115656 (Особенности преподавания химии на примере темы "Водород"), страница 2

Нужно иметь в виду, что оксиды активных металлов, в том числе оксиды кальция и алюминия, с водородом не реагируют. В ряду стандартных потенциалов (в ряду активности металлов) первый металл, оксид которого не восстанавливается водородом при нормальном давлении до металла, – это марганец.

Важное практическое значение имеет реакция Н2 с оксидом углерода(II), которую используют в промышленных масштабах для получения метанола:

СО + 2Н₂ = СН3ОН.

Изменяя условия проведения этой реакции, можно получить и другие вещества (например, формальдегид НСНО).

В присутствии катализатора (никеля, платины) водород реагирует с органическими соединениями, в молекулах которых между атомами углерода имеются кратные связи.

Промышленное получение водорода. Длительное время водород в нашей стране в основном получали из газа, образующегося при нагревании без доступа воздуха каменного угля – при его коксовании. В настоящее время наиболее экономичный способ производства водорода – так называемая каталитическая паровая конверсия метана. При температуре около 1000 °С в присутствии катализатора и паров воды протекает реакция

2СН₄ + О₂ = СО₂ + 2Н₂.

Водород очищают от примеси СО2, пропуская образующиеся газы под давлением через воду. Углекислый газ при этом переходит в раствор, а водород не растворяется.

Водород как побочный продукт образуется при получении щелочи и хлора электролизом водного раствора хлорида натрия:

2NaCl + 2H₂O = 2NaOH + H₂ + Cl₂ ,

а также при получении сажи из метана по реакции крекинга

СН₄ = С + 2Н₂,

при крекинге нефтепродуктов и в результате некоторых других процессов.

Лабораторные методы получения водорода. В лаборатории водород можно получить действием на цинк соляной кислотой или приблизительно 20%-м раствором серной кислоты (в этом случае водород загрязнен SO2). Удобно проводить эти реакции в аппарате Киппа. Иногда для получения водорода используют реакцию алюминия с водным раствором щелочи:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂ .

Чистый водород получают путем электролиза водных растворов или щелочи, или сульфата натрия.

Иногда встречается ошибочное утверждение о том, что «водород получают электролизом воды». Конечно, при электролизе водных растворов щелочей или сульфата натрия происходит электрохимическое разложение воды, но нужно иметь в виду, что чистая вода электрический ток не проводит, и подобное утверждение неточно. Для промышленного получения водорода электролиз водных растворов не используют из-за большого расхода при этом электроэнергии и высокой стоимости получаемого водорода (стоимость водорода, образующегося при конверсии метана, заметно ниже).

Применение водорода. Главные направления промышленного использования водорода – синтез аммиака, хлороводорода, метилового спирта, получение некоторых металлов (молибдена, вольфрама и др.), гидрирование органических соединений. Жидкий водород используют как горючее в ракетной технике и как хладагент в специальных физических приборах.

Глава 2. Методика изучения темы «Получение водорода, его физические и химические свойства»

Изучение водорода начинают с получения его. Учитель демонстрирует опыт, а учащиеся описывают свои наблюдения, отмечая «кипение» кислоты при соприкосновении с цинком. Такой факт дает возможность при обсуждении данных эксперимента обратить внимание учащихся на то, что внешние проявления различных по сущности процессов могут быть сходными. Следует побеседовать о кипении, как физическом явлении. Учащиеся должны припомнить определение кипения как перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. При кипении жидкости ее пары в виде пузырьков выходят на поверхность и смешиваются с окружающим воздухом. При охлаждении происходит конденсация паров в жидкость. Молекулы при этом не изменяются, новое вещество не образуется. Учитель может подвести учащихся к выводу о качественно иной природе наблюдаемого явления. Можно ли предположить, что наблюдаемое явление —не кипение? Нагревание не проводили, вещества лишь соприкасались друг с другом (цинк с соляной кислотой). А это — одно из условий химической реакции. Как доказать, что образовавшийся газ — новое вещество? В первую очередь следует проверить, не поддерживает ли он горение, как кислород, и не гасит ли зажженную лучинку, как углекислый газ. В результате опытов выявляется новое свойство: водород —горючий газ. Так как ни цинк, ни кислота таким свойством не обладают, значит, образующийся при их взаимодействии газ-г действительно новое вещество.

