115656 (Особенности преподавания химии на примере темы "Водород")

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

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 = H₂O + Pb.

А при температуре выше 350–400 °С – реакции

Fe₂O₃ + 3H2 = 2Fe + 3H₂O,

2FeCl₃ + 3H₂ = 2Fe + 6HCl.