Альтернативная водородная энергетика как элемент школьного раздела химии: "Физико-химические свойства водорода"

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.

Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды - потребовали нового подхода к энергетике.

Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастает производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще нетронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

Но, к сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, а израсходованы они будут за сотни. Сегодня в море стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. Что же произойдет тогда, когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило задуматься о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии - энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца. Много внимания уделяется развитию атомной энергетики, ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии [31].

2.3 Сообщение 3. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем

Энергетические потребности, ресурсы и возможности

Человек с момента своего появления нуждался в энергетических ресурсах. На раннем этапе развития он удовлетворял эту потребность через пищу. Но с развитием человечества росли его энергетические потребности и расширялись возможности их удовлетворения. На первых этапах развития цивилизации использовались первичные природные энергетические ресурсы - древесина, затем ископаемый уголь. Постепенно начинает использоваться энергия ветра и воды [13]. Примитивные ветряные двигатели (ветряные мельницы) появились еще 2 тысячи лет назад. Природный битум начал использоваться 1 тысячу лет назад. Первые нефтяные скважины появились в XVII веке, а в середине XIX века началась промышленная добыча нефти и газа. В эпоху индустриализации потребность в энергетических ресурсах резко увеличивается, но расширяются и возможности человечества: началось производство электроэнергии с использованием гидроресурсов, энергии Солнца и атомной энергии. Использование энергетических ресурсов во все времена ограничивалось запасами природных энергоресурсов, возможностями человека извлекать энергию из этих энергоресурсов и последствиями их извлечения и использования.

2.4 Сообщение 4. Выполняется учителем

Глобальные экологические проблемы энергетики

Последствия влияния энергетики на экологию Земли носит глобальный характер. Воздействие энергетики на окружающую среду разнообразно и определяется видом энергоресурсов и типом энергоустановок. Приблизительно 1/4 всех потребляемых энергоресурсов приходится на долю электроэнергетики. Остальные 3/4 приходятся на промышленное и бытовое тепло, на транспорт, металлургические и химические процессы. Ежегодное потребление энергии в мире приближается к 10 млрд. т условного топлива, а к 2000 году оно достигнет, по прогнозам экспертов, 18-23 млрд. т. Теплоэнергетика в основном твердое топливо. Самое распространенное твердое топливо нашей планеты - уголь. И с экологической и с экономической точки зрения метод прямого сжигания угля для получения электроэнергии не лучший способ использования твердого топлива, при сжигании жидкого топлива с дымовыми газами в атмосферу воздуха поступают сернистые ангидриды, оксиды азота, окись и двуокись углерода, газообразные и твердые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, соли натрия, и др. С точки зрения экологии жидкое топливо менее вредно, чем уголь. Если уровень загрязнения атмосферы при использовании угля принять за 1, то сжигание мазута даст 0,6, а использование природного газа снижает эту величину до 0,2.

Парниковый эффект. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере вызывает так называемый парниковый эффект, который получил название по аналогии с перегревом растении в парнике. Роль пленки в атмосфере выполняет углекислый газ. В последние годы стала известна подобная роль и некоторых других газов (CH₄ и N₂O). Количество метана увеличивается ежегодно на 1%, углекислого газа - на 0,4%, закиси азота - на 0,2%. Считается, что углекислый газ ответственен за половину парникового эффекта.

Загрязнение атмосферы. Негативное влияние энергетики на атмосферу сказывается в виде твердых частиц, аэрозолей и химических загрязнений. Особое значение имеют химические загрязнения. Главным из них считается сернистый газ, выделяющийся при сжигании угля, сланцев, нефти, в которых содержатся примеси серы. Некоторые виды угля с высоким содержанием серы дают до 1 т сернистого газа, па К) г сгоревшего угля. Сейчас вся атмосфера земного шара загрязнена сернистым газом. Идет окисление до серного ангидрида, а последний вместе с дождем выпадает на землю в виде серной кислоты. Эти осадки называют - кислотными дождями. То же самое происходит и после поглощения дождем диоксида, азота - образуется азотная кислота [14].Сегодня глобальная среднегодовая потребность в энергии составляет ~8 трлн. Ватт. Иными словами для обеспечения нужд одного жителя Земли нужно 12 человек обслуживающего персонала.Если наш образ жизни, будет и дальше так развиваться, как сейчас, то в будущем потребность в энергии станет громадной. Если производство продовольствия будет идти в ногу с ростом населения, то к 2010 г. производство азотных удобрений должно увеличиться в 100 раз. Одно лишь это потребует около 20% объёма ныне производимой энергии. Опреснённая вода, которая часто рассматривается как неотъемлемая часть будущего, для своего получения требует громадных затрат энергии.