Можно обсудить с учащимися вопрос о том, из какого вещества выделяется водород. Наблюдения показывают, что пузырьки газа отрываются от поверхности металла. Г. Кавендиш, открывший водород, так и считал, что металл — источник газа. Учащимся же известно, что металлы — простые вещества. Если провести ряд опытов, показывающих, как взаимодействуют разные металлы с одной и той же кислотой и один и тот же металл с разными кислотами, то можно наблюдать во всех случаях выделение водорода. На основании этих наблюдений учащиеся сделают вывод о том, что водород входит в состав кислот. Но почему же реакция идет на поверхности металла? Вопрос заставляет еще раз обратить внимание на то, что именно поверхность металла соприкасается с кислотой и атомы металла вытесняют из неё водород. Как подтвердить правильность вывода? Учащиеся нередко предлагают изменить размер поверхности соприкосновения металла с кислотой. Они высказывают предположение, что при увеличении поверхности реакция пойдет быстрее, а при уменьшении — медленнее. Рассуждение ведется по аналогии с тем, что происходит в процессе сжигания разных видов топлива. Учитель может вновь провести опыт, одновременно опуская в одинаковые растворы кислоты, взятой в равных объемах, одинаковые навески металла, но в одном случае металл — в виде целой пластины, а в другом — несколько кусочков металла или порошок. Так можно сделать вывод о зависимости скорости реакции от количественного фактора — площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Учитель должен экспериментально доказать образование сложного вещества хлорида цинка. После того как учащиеся самостоятельно определят тип протекающей реакции и рассмотрят ее сущность с точки зрения атомно-молекулярной теории, учитель может отметить, что при этом происходят два взаимно противоположных, но связанных друг с другом процесса: разъединение водорода и хлора в молекулах НС1 и соединение хлора и цинка, в результате чего образуется хлорид цинка. Любая химическая реакция представляет собой единство двух противоположных процессов.

Обсуждая устройство и работу приборов для получения и собирания, водорода, учитель должен опираться на знания учащихся о причинно-следственной связи и обсудить вопрос о соответствий конструкции приборов их назначению.

При получении водорода и изучении его физических свойств необходимо сравнить их с физическими свойствами кислорода и сделать вывод о различии и сходстве способов собирания этих газов в сосуды.

При сравнительном изучении химических свойств водорода и кислорода необходимо обратить внимание учащихся на то, что водород и кислород вступают в химические реакции как с простыми веществами, так и со сложными. Водород проявляет свойства восстановителя, а кислород —окислителя. Водород и кислород как простые вещества обладают противоположными химическими свойствами: водород горит в воздухе, а кислород не горит, но поддерживает горение других веществ. Взаимодействуя между собой, водород и кислород образуют совершенно непохожее на них новое вещество — воду, которая не горит и не поддерживает горения.

При изучении химических свойств водорода важно показать учащимся, что одна, и та же реакция в зависимости or условий может проходить с разной скоростью и иметь разные признаки, хотя сущность будет одна и та же. Например, взаимодействие кислорода и водорода с образованием воды идет и при обычных условиях, но крайне медленно, а поэтому незаметно. Если водород поджечь, то он спокойно горит на воздухе и в кислороде, образуя воду. Смесь водорода с кислородом при поджигании или при нагревании выше 550 °С взрывается. Если в смесь водорода и кислорода внести металл — платину, смесь раскаляется, образуются пары воды, которые затем в виде капель оседают на стенках сосуда. Однако условия и признаки разные. Следует отметить каталитическую роль платины.

