Водень. Гримучий газ. Водень – екологічно чисте паливо. Практична робота №2 « Добування водню та його горіння»

Конспект уроку з факультативного курсу "Цікава хімія" (7 клас)

Дата ________ Клас_____7____

Тема: Водень. Гримучий газ. Водень – екологічно чисте паливо. Практична робота №2 « Добування водню та його горіння» .Інструктаж з БЖД

Мета: формування компетентсностей : поглибити знання учнів про неметалічні елементи та їхні прості речовини на прикладі Гідрогену, розглянути його поширеність, колообіг та біологічну роль; сформувати вміння добувати водень в лабораторних умовах та способами його збирання; розвивати логічне мислення, вміння працювати з текстом, виступати перед аудиторією; виховувати культуру поведінки та спілкування, акуратного ставлення до лаборатоного обладнання.

Очікувані результати: учні розуміють різницю між поняттями «Гідроген» і «водень»; називають поширеність і значення Гідрогену; називають вченого, який відкрив водень; знають основні методи добування водню в лабораторії та вказують основні фізичні властивості, які є ключовими при виборі способу його збирання; розуміють економічну і екологічну цінність водню як природнього палива.

Реалізація НЛ: громадянська відповідальність, екологічна безпека і сталий розвиток, підприємливість і фінансова грамотність, здоров'я і безпека.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

Хід уроку

І. Організаційний етап

Привітання, налаштування на робочий лад

ІІ. Актуалізація опорних знань

Бесіда (спрямована на повторення будови періодичної системи, класифікацію хімічних елементів)

Орієнтовні питання:

1. Скільки груп і періодів містить короткоперіодичний варіант ПСХЕ? Довгоперіодичний?

2. Що зазначається в кожній комірці ПСХЕ?

3. Як класифікують всі хімічні елементи?

4. До яких елементів (металічних чи неметалічних) належить перший елемент ПСХЕ?

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Діти розгадують ребус(Гідроген)

1=І

ІV.Вивчення нового матеріалу

1. Положення Гідрогену в ПСХЕ( Періодична система хімічних елементів)

*Робота учнів з ПСХЕ

2. Поширеність і колообіг Гідрогену в природі. Біологічна роль Гідрогену

* Робота учнів з текстом

Поширеність у природі

а) Гідроген – основний елемент Космосу (92% усіх атомів)

Сонце складається на 75 % з Гідрогену,

Юпітер — на 80 %,

Сатурн — на 60 %.

б) На Землі Гідроген зустрічається переважно в зв'язаному стані. Входить до складу молекул води, органічних речовин. Вміст Гідрогену у земній корі і гідросфері дорівнює 1 %

У вільному стані, як водень, входить до складу природних газів.

Колообіг Гідрогену

Джерелами надходження Гідрогену в повітряну оболонку Землі є Світовий океан, кратери вулканів, деякі фотохімічні реакції в атмосфері. Через свою легкість водень з атмосфери Землі потрапляє в космічний простір. Але його кількість на Землі не зменшується, тому що ядра Гідрогену

«сонячного вітру» (Під час термоядерних процесів на Сонці з Гідрогену утворюються інші хімічні елементи та протони Н⁺, які викидаються в навколосонячний простір у вигляді так званого сонячного вітру.) досягнувши Землі, реагують з киснем атмосфери і випадають звичайним дощем.

Біологічна роль Гідрогену

Гідроген входить до складу всих живих організмів. Атоми Гідрогену беруть участь в утворенні водневого зв'язку. Саме водневий зв'язок в живих організмах сприяє:

-утворенню вторинної структури білка;

-забезпечує точне копіювання молекули ДНК;

-розчинення різних речовин у воді.

- Гідроген у складі води бере участь у переміщенні речовин у живому організмі (рух крові, лімфи), у забезпеченні організму киснем.