Среднегодовое потребление энергии увеличивается на 5,7%. Если этот темп сохранится, то к 2010 г. расход энергии по сравнению с 1980 г. увеличится в 4,5 раза. Основным источником получения энергии в мире дающим 97% её количества является ископаемое топливо, в том числе 38% составляет уголь, 19%-природньгй газ и 10% - нефть. 2% электроэнергии вырабатывается на ГЭС, а другие источники, такие как ядерный распад, древесина и прочие вырабатывают 1% энергии [15, 32] (рис. 1).

Нефти хватит еще приблизительно на 80 лет. Все запасы нефти разведаны. Разрабатываемые сейчас новые месторождения в Северном море обладают ограниченными запасами. Эти запасы недостаточны для того, чтобы обеспечить предполагаемый рост потребления энергии в Западной Европе, который удваивается каждые 8-10 лет. 2/3 добываемых запасов сосредоточены в Персидском заливе. Остальные находятся в России, Северной Америке и Африке. Нефтяная проблема еще больше усложняется в результате низкоэффективных способов добычи нефти. Местами из недр земли берется только 30-35% нефти. Поскольку цены на нее растут, экономически эффективной может стать вторичная добыча, что позволит поднять на поверхность 40-45% нефти.

Запасы природного газа более ограничены. Они приблизительно равны запасам энергии оставшихся угольных месторождений. Около 1/5 всех запасов природного газа сосредоточено в Северной Америке, 1/3 в России.

Основным источником энергии ископаемого топлива является каменный уголь. Из всех мировых запасов угля 52% - сосредоточены в России, 20%- в США, 9%- в Китае, 8%- в Канаде, 5%- в Западной Европе, остальное -в Океании, Центральной и Южной Америке (рис. 2).

Рис.2. Распределение залежей мировых запасов угля по странам

Около 97% угля можно извлечь только при помощи сооружения глубоких шахт. Хотя угля и много, он не является дешёвым источником энергии. Перевозки, труд, капиталовложения при строительстве новых глубоких шахт, контроль за загрязнением воды и воздуха - всё это увеличивает стоимость угля. Все сказанное выше достаточно для того, чтобы убедиться в необходимости перехода человечества на новые виды энергии, не связанные со сжиганием традиционного топлива. Для удобства рассмотрения вопросов поиска новых источников энергии кажется целесообразным, прежде всего, все существующие на земном шаре энергетические системы, использование которых осуществляется или потенциально может осуществляться человеком, разделить условно на два типа:

ь системы, основанные на возобновляемых источниках энергии;

ь системы, основанные на невозобновляемых источниках.

Каждый тип, в свою очередь, можно подразделить на несколько видов энергетических систем.

Таблица 2 Энергетические системы, пригодные для использования человеком

№ вида	Энергетические системы
Тип I (основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.	На: гравитационных силах; молекулярном движении; движении приливов и волн; движении воздуха; геотермальных силах
2.	фотосинтезе растении; жизнедеятельности организма
3.	фотохимических, фотоэлектрических и термоэлектрических процессах
Тип II (основаны на возобновляемых источниках энергии)
1.	На: сжигании радиационного топлива
2.	внутриядерных процессах
3.	биохимическом преобразовании энергии
4.	водородном топливе

Системы, относящиеся к первому виду, малоперспективны, несмотря на их экологическую чистоту. В начале века, по имеющимся оценкам, они смогут удовлетворить мировые потребности лишь на 5 - 10% [14, 29].

2.5 Сообщение 5. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем

Влияние водородной энергетики на окружающую среду

При рассмотрении основных принципов водородной энергетики и ее влияния на окружающую среду, нельзя ограничиваться лишь загрязнением воздуха, так как это не единственный тип загрязнения. При сравнении различных энергетических источников следует обсудить и другие аспекты. Под этим можно подразумевать эффективность источников энергии, поэтому важно сопоставить водородную энергетику с другими энергетическими системами, такими как уголь - синтетическое топливо, атомная энергия - водород, атомная энергия - электричество и др.С точки зрения охраны окружающей среды варианты водородной энергетики оцениваются выше старых энергетических систем, использующих ископаемые топлива. Заслуживает внимания тот факт, что, хотя энергетическая система солнечная система - водород самая безопасная по отношению к окружающей среде, все же система солнечная энергия - электричество будет эффективнее, так как в ней используется меньшее количество материалов. Предполагается что система солнечная система - водород будет работать в сочетании с фотогальваническими элементами, в которых расходуется большое количество кремния. Поэтому, если система море-солнце или с ветровой энергией, то влияние на окружающую среду будет меньше, и энергетическая система солнечная система - водород будет более приемлемой, чем система солнечная система - электричество [13].

