утворюються гази під тиском через воду. Вуглекислий газ при цьому переходить у розчин, а водень не розчиняється.
Водень як побічний продукт утворюється при отриманні лугу і хлору електролізом водного розчину хлориду натрію:
2NaCl + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
+ Cl 2 ,
а також при отриманні сажі з метану з реакції крекінгу
СН 4 = С + 2Н 2,
при крекінгу нафтопродуктів і в результаті деяких інших процесів.
Лабораторні методи отримання водню. У лабораторії водень можна одержати дією на цинк соляною кислотою або приблизно 20%-м розчином сірчаної кислоти (у цьому випадку водень забруднений SO2). Зручно проводити ці реакції в апараті Киппа. Іноді для отримання водню використовують реакцію алюмінію з водним розчином лугу:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na [Al (OH) 4] + 3H 2 .
Чистий водень отримують шляхом електролізу водних розчинів або лугу, або сульфату натрію.
Іноді зустрічається помилкове твердження про те, що «водень отримують електролізом води». Звичайно, при електролізі водних розчинів лугів або сульфату натрію відбувається електрохімічне розкладання води, але потрібно мати на увазі, що чиста вода електричний струм не проводить, і подібне твердження неточно. Для промислового отримання водню електролізом водних розчинів не використовують з-за великої витрати при цьому електроенергії і високої вартості одержуваного водню (вартість водню, що утворюється при конверсії метану, помітно нижче).
Застосування водню. Головні напрями промислового використання водню - синтез аміаку, хлороводню, метилового спирту, отримання деяких металів (молібдену, вольфраму і ін), гідрування органічних сполук. Рідкий водень використовують як пальне в ракетній техніці і як холодоагент у спеціальних фізичних приладах.
Глава 2. Методика вивчення теми «Отримання водню, його фізичні та хімічні властивості»
Вивчення водню починають з отримання його. Учитель демонструє досвід, а учні описують свої спостереження, відзначаючи «кипіння» кислоти при зіткненні з цинком. Такий факт дає можливість під час обговорення даних експерименту звернути увагу учнів на те, що зовнішні прояви різних за сутністю процесів можуть бути подібними. Слід поговорити про кипінні, як фізичне явище. Учні повинні пригадати визначення кипіння як переходу речовини з рідкого стану в газоподібний. При кипінні рідини її пари у вигляді бульбашок виходять на поверхню і змішуються з навколишнім повітрям. При охолодженні відбувається конденсація пари в рідину. Молекули при цьому не змінюються, нова речовина не утворюється. Учитель може підвести учнів до висновку про якісно інший природі спостережуваного явища. Чи можна припустити, що спостережуване явище-не кипіння? Нагрівання не проводили, речовини лише стикалися один з одним (цинк з соляною кислотою). А це - одна з умов хімічної реакції. Як довести, що утворився газ - нова речовина? В першу чергу слід перевірити, чи не підтримує він горіння, як кисень, і не гасить чи запалену лучинку, як вуглекислий газ. У результаті дослідів виявляється нову властивість: водень-горючий газ. Так як ні цинк, ні кислота такою властивістю не володіють, значить, що утворюється при їх взаємодії газ-р дійсно нова речовина.
У шкільному курсі хімії знайомство з воднем і киснем починається на ранніх стадіях вивчення хімії. Надалі до цієї теми не повертаються, в результаті знання про водні та кисні у випускників середніх шкіл виявляються досить неповними, значно слабшими, ніж знання, наприклад, про азоті або залізі. Тим часом значення і водню, і кисню для сучасного життя дуже велике. У цій лекції зроблена спроба викласти найважливіші відомості про водні та кисні, які необхідні вчителю хімії, провідному заняття в середній школі.
Глава 1. Теоретична підтримка теми «Водень»
Загальна характеристика. Атомний номер водню 1. Можна стверджувати, що водень «утворює природну нижню межу» періодичної системи, тому що немає елементу з меншим атомним номером. Згадки про отримання пального газу при дії кислот на метали зустрічаються в роботах багатьох хіміків (скоріше навіть не хіміків, а алхіміків) XVI-XVII ст. Першим став розглядати водень як хімічний елемент француз А. Л. Лавуазьє, який у
Як найлегший елемент водень розглядав ще Дж.Дальтон. Коли на початку XIX ст. Дальтон створював першу шкалу відносних атомних ваг елементів, то за одиницю порівняння він вибрав масу атома водню. Тривалий час становище водню в періодичній системі елементів було двоїстим - його розміщували і в 1-й, і в 7-й групах, але за останніми рекомендаціями ІЮПАК водень - елемент групи № 1.
Водень - неметал, за шкалою Полінга його електронегативність 2,1.
Водень в природі. Водень - досить поширений у природі елемент, на його частку припадає близько 1% маси земної кори (10-е місце серед всіх елементів). Цікаво, що з-за малої маси атома поширеність атомів водню серед інших атомів виявляється значною: з кожних 100 атомів земної кори 17 - атоми водню. Іноді учні вважають, що водень входить до складу атмосферного повітря, але в ньому водень присутній тільки в слідових кількостях (менше 10-4%). У вільному вигляді водню у земній корі немає, в хімічно зв'язаному стані він міститься у воді, природному газі, нафти, кам'яному вугіллі, входить до складу деяких гірських порід і мінералів. У космосі водень за поширеністю займає перше місце, на нього припадає понад 50% маси Сонця і більшості інших зірок. Переважно з водню складаються міжзоряний газ і газові туманності.
Водень - органоген, разом з вуглецем, азотом, киснем, сіркою та іншими елементами-органогенних він входить до складу тканин всіх рослин і тварин.
Атом водню. Нейтральний атом водню містить 1 електрон (електронна конфігурація збудженого атома водню 1s1). Рішення хвильового рівняння Шредінгера дозволяє знайти розрахунковим шляхом енергії переходу цього електрона з основного стану в порушені (2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s і т. д.), які збігаються зі значеннями, знайденими з спектроскопічних досліджень. Ці дані з певними наближеннями використовують при описі електронних оболонок багатоелектронних атомів (при складанні їх так званих електронних конфігурацій).
Ядро природного водню містить 1 протон (нуклід 11Н - протий), 1 протон і 1 нейтрон (21Н - дейтерій, D; назва ядра - дейтрона, d) або 1 протон і 2 нейтрони (31Н - тритій, T; назва ядра - тритон, t). Протію в природній суміші ізотопів водню - 99,985%, дейтерію - 0,015%, масовий вміст радіоактивного тритію мізерно мало. Атомна маса водню 1,00794 ± 0,00007 (коливання пов'язані з відмінностями ізотопного складу водню, що входить до складу різних об'єктів).
