Химические свойства водорода. Применение.

Тема: «Химические свойства водорода. Применение водорода»

 Цели урока

Предметные: Изучение химические свойства водорода.

Метапредметные: Формирование представления о водороде как о восстановителе и применение его в различных сферах деятельности человека.

Личностные: Оценка морально-нравственной ответственности ученого за свои открытия. Формирование навыка работы в группах и опыт публичного выступления

Основные понятия. Гремучий газ, восстановитель, восстановление, экологически чистое топливо, водородная бомба.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Повторение предыдущей темы. Блиц ответы на вопросы

1. Химический знак –

2. Порядковый номер –

3. Относительная атомная масса Ar (Н) =

4. Химическая формула –

5. Валентность - .

6. Открытие

7. Физические свойства

8. Нахождение в природе

9. Получение

10. Как собираем

1. Мотивация постановка цели (случаи из жизни ученых) Если бы все ученые - первооткрыватели  вначале экспериментировали на свинках, так нет же - они непременно хотели попробовать все на себе. Вот и французского ученого Пилатра де Розье, заинтересовал вопрос,   а что будет, если вдохнуть водород. Не заметив никакого эффекта, ученый  решил убедиться, проник ли полученный газ в легкие. Он еще раз глубоко вдохнул водород, а потом  выдохнул его на огонь свечи. Раздался оглушительный взрыв.  «Я думал, что у меня вылетят все зубы вместе с корнями», - писал в последствии ученый, описывая опыт, который чуть было не стоил ему жизни. О каких свойствах мы сегодня будем говорить?

2. Изучение нового материала. Составление интеллект-карты. Разделение на 6 групп 3группы (химики-теоретики) Разбор химических свойств водорода (с простыми веществами Ме с не Ме и со сложными веществами). 3 группы (химики-технологи) применение водорода (водородный двигатель, водородная бомба, водород в воздухоплавании)

Поисковое задание для химиков-теоретиков

Найдите и выберите реакции для вашей группы (уравняйте их) подготовьте выступление.

Группа №1 Водород + не Ме

Группа №2 Водород + Ме

Группа №3 Водород + сложное вещество (оксид Ме)

При высокой температуре Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (образуя белые кристаллические вещества - гидриды металлов:

Н₂ + Li = LiH

H₂ + Ca = CaH₂

При взаимодействии водорода с неметаллами образуются летучие водородные соединения. В химической формуле летучего водородного соединения, атом водорода может стоять как на первом так и на втором месте, в зависимости от местонахождения в ПСХЭ

1). С кислородом Водород образует воду: 

Н₂ + О₂ = Н₂О

2)С галогенами  (Cl, F, Br,I) Водород образует галогеноводороды, например:

Н₂ + Cl₂ = НСl

3). С азотом Водород взаимодействует с образованием аммиака:

Н₂ + N₂ = NН₃

лишь на катализаторе и при повышенных температуpax и давлениях.

4). При нагревании Водород энергично реагирует с серой:

Н₂ + S = H₂S (сероводород),

значительно труднее с селеном и теллуром.

5). С чистым углеродом Водород может реагировать без катализатора только при высоких температуpax:

Н₂ + С (аморфный) = СН₄ (метан)

С фосфором на прямую не реагирует!

- Водород вступает в реакцию замещения с оксидами металлов, при этом образуются в продуктах вода и восстанавливается металл. Водород - проявляет свойства восстановителя:

Водород используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O,

Fe₃O₄ + H₂ = Fe + Н₂О

Применение водорода поисковое задание для химиков-технологов

Группа№1 Водородный двигатель. (на какой реакции основано?)

Водородный транспорт — это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, создал Франсуа Исаак де Риваз (англ.)русск. (1752—1828) в 1806 году. Водород изобретатель производил электролизом воды.

В блокадном Ленинграде бензин был в дефиците, но водород имелся в большом количестве. Военный техник Борис Шелищ предложил использовать воздушно-водородную смесь для работы заградительных аэростатов. На водород перевели двигатели внутреннего сгорания лебёдок аэростатов. Во время блокады в городе на водороде работало около 600 автомобилей

Использование водорода в качестве энергоносителя позволит как существенно сократить потребление ископаемых углеводородных топлив, так и значительно продвинуться в решении экологической проблемы загрязнения атмосферы городов вредными для здоровья человека составляющими выхлопных газов автомобилей и тепловозов^[2].