2.6 Сообщение 6. Выполняется учениками

Дополнительные сведения о применении водорода в бытовых целях

Вся энергия, предназначенная для бытовых целей, может быть получена из водорода (освещение, отопление и приготовление пищи). Однако это не самый оптимальный путь применения водорода.

Освещение, отопление и приготовление пищи. Для освещения не обязательно применять электричество, можно воспользоваться «холодным светом», получаемым при взаимодействии водорода с фосфором. Для приготовления пищи, отопления помещений может быть использован специальный керамический материал. Однако отопление помещений лучше осуществлять с помощью электрических насосов.

Электричество в доме. По-видимому, при внедрении водородной энергетики уменьшится потребление электроэнергии в жилых домах. Снизятся затраты на работу различных электронных устройств. Однако для снабжения водородом зданий необходимо полностью переоборудовать трубопроводы, горелки и большую часть другого оборудования [12].

Переработка сточных вод. Обычно сточные воды должны пройти по трубопроводам несколько, прежде чем попадут на специализированные станции по их переработке. Имеются ряд способов переработки мусора и сточных вод с применением метана, который затем может быть использован при вторичном производстве энергии. При подаче по трубопроводу кислорода сточные воды могут быть подвергнуты аэробной обработке: при температуре около 100 °С и взаимодействии с чистым кислородом, образуется СО₂ [1].

2.7 Сообщение 7. Выполняется учителем при заключении темы

Пymu развития водородной энергетики

Следует сразу установить, что преимущества водородной энергетики могут быть достигнуты только путем постадийного внедрения этой энергетики (исследование, проектирование, создание опытной установки, небольшая проверка, более крупная проверка и, наконец, полный переход на водородную энергетику). На первой стадии в качестве источника для получения водорода можно использовать уголь, который при нагревании с водой образует смесь СО и Н₂; СО затем будет окислом до СО₂ и выброшен в атмосферу, а Н₂ доставят по трубопроводу па ближайшую установку. Здесь он может быть использован для получения электричества.

Во второй стадии в качестве источника энергии для получения водорода может быть использована ядерная установка; образующийся водород затем будет доставляться в город и применяться для получения электроэнергии или для работы части транспорта.

На третьей стадии может быть использован маленький город (например, с населением 10 000), где будет построена станция для сбора солнечной энергии. Если это гористая местность, можно установить экспериментальные крупные аэрогенераторы.

Важной является четвертая стадия освоения, на осуществление которой необходимы суммы, исчисляемые миллиардами. На этой стадии следует перевести часть энергетики на водород, например, жилищно-коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность [8].

Экологическая "чистота" водорода не вызывает сомнений, если учесть, что практически единственным, продуктом его сгорания является вода и что в этом случае полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения типа диоксидов углерода и серы, а также паров углеводородов. Кроме того, водород - это и достаточно калорийное топливо. По теплотам сгорания (34 ккал/г) он намного превосходит такие классические виды топлива, как углеводороды (10 ккал/г) и древесина (4 ккал/г). Конечно, нельзя не учитывать и большие трудности, связанные с решением и ряда дополнительных задач, таких, как:

а) поиск и разработка первичных источников энергии, которые могут быть использованы для синтеза водорода;

б) безопасность хранения, транспорта и больших количеств газообразного и жидкого водорода;

в) эффективное преобразование энергии водорода при решении ряда
конкретных энергетических задач.

Если говорить о поисках и разработках первичных источников, кото-
рые могут быть использованы для синтеза водорода, то, вероятно, следует
начать с простейшего способа, известного каждому, кто хотя бы немного
знаком с химией, - взаимодействия кислот и оснований с металлами:
Zn + (2HCl)aq > (ZnC1₂)aq + H₂ ^

Аl + (2NaOH)aq > (NaAIО₂)aq + 3/2H₂^

В плане дальнейшего изложения очень важно подчеркнуть, что перспективными для создания водородной энергетики могут считаться только способы, основанные на использовании воды в качестве исходного сырья. Поэтому в дальнейшем при написании тех или иных уравнений химических реакций индекс "aq", характеризующий водную среду, будет опускаться. Процесс необратим и для получения металла из образовавшихся оксидов (для повторного их применения) требует значительных затрат энергии.