Радіус нейтрального атома водню 0,046 нм - найменший серед радіусів нейтральних атомів хімічних елементів. У з'єднаннях водень найчастіше виявляє ступінь окислення +1, рідко -1 (в гідридах металів).
Молекула водню Н2 двохатомних. При утворенні 1 моль Н2 з 2 моль атомів Н виділяється 436 кДж. У молекулі атоми зв'язані однією електронною парою, що зазвичай передають схемою Н-Н або Н: Н. У рамках методу молекулярних орбіталей міцність молекули Н2 пояснюється тим, що в ній електронна пара займає зв'язує
Рис. 1. Схема заповнення електронами молекулярних орбіталей у молекулі Н2
Фізичні властивості. Водень - газ без смаку, кольору і запаху. Можна відзначити, що отримується лабораторними способами водень має неприємний запах. Тривалий час вважали, що це запах самого водню. Але яке ж було здивування вчених, коли в другій половині XIX ст. вони встановили, що ретельно очищений водень запаху не має, а неприємний запах викликаний домішками сірководню, фосфіну та інших газів!
Водень - найлегший газ, при нормальних умовах його щільність дорівнює 0,0899 кг/м3. Якщо куля об'ємом
(29 - ефективна маса в кілограмах 1 кмоль повітря). У першій половині XX ст. почалося будівництво літальних апаратів великої вантажопідйомності - дирижаблі, які наповнювали воднем. Однак водень - вибухонебезпечний газ, і в 1930-і рр.. з дирижаблями сталося кілька великих аварій. Після цього будівництво дирижаблів з воднем в усьому світі на багато років припинилося.
У воді водень розчинний погано (0,02% за об'ємом). Ще гірше він розчинний в органічних розчинниках. А от у деяких металах водень розчинний дуже добре. Так, в 1 обсязі паладію розчиняється до 850 об'ємів водню. Але паладій доріг, і як акумулятор водню для практичних цілей (наприклад, для двигуна, що працює на екологічно чистому водневому паливі) його використовувати невигідно. Порівняно дешеві сплави вдалося приготувати на основі перехідних металів, які можна використовувати як акумулятори водню. Якщо ці сплави заздалегідь наситити воднем, то наступний витрати водню на роботу, наприклад, двигуна автомобіля можна регулювати обережним нагріванням сплаву.
Температура кипіння водню дорівнює -252,76 ° С, температура плавлення -259,18 ° С; нижче ці температури тільки у гелію, тому порівняно дешевий рідкий водень використовують для отримання наднизьких температур. Років 30 тому в науковій і популярній літературі широко обговорювалося питання про можливість отримання при низьких температурах і високих тисках металевого водню. У
У ядра атома водню є спін (аналогічно тому, як спін є у електрона, він є і у протона), тому водень Н2 існує у двох станах: орто і пари. У ортоводороде (о-Н2) орієнтація ядерних спінів однакова (паралельна), а в параводороде (п-Н2) - антипаралельних. Ці дві форми можуть перетворюватися один в одного. При звичайних та високих температурах водень (так званий нормальний водень, н-Н2) на 75% складається з о-Н2 і на 25% - з п-Н2, при низьких температурах стійкий п-Н2. При низьких температурах перетворення протікає повільно, і тому вдається отримати обидві форми окремо. Відповідальний цим формам водень розрізняється по температурах кипіння, плавлення та іншим фізичним властивостям (табл., див. с. 16).
Таблиця
Властивості модифікацій водню
| Модифікація водню | Температура кипіння, ° С | Температура плавлення, ° С |
| Пара-Н2 Орто-Н2 Нормальний Н2 | -252,892 -252,702 -252,76 | -259,342 -259,102 -259,18 |
При підпалюванні або при внесенні каталізатора (платина, паладій) водень з вибухом реагує з киснем (як з чистим, так і з перебувають в суміші з азотом в повітрі). У навчальній літературі часто вживають термін «гримучий газ», маючи на увазі при цьому суміш водню і кисню, що знаходяться в об'ємному відношенні 2:1 (що відповідає стехіометрії практично необоротною при звичайних умовах реакції 2Н2 + О2 = 2Н2О). Це може створити неправильне уявлення про те, що за інших об'ємних співвідношеннях суміші водню і кисню не вибухають. Між тим суміші цих газів вибухають в широкому інтервалі об'ємних співвідношень. Тому, наприклад, навіть невеликий витік в приміщенні водню з балона, в якому він зберігається, може призвести до найсильнішого вибуху. У зв'язку з цим зберігати балони з воднем в приміщенні не можна (для їх зберігання використовують вуличні металеві шафи).
Якщо отримується в лабораторії водень передбачається далі використовувати для реакції, що протікає при нагріванні, то перед включенням нагріву слід обов'язково перевірити водень на чистоту. Перевірку здійснюють по звуку горіння водню, зібраного в перевернутій догори дном невеликий пробірці і піднесеної (без перекидання) до полум'я сірника, спиртівки або газового пальника. Якщо в пробірку надходить водень, що містить домішка кисню, то звук при горінні «гавкаючий», тому що реакція миттєво охоплює весь обсяг газу в пробірці. Якщо ж водень чистий, то він згорає поступово, і звук горіння глухий.
Відзначимо, що практично всі реакції водню з іншими газоподібними речовинами мають ланцюговий характер, і тому запису для швидкостей цих реакцій типу
невірні. Сказане, ймовірно, справедливо і для реакції Н2 з парами йоду, яку досі розглядають як просту бімолекулярний.
З сірої водень при нагріванні вище 150-180 ° С вступає в оборотну реакцію з утворенням сірководню H2S. У шкільному курсі докладно розглянуті умови протікання реакції водню й азоту, тому тут вони не обговорюються.
З вугіллям водень реагує при температурі близько 1000 ° С і підвищеному тиску. Утворюється суміш вуглеводнів, включаючи вуглеводні, рідкі при звичайних умовах. Таким шляхом вдається отримати синтетичний бензин. Можливо, після того, як запаси нафти на Землі закінчаться, за допомогою такого бензину тимчасово вдасться вирішити проблему рідкого вуглеводневого палива. З такими неметалами, як фосфор, кремній і бор, водень безпосередньо не реагує, відповідні сполуки (зокрема, фосфін PH3, силан SiH4 і боран B2H6) отримують непрямими шляхами.
При нагріванні водень реагує з активними металами (лужними, лужно-земельними і магнієм) з утворенням відповідних гідридів. Отримано, наприклад, гідриди натрію NaH, магнію MgH2 і кальцію CaH2. Важливе значення як компонент твердого ракетного палива має гідрид алюмінію AlH3, але його не можна отримати прямим взаємодією алюмінію і водню. До його освіті призводять багатостадійні процеси, умови ефективного здійснення яких часто становлять державну таємницю.