В 2009 году примерно 25 % выбросов углекислого газа в атмосферу Земли производилось в результате работы разного рода транспорта^[3]. По оценке МЭА, уже к 2050 году это число удвоится и продолжит расти по мере того, как в развивающихся странах будет увеличиваться количество личных автомобилей^[4]. Кроме углекислого газа в атмосферу выбрасываются оксиды азота, ответственные за увеличение заболеваемости астмой, оксиды серы, ответственные за кислотные дожди и т. д.

В морском транспорте зачастую используются низкокачественные дешёвые сорта топлива. Морской транспорт выбрасывает оксидов серы в 700 раз больше, чем автомобильный транспорт. По данным International Maritime Organization выбросы СО₂ морским торговым флотом достигли 1,12 млрд тонн в год^[5].

Другой причиной повышения интереса к водородному транспорту является рост цен на энергоносители (в настоящее время подавляющее их большинство — уголь, нефть и их производные), дефицит топлива, стремление различных стран обрести энергетическую независимость

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания^[6]. В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензиновым вариантом. Но если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до 117 % в сравнении с бензиновым вариантом, но тогда увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания^[7] и возрастает вероятность прогорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности^[8]. Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с конструкционными материалами двигателя и смазкой, приводя к быстрому износу^[7]. Также водород очень летуч, из-за чего при использовании обычной карбюраторной системы питания может проникать в выпускной коллектор, где также воспламеняется из-за высокой температуры^[6]. Традиционные поршневые ДВС плохо приспособлены к работе на водороде. Обычно для работы на водороде используется роторный ДВС, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного. Автомобили на водородном топливе уже производятся. Среди компаний, которые производят такие автомобили — Toyota, Honda и Hyundai. Разработкой автомобилей на водородном топливе занимаются также Daimler, Audi, BMW, Ford, Nissan и др.

В 2016 году в Германии был представлен первый водородный поезд — Coradia iLint компании Alstom, поезд начнет курсировать по маршруту Букстехуде — Куксхафен в Нижней Саксонии с декабря 2017 года. Предполагается, что в итоге они заменят 4 тыс. дизельных региональных поездов, действующих в Германии на неэлектрофицированных участках железных дорог. В Alstom сообщают, что интерес к таким поездам также выразили Нидерланды, Дания и Норвегия