Заслуживают внимания три варианта получения водорода из органического сырья. Один из них - паровая конверсия металла, являющегося главным компонентом природного газа:

СН₄ + Н₂О > СО + 3Н₂ - 50 ккал

СО + Н₂О > СО + Н₂ + 10 ккал

______________________________

СН₄ + 2Н₂О > СО₂ + 4Н₂ - 40 ккал

Второй более совершенный вариант основывается на парокислородной конверсии:

2СН₄ + О₂ > 2СО + 4Н₂ + 16 ккал

СН₄ + Н₂О > СО + 3Н₂ - 50 ккал

______________________________

7СН₄ + 3О₂ + Н₂О > 7СО + 15Н₂

Последующий процесс, связанный с конверсией СО, протекает, как и в первом варианте. Однако, как следует из уравнений в обоих вариантах, требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

Третий вариант основан па использовании процесса газификации угля:

2С_тв + О₂ > 2СО + 55 ккал

С_ТВ + Н₂О пар > СО + Н₂ - 30 ккал

Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь СО и Н₂, на-зываемую "водяным газом". В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Весьма перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного пара для восстановления окислов железа при 800-900°С:

2Fе_зО₄ + СО + Н₂ > 6FеО + Н₂О + СО₂ - 22 ккал

с последующей обработкой Fe() водяным паром при 600-700°С. После конденсации паров воды можно получить чистый водород:

3FeO + Н₂О>Fe_з О₄ + Н₂ + 16ккал

Экономичность процесса здесь возрастает вследствие того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температур, при которых в соответствии с данной реакцией имеет место восстановление окислов железа. Несмотря на определенные трудности, железопаровой вариант получения водорода привлекает в настоящее время внимание большого числа исследователей во всех странах мира, поскольку связан с возможностью использования дешевых низкосортных углей в качестве восстановителя водяного газа. Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воды па водород и кислород. Однако этот процесс сам требует много электрической энергии и экономически пока остается невыгодным.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ (НА ПРИМЕРЕ ВОДОРОДА)

В современном мире порой возникают ситуации, которые представляют реальную опасность для человечества. Чаще всего люди сами способствуют их возникновению либо по недомыслию, либо из - за недостатка информации. В одиночку с такими ситуациями не справится, однако правильный выбор действий в критической обстановке обеспечивается наличием определённых знании и умением их использовать. Поэтому, на мой взгляд, важно обсудить вопросы экологии и безопасности человека на уроках. Однако школьная программа и учебники не располагают достаточным объёмом информации. Учитель сам должен через поурочные планирования и внеклассные мероприятия восполнить эти недостатки. Он может применить следующие формы работы на уроках: собеседование, семинар, урок - практикум, ролевая игра, в любом случае учащиеся могут проявить активность, самостоятельность, применить знания, а также углубить их. Подобный подход позволяет учащимся лучше освоить новую тему и формирует у них целостное восприятие окружающего мира.

Уроки разработаны для учащихся 8 классов.

3.1 Водород

Урок 1.

Тема урока: Водород в природе.

Водород как химический элемент. Получение водорода.

Цель: 1. Познакомить учащихся с элементом водородом и его номенклатурой.

Получение водорода разными способами.

Рассмотреть водород с экологической точки зрения

Тип урока: Комбинированный.

Вид: Изучение нового материала.

Методы: Словесные, практические.

Оборудование: учебник, рисунки в учебнике, оформление доски, таблицы, "периодическая таблица Менделеева"

План урока.

Водород в природе. - 30 мин.

Водород с экологической точки зрения.

Водород как химический элемент.

1. 4. Получение водорода разными способами.

2.1 Закрепление. - 5 - 7 мин.

3.1 Домашнее задание. - 3 мин.

Ход урока:

I. Организационный момент.

II. Новая тема:

1. Водород в природе.

Водород это второй элемент, который мы будем изучать.

Экспресс - опрос класса: "Что вы знаете об этом элементе?"

Водород самый распространенный элемент вселенной, на его долю приходится 92 % всех атомов, он является главной составной частью Солнца и многих звёзд. В земной коре его массовая доля составляет 1 %. Водород самый лёгкий элемент в природе, поэтому его роль определяется не массой, а числом атомов. Доля его атомов в природе составляет 17 %, это второе место после кислорода, которого в природе 52 %. Таким образом, роль водорода в природе также велика, как и кислорода.

2. Водород с экологической точки зрения.

Водород в природе находится весь в связанном состоянии, т. е. в виде химических соединений. Химический знак водорода Н. Формулы основных соединений водорода встречающихся в природе: Н₂О вода, СН₄ метан, другие углеводороды С_ХН_Х, H₂S сероводород, NH₃ аммиак. Соединение кислорода и водорода - вода является основой жизни. Сероводород - это газ, который выделяется из недр Земли, кроме этого заводские трубы выбрасывают его в атмосферу в больших количествах. Он же соединяясь с водяными парами, вызывает кислотные дожди, которые уничтожают зелёные растения. Аммиак и метан так же вредны для здоровья человека. Но в тоже время метан, по сравнению с другими видами топлива, является более безвредным в экологическом отношении.

Чистый водород получается химическим путём. Он горит с выделением большого количества тела. Водород "топливо будущего" т. к. является экологически чистым, при его сгорании образуются водяные пары не отравляющие атмосферу.

3. Водород как химический элемент можно рассмотреть, используя страницу 62 в учебнике химии.