При нагріванні водень реагує з оксидами і хлоридами багатьох металів середньої і низької активності, при цьому утворюються вільні метали (відбувається їх відновлення). Наприклад, при температурі близько 200 ° С перебігає реакція
PbO + H 2 = H 2 O + Pb.
А при температурі вище 350-400 ° С - реакції
Fe 2 O 3 + 3H2 = 2Fe + 3H 2 O,
2FeCl 3 + 3H 2 = 2Fe + 6HCl.
Потрібно мати на увазі, що оксиди активних металів, у тому числі оксиди кальцію та алюмінію, з воднем не реагують. У ряду стандартних потенціалів (у ряду активності металів) перший метал, оксид якого не відновлюється воднем при нормальному тиску до металу, - це марганець.
Важливе практичне значення має реакція Н2 з оксидом вуглецю (II), яку використовують у промислових масштабах для отримання метанолу:
СО + 2Н 2 = СН3ОН.
Змінюючи умови проведення цієї реакції, можна отримати і інші речовини (наприклад, формальдегід НСНО).
У присутності каталізатора (нікелю, платини) водень реагує з органічними сполуками, в молекулах яких між атомами вуглецю є кратні зв'язки.
Промислове одержання водню. Тривалий час водень в нашій країні в основному отримували з газу, що утворюється при нагріванні без доступу повітря кам'яного вугілля - при його коксуванні. В даний час найбільш економічний спосіб виробництва водню - так звана каталітична парова конверсія метану. При температурі близько 1000 ° С в присутності каталізатора і парів води протікає реакція
2СН 4 + О 2 = СО 2 + 2Н 2.
Водень очищають від домішки СО2, пропускаючи утворюються гази під тиском через воду. Вуглекислий газ при цьому переходить у розчин, а водень не розчиняється.
Водень як побічний продукт утворюється при отриманні лугу і хлору електролізом водного розчину хлориду натрію:
2NaCl + 2H 2 O = 2NaOH + H 2
а також при отриманні сажі з метану з реакції крекінгу
СН 4 = С + 2Н 2,
при крекінгу нафтопродуктів і в результаті деяких інших процесів.
Лабораторні методи отримання водню. У лабораторії водень можна одержати дією на цинк соляною кислотою або приблизно 20%-м розчином сірчаної кислоти (у цьому випадку водень забруднений SO2). Зручно проводити ці реакції в апараті Киппа. Іноді для отримання водню використовують реакцію алюмінію з водним розчином лугу:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na [Al (OH) 4] + 3H 2
Чистий водень отримують шляхом електролізу водних розчинів або лугу, або сульфату натрію.
Іноді зустрічається помилкове твердження про те, що «водень отримують електролізом води». Звичайно, при електролізі водних розчинів лугів або сульфату натрію відбувається електрохімічне розкладання води, але потрібно мати на увазі, що чиста вода електричний струм не проводить, і подібне твердження неточно. Для промислового отримання водню електролізом водних розчинів не використовують з-за великої витрати при цьому електроенергії і високої вартості одержуваного водню (вартість водню, що утворюється при конверсії метану, помітно нижче).
Застосування водню. Головні напрями промислового використання водню - синтез аміаку, хлороводню, метилового спирту, отримання деяких металів (молібдену, вольфраму і ін), гідрування органічних сполук. Рідкий водень використовують як пальне в ракетній техніці і як холодоагент у спеціальних фізичних приладах.
Глава 2. Методика вивчення теми «Отримання водню, його фізичні та хімічні властивості»
Вивчення водню починають з отримання його. Учитель демонструє досвід, а учні описують свої спостереження, відзначаючи «кипіння» кислоти при зіткненні з цинком. Такий факт дає можливість під час обговорення даних експерименту звернути увагу учнів на те, що зовнішні прояви різних за сутністю процесів можуть бути подібними. Слід поговорити про кипінні, як фізичне явище. Учні повинні пригадати визначення кипіння як переходу речовини з рідкого стану в газоподібний. При кипінні рідини її пари у вигляді бульбашок виходять на поверхню і змішуються з навколишнім повітрям. При охолодженні відбувається конденсація пари в рідину. Молекули при цьому не змінюються, нова речовина не утворюється. Учитель може підвести учнів до висновку про якісно інший природі спостережуваного явища. Чи можна припустити, що спостережуване явище-не кипіння? Нагрівання не проводили, речовини лише стикалися один з одним (цинк з соляною кислотою). А це - одна з умов хімічної реакції. Як довести, що утворився газ - нова речовина? В першу чергу слід перевірити, чи не підтримує він горіння, як кисень, і не гасить чи запалену лучинку, як вуглекислий газ. У результаті дослідів виявляється нову властивість: водень-горючий газ. Так як ні цинк, ні кислота такою властивістю не володіють, значить, що утворюється при їх взаємодії газ-р дійсно нова речовина.
Можна обговорити з учнями питання про те, з якої речовини виділяється водень. Спостереження показують, що бульбашки газу відриваються від поверхні металу. Г. Кавендіш, який відкрив водень, так і вважав, що метал - джерело газу. Учням ж відомо, що метали - прості речовини. Якщо провести ряд дослідів, які показують, як взаємодіють різні метали з однієї і тієї ж кислотою і один і той же метал з різними кислотами, то можна спостерігати в усіх випадках виділення водню. На підставі цих спостережень учні зроблять висновок про те, що водень входить до складу кислот. Але чому ж реакція йде на поверхні металу? Питання змушує ще раз звернути увагу на те, що саме поверхню металу стикається з кислотою і атоми металу витісняють з неї водень. Як підтвердити правильність висновку? Учні нерідко пропонують змінити розмір поверхні зіткнення металу з кислотою. Вони висловлюють припущення, що при збільшенні поверхні реакція піде швидше, а при зменшенні - повільніше. Міркування ведеться за аналогією з тим, що відбувається в процесі спалювання різних видів палива. Учитель може знову провести досвід, одночасно опускаючи в однакові розчини кислоти, взятої в рівних обсягах, однакові наважки металу, але в одному випадку метал - у вигляді цілої пластини, а в іншому - декілька шматочків металу або порошок. Так можна зробити висновок про залежність швидкості реакції від кількісного фактора - площі поверхні зіткнення реагуючих речовин.
Учитель повинен експериментально довести освіта складної речовини хлориду цинку. Після того як учні самостійно визначать тип протікає реакції і розглянуть її сутність з точки зору атомно-молекулярної теорії, вчитель може відзначити, що при цьому відбуваються два взаємно протилежних, але пов'язаних один з одним процесу: роз'єднання водню і хлору в молекулах НС1 і з'єднання хлору і цинку, в результаті чого утворюється хлорид цинку. Будь-яка хімічна реакція являє собою єдність двох протилежних процесів.