Группа №2 Водород и воздухоплавание

Было время, когда небо бороздили дирижабли с водородом в качестве несущего газа. Эра дирижаблей началась точно на границе двух веков - в 1900-м, когда граф Фердинанд фон Цеппелин провел демонстрационный полет большого водородного дирижабля. По тем временам у цапелинов были фантастические характеристики. Первый самолет братьев Райт (взлетевший в том же 1900 году) едва поднимал одного пилота. А во время Первой Мировой войны, тяжелые (!) бомбардировщики несли боевую загрузку порядка 1 тонны. Этот цеппелин совершил 8 налетов на Британию, и в последнем (с 23 на 24 сентября 1916) налете на Лондон был прострелен в бою с истребителем британских ВВС. Снаряд пробил оболочку и взорвался внутри корпуса дирижабля. Это вызвало сильные разрушения, однако водород не взорвался (запомним - это важно!). дирижабль сбросил водяной балласт, и затем совершил вынужденную посадку в Эссексе. Экипаж эвакуировался, и попытался взорвать дирижабль (чтобы боевая машина не досталась противнику). Дирижабль был подожжен, но водород ОПЯТЬ НЕ ВЗОРВАЛСЯ (!). Пожар погас, а сохранившийся каркас попал в руки британских военных инженеров. По его образцу затем были построены британские дирижабли серии R33. Один из них (R-34) совершил первый трансатлантический полет - в 1919 году. Настало время трансокеанских рейсов водородных дирижаблей. Через 9 лет эти рейсы стали грузопассажирскими. Именно поэтому дирижабли оказались востребованы на Первой Мировой войне, как действительно тяжелые бомбардировщики (сопоставимые по грузоподъемности с тяжелыми бомбардировщиками Второй Мировой войны - хотя, уступавшие им в скорости примерно втрое). Всего к 1916-му только в Германии было построено 176 дирижаблей (включая цеппелины и более легкие модели дирижаблей - тоже водородных). Еще раньше, в 1926-м норвежско-итало-американская экспедиция под руководством Руаля Амундсена на дирижабле N-1 «Norge» (конструкции Умберто Нобиле) совершила трансарктический перелёт по маршруту Шпицберген — Северный Полюс — Аляска. Большие водородные дирижабли строились крупными сериями. Они были технологичны, сравнительно дешевы, экономичны в эксплуатации по топливу и по обслуживанию (поскольку, имея вертикальный взлет и посадку не требовали сложной наземной инфраструктуры), комфортабельны (поскольку могли нести широкую пассажирскую гондолу, несравнимо более просторную чем салоны современных авиалайнеров, и достаточно безопасны. Повторим это. Водородные дирижабли были достаточно безопасны. Но как же взрывоопасный несущий газ - водород? А вот как: о взрывоопасности водорода всем было известно, поэтому к водороду добавлялся замедлитель горения - пропилен. Вспомним историю цеппелина LZ-76, сбитого над Британией осенью 1916-го. Он не взорвался, хотя в него сначала попал снаряд, а затем, после вынужденной посадки на территории противника, экипаж пытался уничтожить его методом поджога. После этой важной химической информации можно перейти к загадочной катастрофе 1937-го, о которой обычно говорят, что она перечеркнула развитие водородных дирижаблей, поскольку показала их крайнюю огнеопасность. Итак: 6 мая 1937 года, завершая очередной трансатлантический рейс дирижабль , в ходе причаливания, загорелся вследствие неосторожных посадочных манипуляций (или возможно из-за диверсии). Из 97 человек на борту, погибли 35 (13 пассажиров, 22 члена экипажа), а также 1 человек на грунте. Конечно, катастрофа цеппелина "Гинденбург", ужасна. Но если сравнить ее с катастрофами авиалайнеров (появившихся на массовом рынке воздушных перевозок примерно десятилетием позже), то она выглядит не такой масштабной

Группа №3 Водородная бомба

Термоя́дерное ору́жие (водородная бомба) — тип ядерного оружия, разрушительная сила которого основана на использовании энергии реакции ядерного синтеза лёгких элементов в более тяжёлые (например, синтеза одного ядра атома гелия из двух ядер атомов водорода), при которой выделяется энергия.

Имея те же поражающие факторы, что и у ядерного оружия, термоядерное оружие имеет намного бо́льшую возможную мощность взрыва (теоретически, она ограничена только количеством имеющихся в наличии компонентов). Следует отметить, что часто упоминаемое утверждение о том, что радиоактивное заражение от термоядерного взрыва гораздо слабее, чем от атомного, касается реакций синтеза, которые используются только совместно с гораздо более «грязными» реакциями деления. 

1 ноября 1952 года США взорвали первый в мире термоядерный заряд по схеме Теллера-Улама на атолле Эниветок.

12 августа 1953 года в СССР на Семипалатинском полигоне была взорвана первая в мире водородная бомба по схеме «слойка» — советская РДС-6с.

Устройство, испытанное США в 1952 году, фактически не являлось бомбой, а представляло собой лабораторный образец, «3-этажный дом, наполненный жидким дейтерием», выполненный в виде специальной конструкции. Советские же учёные разработали именно бомбу — законченное устройство, пригодное к практическому военному применению^[2].

1 марта 1954 года во время испытаний Кастл Браво США произвели взрыв бомбы, собранной по схеме Теллера-Улама. СССР произвёл испытания бомбы РДС-37 по той же схеме 22 ноября 1955 года.

Самая крупная когда-либо взорванная водородная бомба — советская 58-мегатонная «царь-бомба», взорванная 30 октября 1961 года на полигоне архипелага Новая Земля. Никита Хрущёв впоследствии публично пошутил, что первоначально предполагалось взорвать 100-мегатонную бомбу, но заряд уменьшили, «чтобы не побить все стёкла в Москве». Конструктивно бомба действительно была рассчитана на 100 мегатонн и этой мощности можно было добиться заменой свинцового тампера на урановый^[3]. Бомба была взорвана на высоте 4000 метров над полигоном «Новая Земля». Ударная волна после взрыва три раза обогнула земной шар. Несмотря на успешное испытание, бомба на вооружение не поступила^[4]; тем не менее, создание и испытание сверхбомбы имели большое политическое значение, продемонстрировав, что СССР решил задачу достижения практически любого уровня мегатоннажа ядерного арсенала.