Решение задачи: Вычислить массовую долю водорода в воде.

W = A_r*n/M₂; W(н) = А_Г(Н) n(Н)/М (Н₂О) = 1*2/18 = 0,11 или 11 %

Сравнить значение массовой доли с атомной долей.

Номенклатура соединений неметаллов с водородом
название металла +... соединения содержащие кислород..+. водород

пример: сероводород Н₂ S сера + кислород + водород

Номенклатура, соединений, металлов с водородом:

гидрид + название металла

гидрид алюминия

гидрид меди

гидрид железа

4. Получение водорода.

Один из способов получения водорода разложение воды под действием постоянного электрического тока:

2H₂ O> 2H₂ + O₂

В лаборатории водород получают при взаимодействии некоторых металлов с кислотами. Например: цинка и соляно кислоты. Для этого используется специальный прибор, изображённый в учебнике на рис.41 стр.63. Запишем уравнение реакций:

Zn + 2HCI = ZnCl₂ + H₂

цинк соляная к-та хлорид цинка водород

Zn +H₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂

цинк серная к-та сульфат цинка водород

Водород выделяется также при взаимодействии активных металлов натрия и кальция с водой:

2Na +2HOH = 2NaOH + Н₂

натрий вода гидроксид натрия водород

Са + 2НОН = Са(ОН)₂ + Н₂

кальций вода гидроксид кальция водород

Опытным путём установлено, что из молекулы воды вытесняется только один атом водорода и образуется одновалентная группа ОН - гидроксогруппа, которая соединяется с атомом металла. Число гидроксогрупп зависит от валентности металла. Образующиеся соединения относятся к основаниям и называются гидроксидами.

В промышленности водород получают из метана:

СН₄ + 2Н₂О = СО₂^ + 4Н₂^

При этом выделяется углекислый газ и водород. Углекислый газ при поступлении в атмосферу загрязняет её, вызывает усиление парникового эффекта. Поэтому необходимо при получении водорода в промышленности улавливать углекислый газ.

2. Закрепление.

3. Домашнее задание. Ученики должны ответить на вопросы 1- 5 в учебнике на стр. 66.

Урок 2.

Тема урока: Свойства и применение водорода.

Цель: Рассмотреть физические и химические свойства водорода.

Тип урока: Комбинированный.

Вид: Изучение нового материала.

Методы: Словесные, практические.

Оборудование: Учебник, рисунки в учебнике, таблицы.

План урока.

. Проверка домашнего задания.- 8 мин.

. Новая тема: физические и химические свойства водорода. Применение.

. Закрепление - 7мин.

. Подведение итогов урока и домашнее задание

Ход урока.

I. Организационный момент. Проверка домашнего задания. Опрос. - 8 мин.

II. Новая тема.- 25 мин.

Водород.

2. Физические свойства рассмотрим в сравнении с кислородом (таблица на доске).

Водород	Кислород
1. без запаха	1. без запаха
2. без цвета	2. без цвета
3. мало растворим в воде	3. мало растворим в воде
4. легче воздуха в 14, 5 раз	4. тяжелее воздуха
5. t кип = - 253 єС	5. t кип = - 183 єС
6. с н.у. (Н2) = 0, 09 г/л	6. с н.у. (О2) = 1, 43 г/л

Химические свойства водорода:

а) реакции с металлами:

Ti + Н₂ = TiH₂ Са + Н₂ = СаН₂

б) реакции с неметаллами:

F₂ + H₂ = 2HF H₂ + O₂ = 2H₂O

в) реакции со сложными веществами:

СuО + Н₂ = Сu + Н₂О WO₃ + ЗН₂ = ЗН₂О + W

Отсюда следует вывод, что при обычных условиях водород может вступать в реакцию только с очень активными веществами. Взаимодействует с металлами с образованием гидридов. Взаимодействует с неметаллами. Является восстановителем. Химическая активность его ниже, чем у кислорода. При обычных условиях реагирует только с очень активными металлами и с единственным неметаллом - фтором. С большинством веществ реагирует только при повышенной температуре или другом воздействии.

Применение рассмотреть с помощью схемы 7 в учебнике на стр. 66.

3. Закрепление темы решением расчетной задачи: Один из способов получения водорода в лаборатории взаимодействие цинка с соляной кислотой. Сколько грамм цинка необходимо для получения 10 л водорода?

Х 10 л

Zn + 2HCI = ZnCl₂ + H₂ ^

65 г 22, 4 л

Составляем пропорцию:

Х/65 г = 10 л/22,4; Х = 65 г * 10 л/22,4 л = 29 г цинка.

4. Домашнее задание: ответы на вопросы 6-11 в учебнике на стр. 67.

Урок 3.

Практическое занятие.