Обговорюючи пристрій і роботу приладів для отримання та збирання, водню, вчитель повинен спиратися на знання учнів про причинно-наслідкового зв'язку та обговорити питання про відповідностей конструкції приладів їх призначенням.
При отриманні водню та вивченні його фізичних властивостей необхідно порівняти їх з фізичними властивостями кисню і зробити висновок про відмінності і схожості способів збирання цих газів в судини.
При порівняльному вивченні хімічних властивостей водню і кисню необхідно звернути увагу учнів на те, що водень і кисень вступають в хімічні реакції як з простими речовинами, так і зі складними. Водень проявляє властивості відновника, а кисень-окислювача. Водень і кисень як прості речовини мають протилежними хімічними властивостями: водень горить у повітрі, а кисень не горить, але підтримує горіння інших речовин. Взаємодіючи між собою, водень і кисень утворюють абсолютно несхоже на них нова речовина - воду, яка не горить і не підтримує горіння.
При вивченні хімічних властивостей водню важливо показати учням, що одна, і та ж реакція залежно or умов може проходити з різною швидкістю і мати різні ознаки, хоча суть буде одна й та ж. Наприклад, взаємодія кисню і водню з утворенням води йде і при звичайних умовах, але вкрай повільно, а тому непомітно. Якщо водень підпалити, то він спокійно горить на повітрі і в кисні, утворюючи воду. Суміш водню з киснем при підпалюванні або при нагріванні вище 550 ° С вибухає. Якщо в суміш водню і кисню внести метал - платину, суміш розжарюється, утворюються пари води, які потім у вигляді крапель осідають на стінках посудини. Проте умови і ознаки різні. Слід зазначити каталітичну роль платини.
Знання цих факторів потрібно не тільки для того, щоб учні звернули увагу на умови, що впливають на час проходження реакцій, але щоб помітили можливість управління хімічними перетвореннями, зв'язок теорії з практикою.
Взаємодія оксиду міді (II) з воднем можна розглянути по-різному. В одному випадку можна продемонструвати досвід, обговорити його результати, зробити відповідне узагальнення. В іншому випадку можна більш активно використовувати знання учнів. Оскільки вони вже знайомі з фізичними властивостями оксиду міді (II), міді, водню і води, то вчитель може запропонувати їм самостійно передбачити ознаки хімічної реакції між оксидом міді (II) і воднем, записати її рівняння і визначити тип реакції. Важливо зупинитися на ролі водню в цій реакції. Адже учні нерідко помічають лише таку бік реакції, як з'єднання, водню з киснем з утворенням оксиду (Н2О), тобто окислення. Учитель може розглянути реакцію як окислювально-відновну, показати єдність процесів окислення водню і відновлення міді, вказати на роль водню та оксиду міді (II) як відновлення і окислювача. Це можна відзначити як ще одне підтвердження єдності протилежностей, що характеризує реакцію як внутрішньо суперечливий процес, у якому взаємопов'язані (взаємодіють) протилежні за своєю роллю речовини - окислювач і відновник. Потрібно також зауважити, що розглядається реакцію відносять до типу реакцій заміщення, але разом з тим її називають і окислювально-відновної реакцією. Так вчитель підтверджує можливість розгляду хімічних перетворень з різних точок зору.
Для закріплення знань про отримання водню в лабораторії і його фізичні і хімічні властивості можна, крім завдань з підручника, запропонувати учням сконструювати прилади для отримання водню з виданих деталей і обговорити переваги і недоліки приладів або їхніх проектів. Велику навчальну і розвиваючу роль відіграють вправи на виконання низки перетворень речовин: складіть рівняння реакцій і вкажіть умови наступних перетворень:
Має сенс пояснити учням, ніж треба керуватися при підборі взаємодіючих речовин. Основний вирішення цього питання є аналіз складу вихідної речовини і продукту реакції, тому що продукти реакції включають в себе атоми вихідних речовин.
Застосування водню. Водень в природі
Пояснюючи застосування водню, вчитель повинен показати, як пов'язане воно з властивостями простого речовини і його сполук. При цьому важливо підкреслити цінність водню як хімічної сировини і як перспективного елемента для енергетики майбутнього. Водень-екологічно чисте паливо, оскільки, згораючи, він утворює воду-речовина, не чуже природі (табл. 4).
Під час обговорення з учнями питання про поширеність водню на Землі і в доступному для вивчення космічному просторі вчителю слід звернути увагу на те, що зважаючи на високу хімічної активності водню він зустрічається в основному в поєднанні з іншими елементами. Так, у складі води - найпоширенішої на Землі речовини-масова частка водню дорівнює 11,19%, а в земній корі його масова частка становить 1%.
Дуже рідко і в мінімальних кількостях газоподібний водень зустрічається у складі вулканічних в інших природних газів. Треба відзначити, що водень у Всесвіті - це найпоширеніший елемент. У вигляді плазми він становить близько половини маси Сонця і більшості зірок, З водню в основному складаються гази міжзоряного середовища і газові туманності.
Водень входить до складу природного газу та нафти. Наприклад, міститься в метані СН4, який утворює на 90% газ, який використовується в побуті. Водень - важлива складова частина кислот, багато з яких містяться в рослинах і в організмі тварин.
Вивчення питання про поширення водню в природі дозволяє організувати повторення понять: хімічний елемент, проста речовина, складна речовина. Крім того, важливо закріпити вміння розв'язувати задачі на обчислення масової частки елемента в складному речовині (наприклад, обчислення вмісту водню у воді, в метані, в аміаку, в хлороводню), а також масової (або об'ємної) частки компонента в суміші (наприклад, об'ємною частки водню в різних сумішах його з киснем або повітрям).
Глава 3. Методичні розробки по "Водень. Кислоти. Солі"
Цілі уроку:
Навчальні: створити умови для узагальнення та систематизації знань учнів по темі: «Водень. Кислоти. Солі ", продовжити формувати вміння класифікувати неорганічні речовини; закріпити основні поняття« оксиди »,« кислоти »,« солі »,« індикатор »; вміти виділяти головне.
Розвиваючі: сприяти розвитку пізнавальної та творчої активності учнів через постановку проблемних питань, при підготовці творчих домашніх завдань, а також вмінню порівнювати, аналізувати, знаходити рішення завдань у нестандартних ситуаціях.
