Контрольная работа: Особенности преподавания химии на примере темы "Водород"

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 = H₂ O + Pb.

А при температуре выше 350–400 °С – реакции

Fe₂ O₃ + 3H2 = 2Fe + 3H₂ O,

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 + 2H₂ O = 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 + 6H₂ O = 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).