Андре́й Дми́триевич Са́харов (21 мая 1921, Москва — 14 декабря1989, там же) — советский физик-теоретик, академик АН СССР, один из создателей первой советской водородной бомбы. Общественный деятель, диссидент и правозащитник; народный депутат СССР, автор проекта конституции Союза Советских Республик Европы и Азии. Лауреат Нобелевской премии мира за 1975 год. В 1948 году был зачислен в специальную группу и до 1968 года работал в области разработки термоядерного оружия, участвовал в проектировании и разработке первой советской водородной бомбы по схеме, названной «слойка Сахарова». Одновременно Сахаров вместе с И. Е. Таммом в 1950—1951 годах проводил пионерские работы по управляемой термоядерной реакции. С конца 1950-х годов он активно выступал за прекращение испытаний ядерного оружия. Внёс вклад в заключение Московского Договора о запрещении испытаний в трёх средах. Своё отношение к вопросу об оправданности возможных жертв ядерных испытаний и — шире — вообще человеческих жертв во имя будущего А. Д. Сахаров выразил так:

В 1975 году написал книгу «О стране и мире». В том же году Сахарову была присуждена Нобелевская премия мира. В советских газетах были опубликованы коллективные письма деятелей науки и культуры с осуждением политической деятельности А. Сахарова.

В сентябре 1977 года обратился с письмом в организационный комитет по проблеме смертной казни, в котором выступил за отмену её в СССР и во всём мире.

В декабре 1979 года и январе 1980 года выступил с рядом заявлений^[28] против ввода советских войск в Афганистан, которые были напечатаны на передовицах западных газет.

22 января 1980 года по дороге на работу был задержан, а затем вместе с женой  без суда сослан в Горький — город, в то время закрытый для посещения иностранными гражданами. Был освобождён из горьковской ссылки с началом перестройки, в конце 1986 года — после почти семилетнего заключения. Андрей Дмитриевич Сахаров скончался вечером 14 декабря 1989 года, на 69-м году жизни, от внезапной остановки сердца

По данным социологических опросов 2000 года А. Д. Сахаров вошёл в число 10 самых выдающихся людей XX столетия для России (вместе с Лениным, Сталиным, Горбачёвым, Брежневым, Жуковым, Гагариным, Королевым, Высоцким, Солженицыным)

1. Закрепление материала. Экспресс тест (самопроверка сравнение с эталоном)

Вариант 1

1. Самый распространенный химический элемент во Вселенной…

1)Кислород 2) Гелий 3) Водород 4) Натрий

1. Валентность водорода

1. 2)2 3)3

1. В лаборатории водород проще получить при взаимодействии некоторых металлов с…

1)Кислотами 2) Водой 3) Гелием 4) Кислородом

4. Взрывчатая смесь, состоящая из 2-ух объёмов водорода и 1-го объёма кислорода

1)Сероводород 2) Хлороводород3) Гремучий газ 4) Аммиак

5. Водород с неметаллами образует

1) оксиды 2)сульфиды 3)галогениды 4) летучие водородные соединения

6. Создатель водородной бомбы

1) Сахаров 2)Опенгеймер 3)Энштейн 4)Королев

Вариант 2

1. Водород является главной составной часть…

1)Плутона 2) Луны 3) Земли 4) Солнца

2. Водород обнаружил учёный

1)Пристли 2) Ломоносов 3) Кавендиш 4) Вернадский

3. Водород выделяется при взаимодействии активных металлов с…

1)Водой 2) Кислородом 3) Гравием 4) Гелием

4. Как нужно расположить пробирку для собирания водорода

1)Вверх дном 2) вниз дном

5.Водород реагирует с металлами с образованием

1) Гидридов 2) Метанола 3) Кислот 4) Аммиака

6) при сгорании водорода в водородном двигателе получается

1) метан 2)аммиак 3)вода 4) угарный газ

1. Рефлексия, что вы узнали нового про водород на этом уроке?

2. Д.з подготовка к мониторингу повторение всех тем. Доклады на тему применение водорода в металлургии, пищевой промышленности, нефтетехническом производстве.