Виховні: вчити дітей самоаналізу своєї діяльності на уроці при презентації знань про кислотах і солях у виконанні різнорівневих завдань, на етапі рефлексії і т. п., формувати інтерес до предмета через мультимедійні можливості комп'ютера; сприятиме відпрацюванню навиків самовираження в учнів на основі виконання різноманітних тематичних завдань.
Тип уроку: узагальнення та систематизація вивченого матеріалу з застосуванням ІКТ.
Місце проведення: кабінет інформатики.
Епіграф уроку:
«Для тих, хто мало знає і цього багато, а для тих, хто хоче знати багато і цього мало». (Л. Зоріна)
Засоби навчання:
Роздатковий матеріал із серії різнорівневих завдань по індивідуальній картці.
Перевірочні тести.
Комп'ютер для презентації перевірочного тесту та перевірки, презентації знань про кислотах і солях, застосування водню.
Обладнання: штатив з пробірками, кристалізатор, індикаторний папір: метилоранж, фенолфталеїн, лакмус.
Реактиви: кальцій, соляна кислота, вода.
Структура уроку
Організаційний момент. Привітання учнів.
Презентація про застосування водню (виступ учня)
Самостійна робота «Рішення завдання на визначення масової частки елемента».
Практична частина «Одержання водню» у лабораторії.
Презентація відомостей про кислотах, солях і індикаторах.
Презентація відомостей про хімічні властивості кислот.
Презентація відомостей про основні групах неорганічних сполук.
Різнорівнева перевірочна робота.
Рішення завдання по рівнянню хімічної реакції.
Підведення підсумку уроку. Виставляння оцінок, їх аргументація.
Диференційоване домашнє завдання.
Рефлексія.
ХІД УРОКУ
I. Організаційний момент «налаштований на урок»
Повідомлення теми, постановка мети уроку, звертаю увагу на епіграф (Додаток 1, слайд № 1)
II. Комп'ютерне тестування (питання ЄДІ)
III. Виступ учня із застосуванням презентації «Водень» (Додаток 1, слайди № 2 - 8)
IV. Актуалізація знань
Самостійна робота учнів у зошитах «Рішення завдання на визначення масової частки елемента» (Додаток 1, слайд № 9)
Вчитель: Як у лабораторії отримують водень?
Після відповідей учнів демонстрація досвіду (Додаток 1, слайд 10)
Учитель: Що таке кислоти? Назвати кислоти, кислотні залишки, їх валентність.
Відповіді учнів (Додаток 1, слайди № 11, 12)
Вчитель: Як розпізнати кислоту?
Відповіді учнів, демонстрація досвіду. (Додаток 1, слайд № 13)
Вчитель: Кислоти вступають у хімічну реакцію з металами і їх оксидами. Дописати рівняння хімічних реакцій, визначити тип хімічної реакції.
Самостійна робота учнів у зошитах. (Додаток 1, слайд № 14)
Вчитель: Яка речовина утворилося в результаті взаємодії металу з кислотою?
Відповіді учнів. (Додаток 1, слайд № 15)
Вибрати формули солей, потім кислот і оксидів. Дати їм назви. (Додаток 1, слайд № 16)
Вчитель: Як дають назви солей? Скласти формули солей.
Відповіді учнів. (Додаток 1, слайд № 17)
Швидкісна доріжка «Дати назви солей» (робота виконується на час)
Різнорівнева самостійна робота. Учні мають право вибору завдання (Додаток 2).
Рішення завдання по рівнянню хімічної реакції у двох варіантах (стор.78 № 10, 11 за підручником Є. Є. Минченкова, 8 клас).
V. Домашнє завдання: стор 77, № 5, 6 підручника Є. Є. Минченкова, 8 клас.
VI. Підводяться підсумки уроку, виставляються оцінки.
- Я задоволена вашою роботою, але моєї оцінки недостатньо, дайте відповідь будь ласка на наступні питання: (Додаток 1, слайд № 18)
- Спасибі за увагу. (Додаток 1, слайд № 19)
г) Водень (речовина)
За звичайних умов водень - газ без кольору і запаху. У невеликих кількостях він нетоксичний. Твердий водень плавиться при 14 К (-259 ° С), а рідкий водень кипить при 20 К (-253 ° С). Низькі температури плавлення і кипіння, дуже маленький температурний інтервал існування рідкого водню (всього 6 ° С), а також невеликі значення молярних теплот плавлення (0,117 кДж / моль) і пароутворення (0,903 кДж / моль) говорять про те, що міжмолекулярні зв'язки у водні дуже слабкі. Щільність водню r (Н2) = (2 г / моль): (22,4 л / моль) = 0,0893 г / л. Для порівняння: середня щільність повітря дорівнює 1,29 г / л. Тобто водень в 14,5 рази "легше" повітря. У воді він практично не розчиняється. При кімнатній температурі водень малоактивний, але при нагріванні реагує з багатьма речовинами. У цих реакціях атоми водню можуть як підвищувати, так і знижувати свій ступінь окислення: Н2 + 2е-= 2Н-I, Н2 - 2е-= 2Н + I.
У першому випадку водень є окислювачем, наприклад, у реакціях з натрієм або з кальцієм: 2Na + H2 = 2NaH, (t) Ca + H2 = CaH2. (T) Але більш характерні для водню відновні властивості: O2 + 2H2 = 2H2O, (t)
CuO + H2 = Cu + H2O. (T)
При нагріванні водень окислюється не тільки киснем, але і деякими іншими неметалами, наприклад, фтором, хлором, сіркою і навіть азотом. У лабораторії водень отримують в результаті реакції
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
.
Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній і деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти - деякі інші розбавлені кислоти. Утворений водень збирають у пробірку методом витіснення води (див. рис. 10.2 б) або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).
У промисловості у великих кількостях водень отримують з природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 ° С у присутності нікелевого каталізатора:
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (t, Ni)
або обробляють при високій температурі парами води вугілля:
2H 2 O + С = 2H 2 + CO 2. (T)
Чистий водень отримують з води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (Електроліз).
д) Сполуки водню
Гідриди (бінарні сполуки, що містять водень) поділяються на два основних типи: а) леткі (молекулярні) гідриди, б) солеобразние (іонні) гідриди. Елементи IVА - VIIA груп і бор утворюють молекулярні гідриди. З них стійкі лише гідриди елементів, що утворюють неметали: B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl AsH 3; H 2 Se; HBr, H 2 Te; HI
За винятком води, всі ці сполуки при кімнатній температурі - газоподібні речовини, звідси їх назва - "летючі гідриди". Деякі з елементів, що утворюють неметали, входять до складу і більш складних гідридів. Наприклад, вуглець утворює з'єднання з загальними формулами CnH2n +2, CnH2n, CnH2n-2 та інші, де n може бути дуже велике (ці сполуки вивчає органічна хімія).