Робота з презентацією+розповідь вчителя:

3. Проста речовина Гідрогену. Відкриття водню(+доповідь учня)

Н₂

Виділення горючого газу при взаємодії кислот та металів спостерігали у XVI та XVII століттях на початку становлення хімії як науки, такі вчені як наприклад Парацельс чи Роберт Бойль. У своїй дисертації «О металлическом блеске» Михайло Ломоносов описав отримання водню в результаті дії кислот на залізо та інші метали, і першим (1745)) висунув гіпотезу про те, що водень являє собою флогістон. 1766року і відомий англійський фізик та хімік Генрі Кавендіш, який докладним чином вивчив властивості водню, висунув подібну ж гіпотезу. Досліджуючи як при спаленні водень давав воду, він називав його «горючим повітрям», отриманим з «металів», і вважав, як і всі флогістики, що при розчиненні в кислотах метал втрачає свій флогістон. І тому дотримання Кавендішом теорії флогістону і завадило йому зробити правильні висновки. Французький хімік Антуан Лавуазьє разом із інженером Жаном Меньє, використовуючи спеціальні газометри, у 1783 році здійснили синтез води, а згодом її аналіз, розклавши водяну пару розжареним залізом. Таким чином вони встановили, що водень входить до складу води (H₂O) та може бути отриманий із неї. Ізотопи водню було відкрито в 30-x роках XX століття й вони швидко набули великого значення в науці й техніці. Наприкінці 1931 Юрі Брекуедд і Мерфі досліджували залишок після тривалого випарювання рідкого водню і виявили в ньому важкий водень ²Н з атомною масою 2. Цей ізотоп назвали дейтерієм (Deuterium, D) від грец. — другий. Через чотири роки у воді, підданій тривалому електролізу, було виявлено ще важчий ізотоп водню ³Н, який назвали тритієм (Tritium, Т), від грец. — Третій.

4. Фізичні властивості водню(Доповідь учня)

Водень — найлегший газ, він легший за повітря в 14,5 разів. Тому, наприклад, мильні бульбашки, наповнені воднем, у повітрі здіймаються вгору. Очевидно, що чим менше маса молекул, тим вище їх швидкість при одній і тій же температурі. Як найлегші, молекули водню рухаються швидше молекул будь-якого іншого газу і тим самим швидше можуть передавати теплоту від одного тіла до іншого. Звідси випливає, що водень має найвищу теплопровідність серед газоподібних речовин. Його теплопровідність приблизно в сім разів вище теплопровідності повітря.

Молекула водню складається з двох атомів Гідрогену — Н₂. За нормальних умов, водень — це газ без кольору, запаху й смаку з густиною0,08987 г/л (н.у.), температурою кипіння −252,76 °C, теплота згорянна 120,9 Дж/кг. Водень малорозчинний у воді — 18,8 мл/л. Але він добре розчиняється у багатьох металах (Ni, Pt, Pd тощо), особливо в паладії (850 об'ємів на 1 об'єм Pd). З розчинністю водню в металах пов'язана його здатність дифундувати через них; дифузія через вуглецевий сплав (наприклад, сталь) іноді супроводжується руйнуванням сплаву внаслідок взаємодії водню з вуглецем (так звана декарбонізація). Практично не розчинний у сріблі.

Рідкий водень існує в дуже вузькому інтервалі температур від −252,76 до −259,2 °C. Це безбарвна рідина, дуже легка (густина при −253 °C — 0,0708 г/см³) й текуча (в'язкість при −253 °C — 13,8 пуаз). Критичні параметри водню дуже низькі: температура −240,2 °C і тиск 12,8 атм. Цим пояснюються труднощі при зрідженні водню.

Твердий водень має температуру плавлення −259,2 °C, густину 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — білосніжна маса. У 1935 році Уінгер і Хунтінгтон висловили припущення про те, що при тиску понад 250 тисяч атм водень може перейти в металевий стан. Отримання цієї речовини в стійкому стані відкривало дуже привабливі перспективи його застосування — адже це був би надлегкий метал, компонент легкого і енергомісткого ракетного палива. 2014 року було встановлено, що за тиску порядку 1,5-2,0 млн атм водень починає поглинати інфрачервоне випромінювання, а це означає, що електронні оболонки молекул водню поляризуються. Можливо, за вищого тиску водень перетвориться в метал.