Тема работы: получение водорода и проведение реакции его с оксидом меди (II).

Цель работы: 1) Получить водород в лабораторных условиях.

Провести его реакцию с оксидом меди (II).

Изучить горение водорода на воздухе.

Изучить продукты взаимодействия Zn с соляной кислотой.

I. Выполнение работы.

1. Получение и собирание водорода.

Собрали прибор. В пробирку поместили 3 гранулы цинка, плотно закрыли пробку и через воронку налили соляную кислоту. Наблюдали выделение пузырьков газа, т.е. водорода.

Zn + 2НС1 =ZnCl₂ + Н₂

Водород собирали в перевёрнутой пробирке, постепенно вытесняя воду. После того, как пробирка наполнилась, закрыли её пальцем и поднесли её к горелке. Водород загорелся спокойно хлопка не было. Это значит, что собранный водород был чистый.

2. Изучение горения водорода на воздухе.

Подожгли водород лучинкой у конца газовой трубки. Водород загорелся спокойным пламенем. На стеклянной пластинке конденсировалась вода.

2Н₂ + О₂ = 2Н₂О.

3.Изучение взаимодействия водорода с оксидом меди (II). В пробирку поместили несколько кусочков оксида меди чёрного цвета. Соединили с прибором для получения водорода. Пропустили ток водорода, никаких изменений не наблюдали. Начали нагревать пробирку с оксидом меди, началась реакция. Наблюдали изменение цвета, чёрный цвет изменился и стал красным. На стенки пробирки конденсировалась вода.

Н₂ + СuО = Сu+ Н₂О.

На данном опыте мы изучили восстановительные свойства водорода. Водород восстанавливает медь из оксида.

4. Изучение продукта реакции цинка с соляной кислотой.

С помощью стеклянной палочки перенесли несколько капель раствора из пробирки с цинком и соляной кислотой на стеклянную пластинку и упарили его. На стекле остался белый порошок хлорида цинка.

Zn + 2HC1 = ZnCl₂ + H₂t. Продукты реакции - хлорид цинка (ZnCl₂) и водород (Н₂).

II. Домашнее задание.

Оформить практическую работу.

Урок 4.

Контрольная работа.

Тема урока: Обобщение и систематизация знаний, умений, навыков учащихся по темам "Кислород", "Водород" "Газообразные вещества".

Цель: Проверить химические свойства, получение и применение этих элементов.

Ход урока.

I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.

Вариант 1.

1. Составить уравнения химических реакций:

а) кислорода с серой. Указать окислитель.

б) водорода с оксидом меди (II). Указать восстановитель.

2. Составить уравнения химических реакций, указать условия их протекания.

О₂ > Н₂О > Н₂ > НС1 хлорид кальция

3. а) дописать уравнения реакции: Н₂О₂ > Н₂О + ? Указать применение этой реакции.

б) Составить уравнение реакции между соляной кислотой и железом. Дать название полученным соединениям.

4. Решить задачу:

Рассчитать объём оксида углерода (IV), полученного в результате сгорания на воздухе 24 г. углерода.

Вариант 2.

1. Составить уравнения химических реакций:

а) водорода с кислородом.

б) кислорода с метаном (СШ).

2.Составить уравнения химических реакций, указать условия их протекания.

СО₂ > О₂ > WO₃> W

v

А1₂ О₃

3. а) дописать уравнения реакции: НС1 + Zn > ZnCl₂ + ? С какой целью используется эта реакция в лаборатории?

б) составить реакцию разложения воды. Указать её применение.

4. Решить задачу: Какой объём кислорода потребуется для окисления 1,5 моль серы?

Вариант 3.

1. Составить уравнения химических реакций:

а) водорода с кальцием. Дать название продукта.

б) кислорода с ацетиленом.

2. Составить уравнения химических реакций по схеме:

оксид углерода (IV) + Н₂О озон

+ C₂ H₅

KMnO₄ >кислород>оксид железа (III)

v v

оксид лития железо

3. а) дописать уравнения реакции: H₂SO₄+ Fe > FeSO₄+ ?

б) составить реакцию взаимодействия водорода с серой. Дать название продукта.

3. Составить и решить задачу по приведённым данным: V(Ca) = 3 моль ; m (СаН₂) - ?

Тестовая контрольная работа.

Вариант 1.

1. Водород реагирует с обоими веществами пары:

а) Н₂О и Са б) Na и NH₃ в) Fe₂O₃ и О₂ г) WO₃ и СH₄

2. В уравнении реакции горения алюминия запись его правой части:

а) ЗА1₂О₃ б) А1₂О₃ в) 2А1₂О₃ г) 4А1₂О₃

3. Составить уравнение реакции и указать коэффициент перед формулой восстановителя. Реакция оксида вольфрама с водородом:

а) 1; б) 2; в) 6; г) 3.