Знание этих факторов нужно не только для того, чтобы учащиеся обратили внимание на условия, влияющие на время прохождения реакций, но чтобы заметили возможность управления химическими превращениями, связь теории с практикой.

Взаимодействие оксида меди (II) с водородом можно рассмотреть по-разному. В одном случае можно продемонстрировать опыт, обсудить его результаты, сделать соответствующее обобщение. В другом случае можно более активно использовать знания учащихся. Поскольку они уже знакомы с физическими свойствами оксида меди (II), меди, водорода и воды, то учитель может предложить им самостоятельно предсказать признаки химической реакции между оксидом меди (II) и водородом, записать ее уравнение и определить тип реакции. Важно остановиться на роли водорода в этой реакции. Ведь учащиеся нередко подмечают лишь такую сторону реакции, как соединение, водорода с кислородом с образованием оксида (Н2О), т. е. окисление. Учитель может рассмотреть реакцию как окислительно-восстановительную, показать единство процессов окисления водорода и восстановления меди, указать на роль водорода и оксида меди (II) как восстановителя и окислителя. Это можно отметить как еще одно подтверждение единства противоположностей, характеризующего реакцию как внутренне противоречивый процесс, в котором взаимосвязаны (взаимодействуют) противоположные по своей роли вещества — окислитель и восстановитель. Нужно также заметить, что рассматриваемую реакцию относят к типу реакций замещения, но вместе с тем ее называют и окислительно-восстановительной реакцией. Так учитель подтверждает возможность рассмотрения химических превращений с разных точек зрения.

Для закрепления знаний о получения водорода в лаборатории и его физических и химических свойствах можно, кроме заданий из учебника, предложить учащимся сконструировать приборы для получения водорода из выданных деталей и обсудить достоинства и недостатки приборов или их проектов. Большую обучающую и развивающую роль играют упражнения на выполнение ряда превращений веществ: составьте уравнения реакций и укажите условия следующих превращений:

Имеет смысл объяснить учащимся, чем надо руководствоваться при подборе взаимодействующих веществ. Основной решения этого вопроса является анализ состава исходного вещества и продукта реакции, потому что продукты реакции включают в себя атомы исходных веществ.

Применение водорода. Водород в природе

Объясняя применение водорода, учитель должен показать, как связано оно со свойствами простого вещества и его соединений. При этом важно подчеркнуть ценность водорода как химического сырья и как перспективного элемента для энергетики будущего. Водород—экологически чистое топливо, так как, сгорая, он образует воду— вещество, не чуждое природе (табл. 4).

При обсуждении с учащимися вопроса о распространенности водорода на Земле и в доступном для изучения космическом пространстве учителю следует обратить внимание на то, что ввиду высокой химической активности водорода он встречается в основном в соединении с другими элементами. Так, в составе воды — самого распространенного на Земле вещества—массовая доля водорода равна 11,19%, а в земной коре его массовая доля составляет 1%.

Очень редко и в минимальных количествах газообразный водород встречается в составе вулканических в других природных газов. Надо отметить, что водород во Вселенной — это самый распространенный элемент. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, Из водорода в основном состоят газы межзвездной среды и газовые туманности.

Водород входит в состав природного газа и нефти. Например, содержится в метане СН4, который образует на 90% газ, используемый в быту. Водород — важная составная часть кислот, многие из которых содержатся в растениях и в организме животных.

Изучение вопроса о распространении водорода в природе позволяет организовать повторение понятий: химический элемент, простое вещество, сложное вещество. Кроме того, важно закрепить умения решать задачи на вычисление массовой доли элемента в сложном веществе (например, вычисление содержания водорода в воде, в метане, в аммиаке, в хлороводороде), а также массовой (или объемной) доли компонента в смеси (например, объемной доли водорода в различных смесях его с кислородом или воздухом).

Глава 3. Методические разработки по "Водород. Кислоты. Соли"

Цели урока: