Особенности преподавания химии на примере темы "Водород" (стр. 2 из 4)
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.
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.