До іонним гідриду відносяться гідриди лужних, лужноземельних елементів і магнію. Кристали цих гідридів складаються з аніонів Н
і катіонів металу у вищій ступені окислення Ме 
або Ме2 (В залежності від групи системи елементів).
І іонні, і майже всі молекулярні гідриди (крім Н2О і НF) є відновниками, але іонні гідриди виявляють відновні властивості значно сильніше, ніж молекулярні. Крім гідридів, водень входить до складу гідроксидів і деяких солей. З властивостями цих, більш складних, сполук водню ви познайомитеся в наступних розділах.
Головними споживачами одержуваного в промисловості водню є заводи з виробництва аміаку та азотних добрив, де аміак отримують безпосередньо з азоту і водню:
N 2 +3 H 2
2NH 3 (Р, t, Pt - каталізатор).
У великих кількостях водень використовують для отримання метилового спирту (метанолу) по реакції
2Н 2 + СО = СН 3 ОН (t, ZnO - каталізатор),
а також у виробництві хлороводню, який отримують безпосередньо з хлору та водню:
H 2 + Cl 2 = 2HCl.
Іноді водень використовують в металургії як відновника при отриманні чистих металів, наприклад:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Глава 4. Контролюючі завдання з теми «Водень»
1.Из яких частинок складаються ядра а) протію, б) дейтерію, в) тритію?
2.Сравніте енергію іонізації атома водню з енергією іонізації атомів інших елементів. До якого елементу у цій характеристиці водень найближче?
3.Проделайте той же для енергії спорідненості до електрону
4.Сравніте напрямок поляризації ковалентного зв'язку та ступінь окислення водню в сполуках: а) BeH2, CH4, NH3, H2O, HF, б) CH4, SiH4, GeH4.
5.Запішіте найпростішу, молекулярну, структурну і просторову формулу водню. Яка з них найчастіше використовується?
6.Часто кажуть: "Водень легше повітря". Що під цим мається на увазі? У яких випадках це вираз можна розуміти буквально, а в яких-ні?
7.Составьте структурні формули гідридів калію і кальцію, а також вміст аміаку, сірководню і бромоводорода.
8.Зная молярні теплоти плавлення і пароутворення водню, визначте значення відповідних питомих величин. 9.Для кожної з чотирьох реакцій, що ілюструють основні хімічні властивості водню, складіть електронний баланс. Відзначте окислювачі та відновники. 10.Определіте масу цинку, необхідного для отримання 4,48 л водню лабораторним способом.
11.Определіте масу і об'єм водню, який можна отримати з 30 м3 суміші метану і парів води, узятих в об'ємному відношенні 1:2, при виході 80%.
12.Составьте рівняння реакцій, протекающіхпрі взаємодії водню а) з фтором, б) з сіркою.
13.Пріведенние нижче схеми реакцій ілюструють основні хімічні властивості іонних гідридів: а) MH + O2
MOH (t), б) MH + Cl2 MCl + HCl (t), в) MH + H2O MOH + H2; г) MH + HCl (p) MCl + H2 Тут М - це літій, натрій, калій, рубідій або цезій. Складіть рівняння відповідних реакцій у випадку, якщо М - натрій. Проілюструйте рівняннями реакцій хімічні властивості гідриду кальцію.
14.Іспользуя метод електронного балансу, складіть рівняння наступних реакцій, що ілюструють відновні властивості деяких молекулярних гідридів: а) HI + Cl2 HCl + I2 (t), б) NH3 + O2 H2O + N2 (t), в) CH4 + O2 H2O + CO2 (t).
Учитель повинен експериментально довести освіта складної речовини хлориду цинку. Після того як учні самостійно визначать тип протікає реакції і розглянуть її сутність з точки зору атомно-молекулярної теорії, вчитель може відзначити, що при цьому відбуваються два взаємно протилежних, але пов'язаних один з одним процесу: роз'єднання водню і хлору в молекулах НС1 і з'єднання хлору і цинку, в результаті чого утворюється хлорид цинку. Будь-яка хімічна реакція являє собою єдність двох протилежних процесів.
Обговорюючи пристрій і роботу приладів для отримання та збирання, водню, вчитель повинен спиратися на знання учнів про причинно-наслідкового зв'язку та обговорити питання про відповідностей конструкції приладів їх призначенням.
При отриманні водню та вивченні його фізичних властивостей необхідно порівняти їх з фізичними властивостями кисню і зробити висновок про відмінності і схожості способів збирання цих газів в судини.
При порівняльному вивченні хімічних властивостей водню і кисню необхідно звернути увагу учнів на те, що водень і кисень вступають в хімічні реакції як з простими речовинами, так і зі складними. Водень проявляє властивості відновника, а кисень-окислювача. Водень і кисень як прості речовини мають протилежними хімічними властивостями: водень горить у повітрі, а кисень не горить, але підтримує горіння інших речовин. Взаємодіючи між собою, водень і кисень утворюють абсолютно несхоже на них нова речовина - воду, яка не горить і не підтримує горіння.
При вивченні хімічних властивостей водню важливо показати учням, що одна, і та ж реакція залежно or умов може проходити з різною швидкістю і мати різні ознаки, хоча суть буде одна й та ж. Наприклад, взаємодія кисню і водню з утворенням води йде і при звичайних умовах, але вкрай повільно, а тому непомітно. Якщо водень підпалити, то він спокійно горить на повітрі і в кисні, утворюючи воду. Суміш водню з киснем при підпалюванні або при нагріванні вище 550 ° С вибухає. Якщо в суміш водню і кисню внести метал - платину, суміш розжарюється, утворюються пари води, які потім у вигляді крапель осідають на стінках посудини. Проте умови і ознаки різні. Слід зазначити каталітичну роль платини.
Знання цих факторів потрібно не тільки для того, щоб учні звернули увагу на умови, що впливають на час проходження реакцій, але щоб помітили можливість управління хімічними перетвореннями, зв'язок теорії з практикою.
Взаємодія оксиду міді (II) з воднем можна розглянути по-різному. В одному випадку можна продемонструвати досвід, обговорити його результати, зробити відповідне узагальнення. В іншому випадку можна більш активно використовувати знання учнів. Оскільки вони вже знайомі з фізичними властивостями оксиду міді (II), міді, водню і води, то вчитель може запропонувати їм самостійно передбачити ознаки хімічної реакції між оксидом міді (II) і воднем, записати її рівняння і визначити тип реакції. Важливо зупинитися на ролі водню в цій реакції. Адже учні нерідко помічають лише таку бік реакції, як з'єднання, водню з киснем з утворенням оксиду (Н2О), тобто окислення. Учитель може розглянути реакцію як окислювально-відновну, показати єдність процесів окислення водню і відновлення міді, вказати на роль водню та оксиду міді (II) як відновлення і окислювача. Це можна відзначити як ще одне підтвердження єдності протилежностей, що характеризує реакцію як внутрішньо суперечливий процес, у якому взаємопов'язані (взаємодіють) протилежні за своєю роллю речовини - окислювач і відновник. Потрібно також зауважити, що розглядається реакцію відносять до типу реакцій заміщення, але разом з тим її називають і окислювально-відновної реакцією. Так вчитель підтверджує можливість розгляду хімічних перетворень з різних точок зору.