4. Объём кислорода, необходимый для окисления 2 моль цинка, составляет (н.у.):

а) 22.4 л; б) 11.2 л; в) 44.8 л; г) 5.6 л;

Вариант 2.

1. Водород реагирует с обоими веществами пары:

а) С1₂ и РbО б) О₂ и HCI в) СuО и Н₂О г) С H₄ и Na

2. В уравнении реакции горения этана верная запись его правой части:

а) 2СО₂ + ЗН₂О б) 4СО₂ + 6Н₂ в) 2СО₂ + ЗН₂ г) 4СО₂ + 6Н₂О

Составить уравнение реакции и указать коэффициент перед формулой восстановителя. Реакция оксида олова с водородом:

а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.

Объём кислорода, необходимый для окисления 1 моля алюминия, составляет (н.у.): а) 22.4 л; б) 16.8 л; в) 11.2 л; г) 5.6 л.

Вариант 3.

Водород реагирует со всеми веществами группы:

а) оксид вольфрама, вода, кальций; б) оксид железа (III), азот, кислород;в) метан СН4, калий, углерод; г) оксид меди (II), фтор, хлороводород.

В уравнении реакции горения аммиака NH₃ верная запись его правой части:a) 2N₂+ 6Н₂О; б) 3N₂ + Н₂О; в) 4N₂ + 6Н₂О; г) N₂ + ЗН₂О.

Составить уравнение реакции и указать коэффициент перед формулой восстановителя. Реакция оксида молибдена (VI) с водородом:

а) 2; 6)3; в) 4; г) 6.

4. Составить и решить задачу по приведённым данным:

V(Р) = 2моль; m(Р₂О₅)-?

а) 284 г; б) 142 г; в) 14.2 г; г) 28.4 г. [1]

Для реализации целей школьного экологического образования можно использовать ролевые уроки. Достоинством этих уроков является то, что учащиеся в игровой форме закрепляют и обобщают полученные знания по химии, а также понимают актуальность экологических особенностей связанных с изучаемой темой.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

В эксперименте принимали участие ученики 9 классов МОУ СОШ-гимназии № 1 г. Нальчик (выборочная совокупность составляла 45 школьников).

В экспериментальных классах при раскрытии темы «Альтернативная водородная энергетика» были проведены разработанные уроки, приведенные в главе 3. Занятия проводились с акцентом на прикладные и экологические аспекты.

Для констатации результата после проведения разработанных занятий были проведены контрольные работы, состоящие из тестов, которые приведены в главе III. Результаты эксперимента в школе приведены в диаграммах, отражающих изменения качества знаний и успеваемости в контрольном (9 г) и экспериментальном (9 в) классах.

Диаграмма 1. Изменение успеваемости учащихся

Диаграмма 2. Динамика успеваемости и качества обучения

Таким образом, избранная тематика способствовала повышению качества знаний, научного и экологического мировоззрения, а главное вызвала интерес учащихся к более глубокому изучению химии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время школьный курс химии немыслим без экологической стороны. В течение своей длительной жизни на Земле человечество в значительной степени зависело от солнца как источника энергии. Его потребность в энергии, в основном в пище, прямо или косвенно удовлетворялась фотосинтезом [21].

Только совсем недавно человек попал в сильную зависимость от ископаемого топлива. Поэтому рассмотрение каждой темы должно, так или иначе, иметь точки соприкосновение с экологией. Экологическое воспитание детей становится глобальной проблемой методики обучения химии. В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков. Но времена изменились. Сейчас, в начале 21 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы. Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении. Яркий пример тому - быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика, связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее. Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, «черных дырах», вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки тою сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.

Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок,

препятствий, неожиданных озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.

В выбранной нами теме рассматривается решение энергетической проблемы человечества путем внедрение водородной энергетике. Рассказ об энергии может быть бесконечен, как и бесконечны альтернативные формы ее использования, но при условии, что мы должны разработать для этого эффективные и экономичные методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным.

«Нет простых решений, есть только разумный выбор»

Конечно, практически ученикам невозможно продемонстрировать весь процесс получение энергии из водорода. Но схематично, с использованием методов сравнения с другими источниками энергии, интересными сообщениями на эту тему можно вполне доступно объяснить суть водородной энергетики. При прохождении темы «Водород» параллельно с изучением способов производства, химических свойств и применения рассматриваются и связь водорода с энергетикой. И конечно выявление таких важных связей химии с промышленностью, с энергетикой заинтересовывает учеников.

Кроме того, на факультативных занятиях по экологии при рассмотрении проблем энергетики важно подчеркнуть актуальность данного вида источника энергии.