5. Добування і збирання водню

Розповідь вчителя: Рідкий і твердий водень одержати в земних умовах дуже важко, але для інших планет це цілком звичайний його стан. Так, під атмосферою гіганта Сонячної системи — планети Юпітер є океан рідкого водню завглибшки тисячі кілометрів, а під ним — оболонка з твердого водню

Учні конспектують :

Добування водню

І. В лабораторії.

Для добування водню в лабораторії використовують апарат Кіппа. (Демонстрація)

1.Взаємодія металів (переважно Zn чи Fe) з кислотами (НСl чи Н₂SO₄)

Zn+ 2НСl → ZnCl₂ + H₂↑

2.Взаємодія лужних чи лужноземельних металів з водою.

2Na +2H₂O →2NaOH + H₂↑

3.Електроліз води.

2Н₂О → 2H₂↑ + О₂

ІІ. В промисловості. (Для ознайомлення)

У промисловості водень добувають кількома способами.

1.Конверсія (перетворення) метану з водяною парою:

t, Ni

СН₄ + 2Н₂О = СО₂ + 4Н₂

2.Конверсія вуглецю.

С + Н₂О = СО + Н₂

3.Розклад метану

СН₄ → С + 2Н₂

4.Глибоке охолодження коксового газу.

Способи збирання водню:

1. Витіснення повітря, оскільки легший за повітря (перегляд відеофільму)

2.Витіснення води, оскільки водень малорозчинний у воді (перегляд відеофільму)

Виконання практичної роботи №2 « Добування водню та його горіння». Інструктаж з БЖД. (Виходячи з матеріальної бази – використовується віртуальна лабораторія)

6. Водень – гримучий газ. Водень – екологічно чисте паливо (Доповідь учнів).

Кисень при змішуванні з воднем утворюють так званий гримучий газ - вибухонебезпечну суміш. Коли ті ж самі атоми кисню і водню об'єднуються в одну молекулу, вони утворюють воду - найважливішу, необхідну для життя речовину.

Вже сьогодні більшість автомобільних компаній представили прототипи автомобілів на паливних елементах з ТПЕ і ведуть інтенсивні розробки в даній області. А нині запущена програма з дослідної експлуатації 40 автомобілів на водневих паливних елементах в різних містах США.

У США починаючи з 2003 року виділяються кошти в розмірі 1,2 млрд. доларів за президентською програмою переходу до водневої енергетики .

Крім транспорту областю застосування паливних елементів може стати децентралізоване енергопостачання . За оцінками, у Німеччині до 2010 р. частка паливних елементів в опаленні та електропостачанні складе 10-30%. Енергоустановки на їх основі електричною потужністю 1,5 кВт і тепловою потужністю 2,9 кВт будуть використовуватися в котеджах і багатоквартирних будинках.

Паливні елементи з ТПЕ знаходять своє застосування і в більш спеціалізованих областях. Наприклад, їх використання в якості енергоустановок може зробити підводні човни безшумними і звести до мінімуму теплові викиди. У космосі паливні елементи використовують з 1960 -х р.р. Для забезпечення споживачів воднем в найближчі роки необхідно створити водневу інфра- структуру (мережа водневих заправних станцій для автомобілів на паливних елементах і т.п.). При реалізації цього завдання незамінні електролізери води з ТПЕ .

Основна перешкода для комерціалізації паливних елементів і електролізерів з ТПЕ полягає у використанні електрокаталізатори на основі платини. Використання даного металу призводить до ряду значних проблем, що обмежують застосування паливних елементів

V. Узагальнення і систематизація знань

*Вправа «Сторінка зі щоденника»

Учням пропонується відновити сторінку зі щоденника швейцарського алхіміка Парацельса, котрий жив і працював в Італії. Відкрив свого часу водень.

VІ. Підсумки уроку

VII.Домашнє завдання

Підібрати загадки про водень

Знайти цікаві факти про сірку

Підготувати доповідь «Знаходження сірки в природі»