Водород. 9 класс
план-конспект урока по химии по теме

Тема: Водород.

Цель урока: Изучение свойств водорода как химического элемента и простого вещества.

Задачи:

1. Образовательные: рассмотреть положение водорода в периодической системе химических элементов; изучить его строение атома, физические и химические свойства, нахождение в природе и применение.
2. Развивающие: продолжить развивать умение работать с текстом – выделять главное, анализировать, сравнивать, обобщать.
3. Воспитательные: уметь работать в группе, оценивать свою работу и работу группы.

Метод работы: поиск

Форма учебной деятельности: групповая работа

Ход урока:

1. Организационный момент
2. Мотивация.

Учитель: Цель нашего урока - изучить свойства водорода.

Как достичь этой цели? Изучив историю открытия, распространенность элемента, положение элемента в периодической системе, получение, свойства простого вещества и применение.

Теперь я вас разделю на группы. Каждая группа будет выполнять определенные задания. Оформлять итоги вашей работы будем в виде общей таблицы.

3. Работа в группах

Кейс №1 (группа №1):

Характеристика элемента водорода по его положению в таблице Менделеева:                                                                                                                                                                                                                                      Характеризуя водород по положению в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, следует обратить внимание на особенности строения атома водорода — самого простейшего из химических элементов.

Наиболее распространенная степень окисления водорода +1 (H2O, CH4-метан, H2S-сероводород). В соединениях с металлами водород проявляет степень окисления, равную -1 (NaH, CaH2-гидриды металлов).

Молекула водорода двухатомная, связь ковалентная неполярная.

Так же как и у щелочных металлов (Li, Na, К и др.), у Н на внешнем электронном слое один электрон, с другой стороны, так же как и элементам VII группы, водороду не хватает одного электрона до его завершения (поэтому водород расположен одновременно и в I, и в VII группе.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной. На Земле водород содержится в воде, природном газе, нефти. Водород — газ без цвета и запаха, плохо растворим в воде, в 14,5 раз легче воздуха.

История

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и М. В. Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю») — «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с ломоносовским «кислородом».

Распространённость во Вселенной

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около

92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

Вопросы к кейсу:

1. Дайте характеристику элементу водороду по следующему плану:

• положение в таблице Менделеева
• электронная формулы
• кол-во протонов, нейтронов,  электронов
• степень окисления,

2. Водород – это металл или неметалл? Объясните свой ответ.
3. Напишите схему образования связи в молекуле водорода.
4. В виде чего встречается водород во Вселенной и земной коре? Где водорода содержится больше: на Земле или в космосе?
5. Сколько % от общего числа всех атомов элементов содержится водорода во Вселенной и на Земле?

Кейс №2(группа №2).

Физические свойства 

Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Изотопы

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (радиоактивный) (T).

Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.

Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32  лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.

Природный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше.

Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.        .

Особенности обращения.                                                                              

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.

Химические свойства.

Молекулы водорода Н2  довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Н2 = 2Н − 432 кДж

1. Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н2 = СаН2

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F2 + H2 = 2HF

2. С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:

О2 + 2Н2 = 2Н2О

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

CuO + Н2 = Cu + Н2O

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N2 + 3H2→ 2NH3

3. С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

Cl2 + H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

4. С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4   

5. Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами образует гидриды:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg + H2 → MgH2

5. Взаимодействие с оксидами металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Вопросы к кейсу:

1.Заполните таблицу:

2. С какими веществами взаимодействует водород как окислитель? С какими веществами реагирует как восстановитель? Докажите уравнениями соответствующих реакций.  

3. Какие изотопы есть у водорода?

4. Почему изотопы водорода так различны по своим свойствам?

5. Почему опасен водород?

Кейс №3 (группа №3).

Получение

Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом — выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):

СН4 + 2Н2O = CO2↑ + 4Н2 −165 кДж

В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, — разложение воды электротоком.

Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.

В промышленности:

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

H2O + C ⇄ H2↑ + CO↑

3.Из природного газа:

Конверсия с водяным паром:

CH4 + H2O ⇄ CO↑ + 3H2↑ (1000 °C)

Каталитическое окисление кислородом:

2CH4 + O2 ⇄ 2CO↑ + 4H2↑

4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В  лаборатории:

1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑

2.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑

3.Гидролиз гидридов:

NaH + H2O → NaOH + H2↑

4.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑

5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода.

Применение

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.

Химическая промышленность:

При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс

Пищевая промышленность

При производстве маргарина из жидких растительных масел

Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)

Авиационная промышленность

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива.

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Вопросы к кейсу:

1. Встречается ли водород в в природе в чистом виде?
2. Из чего получают водород в промышленности? Напишите 3 уравнения реакции.
3. Как получают водород в лаборатории? Напишите не менее 3-х  уравнений реакций.
4. Сероводород в большом количестве находится в водах Черного моря. Из-за того, что он в основном находится на глубине 100 м и более, видовой состав рыб в водах этого моря не так богат, как. например, в Каспийском. Вычислите массовую долю водорода в сероводороде H2S.

      5.   Почему  водород применяется в авиационной промышленности?  

IV. Обобщение знаний в виде таблицы.

V. Закрепление изученного материала:

Тест по теме “Водород. Химический элемент и простое вещество”

1. Водород в ПС находится:

А) во 2 А группе

Б) в 7 А группе

В) в 6 А группе

Г) в 1 А группе

2.Водород проявляет степень окисления в соединениях:

А) +2 и - 2

Б) +1 и -1

В) 0 и + 1

3. Водород это газ:

А) без цвета, вкуса, запаха, тяжелее воздуха

Б) без цвета, запаха, вкуса, легче воздуха

В) без цвета, вкуса, с запахом, легче воздуха

4. Водород – как химический элемент во вселенной занимает:

А) Второе место

Б) Первое место

В) Третье место

5. Водород в химической реакции с металлами является:

А) восстановителем

Б) окислителем

6. Водород в химической реакции с галогенами является:

А) окислителем

Б) восстановителем

VI. Рефлексия. 

VII. Домашнее задание.