ВЫВОДЫ

Можно сделать несколько выводов из рассмотрения проблемы

1. Проблемы экологии. В частности, проблемы энергетики, требуют срочного решения. Остроту этого вопроса необходимо довести до сознания школьников и озадачить их поиском путей решения.

2. При рассмотрении темы «Водород» необходимо подвести учеников к пониманию водородной энергетики как одного из наиболее перспективных методов решения энергетической проблемы.

3. На факультативных занятиях можно рассмотреть основные проблемы, которые возникают при использовании водорода как источника энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Реймерс Н. Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). // Россия Молодая. 1994. 367 с.

2. Верховский В. Н., Смирнов А. С. Техника химического эксперимента. - М., 1973, 683 с.

3. Кузьменок Н. М., Стрельцов Е. А., Кумачев А. И. Экология на уроках химии. Минск. 1996. 208 с.

4. Экологическая химия. Под. Ред. Ф. Корте. М.: Мир. 1997. 396 с.

5. Багов М. С. Концепции естествознания и основы экологии. Нальчик: «Эльбрус». 1997. 287 с.

6. Нифанов Э. Е. Прикладная направленность изучения химии в средней школе // Ж..Химия в школе, 1994, №4, ст. 18.

7. Назаренко В. М. Экология восхождение к разуму // Ж..Химия в школе, 1995, №4, ст. 10.

8. Экологизированный курс химии от темы к теме // Ж.. Химия в школе, 1996, № 1 ст. 29; 1996, №2 ст. 31; 1996, №4 ст. 36; 1996, №6 ст. 18.

9. Глобальное потепление: Доклад Гринпис / Под. ред. Дж. Леггетта. Пер. с англ. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 272 с.

10. Варшавский И. Л. Энергоаккумулирующие вещества и некоторые принципы их использования для транспорта, энергетики и промышленности. - М.: Наука, 1970. - 51 с.

11. Гринпис / Под. ред. Дж. Леггетта. Пер. с англ. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 272 с.

12. Володин В., П. Хазановский «Энергия, век двадцать первый». А. Голдин «Океаны энергии». Л.С. Юдасин «Энергетика: проблемы и надежды».

13. Буркова И.И. Основы общей экологии и охрана окружающей среды. - Ч. 1. - Норильск, 1977.

14. Охрана окружающей среды. Под ред. С. В. Белова. - М., 1991.

15. Богдановский Г. А. Химическая экология: Учеб. Пособие. - М.: Изд-во МГУ. 1994. - С. 136-137.

16. Малышенко С. П., Институт высоких температур РАН, Журнал «Энергия», №1, 2003.

17. Пехота Ф. Н., Минпромнауки РФ, Журнал «Энергия», №1, 2003, С. 2-8.

18. Химия и жизнь. Часть II. Под. ред. Тарасовой Н. П., РХТУ им. Менделеева. 1997. 351 с.

19. Суровцева Р. П. Химия. 8-9 классы: Методическое пособие. - 5 - е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2001. - 80 с.

20. Алексашина И. К., Л. А. Гольденберг. Из опыта подготовки учащихся к коллективной деятельности на уроке химии. // Химия в школе. 1991. №4, с. 31-34.

21. Планирование по химии // Вечерняя школа. 1989. №4.

22. Кузнецова Н. Е. Формирование систем понятий в обучении химии. - М.: Просвещение, 1989. - 144 с., с. 3-4, 17-22, 25-30.

23. Блонский Л. Л. Избранные педагогические и психологические сочинения: В 2 т. - М.: Педагогика, 1979. - Т. 2. - с. 300.

24. Шаповаленко С. Г. Методика обучения химии. - М.: Учпедгиз, 1963.

25. Архипова В. В. и др. Теоретические основы и практика коллективных занятий. Л., 1991.

26. Зуев А. В. Обучение химии в 9 классе. Пособие для учителя.

27. Общая методика обучения химии. Под. ред. Л. А. Цветкова, М. - Просвещение, 1981, 223 с.

28. Солдатенков И. С. Использование традиционных и технических средств на уроках химии, Минск, 1973, с. 69.

29. J. O.M Bockris, A Solar - Hydrogen Economy, A. N. Z. Book Co., Brook - vale, New South Wales, 1975, Ch. 8.

30. Lawaczek (1930), quoted by R. O. Lingstrom, ASEA Journal, 37 (1): (1964); also quoted by E. W. Justy, Leitungsmechanismus und Energieumwanlung in Felskorpen, Vandehoeck and Ruprecht, gottingen, 1965.

31. J. O.M Bockris, A Solar - Hydrogen Economy, A. N. Z. Book Co., Brook - vale, New South Wales, 1975, Ch. 14.

32. D. P. Greodgy, D. Y. C. Ng, and G. M. Long, in Electrochemistry of Cleaner Environments, J, O. V. Bockris, ed., Plenum Press, New York, 1972.