Для закріплення знань про отримання водню в лабораторії і його фізичні і хімічні властивості можна, крім завдань з підручника, запропонувати учням сконструювати прилади для отримання водню з виданих деталей і обговорити переваги і недоліки приладів або їхніх проектів. Велику навчальну і розвиваючу роль відіграють вправи на виконання низки перетворень речовин: складіть рівняння реакцій і вкажіть умови наступних перетворень:
Має сенс пояснити учням, ніж треба керуватися при підборі взаємодіючих речовин. Основний вирішення цього питання є аналіз складу вихідної речовини і продукту реакції, тому що продукти реакції включають в себе атоми вихідних речовин.
Застосування водню. Водень в природі
Пояснюючи застосування водню, вчитель повинен показати, як пов'язане воно з властивостями простого речовини і його сполук. При цьому важливо підкреслити цінність водню як хімічної сировини і як перспективного елемента для енергетики майбутнього. Водень-екологічно чисте паливо, оскільки, згораючи, він утворює воду-речовина, не чуже природі (табл. 4).
Під час обговорення з учнями питання про поширеність водню на Землі і в доступному для вивчення космічному просторі вчителю слід звернути увагу на те, що зважаючи на високу хімічної активності водню він зустрічається в основному в поєднанні з іншими елементами. Так, у складі води - найпоширенішої на Землі речовини-масова частка водню дорівнює 11,19%, а в земній корі його масова частка становить 1%.
Дуже рідко і в мінімальних кількостях газоподібний водень зустрічається у складі вулканічних в інших природних газів. Треба відзначити, що водень у Всесвіті - це найпоширеніший елемент. У вигляді плазми він становить близько половини маси Сонця і більшості зірок, З водню в основному складаються гази міжзоряного середовища і газові туманності.
Водень входить до складу природного газу та нафти. Наприклад, міститься в метані СН4, який утворює на 90% газ, який використовується в побуті. Водень - важлива складова частина кислот, багато з яких містяться в рослинах і в організмі тварин.
Вивчення питання про поширення водню в природі дозволяє організувати повторення понять: хімічний елемент, проста речовина, складна речовина. Крім того, важливо закріпити вміння розв'язувати задачі на обчислення масової частки елемента в складному речовині (наприклад, обчислення вмісту водню у воді, в метані, в аміаку, в хлороводню), а також масової (або об'ємної) частки компонента в суміші (наприклад, об'ємною частки водню в різних сумішах його з киснем або повітрям).
Глава 3. Методичні розробки по "Водень. Кислоти. Солі"
Цілі уроку:
Навчальні: створити умови для узагальнення та систематизації знань учнів по темі: «Водень. Кислоти. Солі ", продовжити формувати вміння класифікувати неорганічні речовини; закріпити основні поняття« оксиди »,« кислоти »,« солі »,« індикатор »; вміти виділяти головне.
Розвиваючі: сприяти розвитку пізнавальної та творчої активності учнів через постановку проблемних питань, при підготовці творчих домашніх завдань, а також вмінню порівнювати, аналізувати, знаходити рішення завдань у нестандартних ситуаціях.
Виховні: вчити дітей самоаналізу своєї діяльності на уроці при презентації знань про кислотах і солях у виконанні різнорівневих завдань, на етапі рефлексії і т. п., формувати інтерес до предмета через мультимедійні можливості комп'ютера; сприятиме відпрацюванню навиків самовираження в учнів на основі виконання різноманітних тематичних завдань.
Тип уроку: узагальнення та систематизація вивченого матеріалу з застосуванням ІКТ.
Місце проведення: кабінет інформатики.
Епіграф уроку:
«Для тих, хто мало знає і цього багато, а для тих, хто хоче знати багато і цього мало». (Л. Зоріна)
Засоби навчання:
Роздатковий матеріал із серії різнорівневих завдань по індивідуальній картці.
Перевірочні тести.
Комп'ютер для презентації перевірочного тесту та перевірки, презентації знань про кислотах і солях, застосування водню.
Обладнання: штатив з пробірками, кристалізатор, індикаторний папір: метилоранж, фенолфталеїн, лакмус.
Реактиви: кальцій, соляна кислота, вода.
Структура уроку
Організаційний момент. Привітання учнів.
Презентація про застосування водню (виступ учня)
Самостійна робота «Рішення завдання на визначення масової частки елемента».
Практична частина «Одержання водню» у лабораторії.
Презентація відомостей про кислотах, солях і індикаторах.
Презентація відомостей про хімічні властивості кислот.
Презентація відомостей про основні групах неорганічних сполук.
Різнорівнева перевірочна робота.
Рішення завдання по рівнянню хімічної реакції.
Підведення підсумку уроку. Виставляння оцінок, їх аргументація.
Диференційоване домашнє завдання.
Рефлексія.
ХІД УРОКУ
I. Організаційний момент «налаштований на урок»
Повідомлення теми, постановка мети уроку, звертаю увагу на епіграф (Додаток 1, слайд № 1)
II. Комп'ютерне тестування (питання ЄДІ)
III. Виступ учня із застосуванням презентації «Водень» (Додаток 1, слайди № 2 - 8)
IV. Актуалізація знань
Самостійна робота учнів у зошитах «Рішення завдання на визначення масової частки елемента» (Додаток 1, слайд № 9)
Вчитель: Як у лабораторії отримують водень?
Після відповідей учнів демонстрація досвіду (Додаток 1, слайд 10)
Учитель: Що таке кислоти? Назвати кислоти, кислотні залишки, їх валентність.
Відповіді учнів (Додаток 1, слайди № 11, 12)
Вчитель: Як розпізнати кислоту?
Відповіді учнів, демонстрація досвіду. (Додаток 1, слайд № 13)
Вчитель: Кислоти вступають у хімічну реакцію з металами і їх оксидами. Дописати рівняння хімічних реакцій, визначити тип хімічної реакції.
Самостійна робота учнів у зошитах. (Додаток 1, слайд № 14)
Вчитель: Яка речовина утворилося в результаті взаємодії металу з кислотою?
Відповіді учнів. (Додаток 1, слайд № 15)
Вибрати формули солей, потім кислот і оксидів. Дати їм назви. (Додаток 1, слайд № 16)
Вчитель: Як дають назви солей? Скласти формули солей.
Відповіді учнів. (Додаток 1, слайд № 17)
Швидкісна доріжка «Дати назви солей» (робота виконується на час)
Різнорівнева самостійна робота. Учні мають право вибору завдання (Додаток 2).
Рішення завдання по рівнянню хімічної реакції у двох варіантах (стор.78 № 10, 11 за підручником Є. Є. Минченкова, 8 клас).
V. Домашнє завдання: стор 77, № 5, 6 підручника Є. Є. Минченкова, 8 клас.
VI. Підводяться підсумки уроку, виставляються оцінки.
- Я задоволена вашою роботою, але моєї оцінки недостатньо, дайте відповідь будь ласка на наступні питання: (Додаток 1, слайд № 18)
- Спасибі за увагу. (Додаток 1, слайд № 19)
г) Водень (речовина)
За звичайних умов водень - газ без кольору і запаху. У невеликих кількостях він нетоксичний. Твердий водень плавиться при 14 К (-259 ° С), а рідкий водень кипить при 20 К (-253 ° С). Низькі температури плавлення і кипіння, дуже маленький температурний інтервал існування рідкого водню (всього 6 ° С), а також невеликі значення молярних теплот плавлення (0,117 кДж / моль) і пароутворення (0,903 кДж / моль) говорять про те, що міжмолекулярні зв'язки у водні дуже слабкі. Щільність водню r (Н2) = (2 г / моль): (22,4 л / моль) = 0,0893 г / л. Для порівняння: середня щільність повітря дорівнює 1,29 г / л. Тобто водень в 14,5 рази "легше" повітря. У воді він практично не розчиняється. При кімнатній температурі водень малоактивний, але при нагріванні реагує з багатьма речовинами. У цих реакціях атоми водню можуть як підвищувати, так і знижувати свій ступінь окислення: Н2 + 2е-= 2Н-I, Н2 - 2е-= 2Н + I.
У першому випадку водень є окислювачем, наприклад, у реакціях з натрієм або з кальцієм: 2Na + H2 = 2NaH, (t) Ca + H2 = CaH2. (T) Але більш характерні для водню відновні властивості: O2 + 2H2 = 2H2O, (t)
CuO + H2 = Cu + H2O. (T)
При нагріванні водень окислюється не тільки киснем, але і деякими іншими неметалами, наприклад, фтором, хлором, сіркою і навіть азотом. У лабораторії водень отримують в результаті реакції
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Замість цинку можна використовувати залізо, алюміній і деякі інші метали, а замість сірчаної кислоти - деякі інші розбавлені кислоти. Утворений водень збирають у пробірку методом витіснення води (див. рис. 10.2 б) або просто в перевернуту колбу (рис. 10.2 а).
У промисловості у великих кількостях водень отримують з природного газу (в основному це метан) при взаємодії його з парами води при 800 ° С у присутності нікелевого каталізатора:
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 (t, Ni)
або обробляють при високій температурі парами води вугілля:
2H 2 O + С = 2H 2 + CO 2. (T)
Чистий водень отримують з води, розкладаючи її електричним струмом (піддаючи електролізу):
2H 2 O = 2H 2
д) Сполуки водню
Гідриди (бінарні сполуки, що містять водень) поділяються на два основних типи: а) леткі (молекулярні) гідриди, б) солеобразние (іонні) гідриди. Елементи IVА - VIIA груп і бор утворюють молекулярні гідриди. З них стійкі лише гідриди елементів, що утворюють неметали: B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl AsH 3; H 2 Se; HBr, H 2 Te; HI
За винятком води, всі ці сполуки при кімнатній температурі - газоподібні речовини, звідси їх назва - "летючі гідриди". Деякі з елементів, що утворюють неметали, входять до складу і більш складних гідридів. Наприклад, вуглець утворює з'єднання з загальними формулами CnH2n +2, CnH2n, CnH2n-2 та інші, де n може бути дуже велике (ці сполуки вивчає органічна хімія).
До іонним гідриду відносяться гідриди лужних, лужноземельних елементів і магнію. Кристали цих гідридів складаються з аніонів Н
| LiH | |
| NaH | MgH2 |
| KH | CaH2 |
| RbH | SrH2 |
| CsH | BaH2 |
Головними споживачами одержуваного в промисловості водню є заводи з виробництва аміаку та азотних добрив, де аміак отримують безпосередньо з азоту і водню:
N 2 +3 H 2
У великих кількостях водень використовують для отримання метилового спирту (метанолу) по реакції
2Н 2 + СО = СН 3 ОН (t, ZnO - каталізатор),
а також у виробництві хлороводню, який отримують безпосередньо з хлору та водню:
H 2 + Cl 2 = 2HCl.
Іноді водень використовують в металургії як відновника при отриманні чистих металів, наприклад:
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.
Глава 4. Контролюючі завдання з теми «Водень»
1.Из яких частинок складаються ядра а) протію, б) дейтерію, в) тритію?
2.Сравніте енергію іонізації атома водню з енергією іонізації атомів інших елементів. До якого елементу у цій характеристиці водень найближче?
3.Проделайте той же для енергії спорідненості до електрону
4.Сравніте напрямок поляризації ковалентного зв'язку та ступінь окислення водню в сполуках: а) BeH2, CH4, NH3, H2O, HF, б) CH4, SiH4, GeH4.
5.Запішіте найпростішу, молекулярну, структурну і просторову формулу водню. Яка з них найчастіше використовується?
6.Часто кажуть: "Водень легше повітря". Що під цим мається на увазі? У яких випадках це вираз можна розуміти буквально, а в яких-ні?
7.Составьте структурні формули гідридів калію і кальцію, а також вміст аміаку, сірководню і бромоводорода.
8.Зная молярні теплоти плавлення і пароутворення водню, визначте значення відповідних питомих величин. 9.Для кожної з чотирьох реакцій, що ілюструють основні хімічні властивості водню, складіть електронний баланс. Відзначте окислювачі та відновники. 10.Определіте масу цинку, необхідного для отримання
11.Определіте масу і об'єм водню, який можна отримати з
12.Составьте рівняння реакцій, протекающіхпрі взаємодії водню а) з фтором, б) з сіркою.
13.Пріведенние нижче схеми реакцій ілюструють основні хімічні властивості іонних гідридів: а) MH + O2
14.Іспользуя метод електронного балансу, складіть рівняння наступних реакцій, що ілюструють відновні властивості деяких молекулярних гідридів: а) HI + Cl2