Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 9» г. Новочебоксарска Чувашской Республики

Исследовательская работа

« Получение водорода и изучение его свойств»

Выполнили: ученики 8 «Б» класса

Иванова Юлиана и Яковлева Наталья

Научный руководитель:

                                                                                    учитель химии Федорова Ю.В.

Новочебоксарск — 2022

Содержание              

Введение                                                                                                      

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Нахождение в природе

1.2 История открытия

1.3Характеристика химического элемента

1.4 Водород - простое вещество

1.4.1Физические свойства водорода

1.4.2Химические свойства водорода

1.5 Получение водорода

1.5.1Получение водорода в промышленности

1.5.2 Получение водорода в лаборатории

1.6 Применение

Глава 2 Методика исследования и результаты экспериментальной работы

2.1 Получение водорода в лабораторных условиях

2.2 Изучение свойств водорода 

2.2.1 Взаимодействие с кислородом

2.2.2Взаимодействие с оксидом меди (II)

2.2.3 Образование мыльных пузырей 

Выводы 

Заключение

Список используемых источников и литературы

Приложение

Введение

Водород - первый элемент периодической системы Д.И. Менделеева. Чем же так интересен и важен для человека водород?

Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд). Превращения, которые происходят с водородом при гигантском давлении и температуре в десятки миллионов градусов, дают возможность Солнцу излучать тепло и свет. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.

Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной. Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. На Земле водород тоже играет очень большую роль. Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это девятый по распространенности элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 %.

Больше всего различных соединений водород образует с углеродом: нефть и горючие сланцы, бензин и черный асфальт. Такие соединения называются углеводородами. Водород широко применяется при сварке и резке металлов. Если к соединениям углерода и водорода добавить кислород, получаются новые, соединения - углеводы, например, такие не похожие друг на друга вещества, как крахмал и сахар. А если водород соединить с азотом, получится газ - аммиак. Он необходим для изготовления удобрений. 

Водород входит в состав всех животных и растительных организмов.
Много достоинств у водорода - экологически безвреден, энергоемок, находится в природе в изобилии и это позволяет использовать его как ракетное топливо. Те же особенности водорода делают его перспективным и в качестве топлива авиационного.

Его символом в таблице Менделеева является химический знак - H, атомное число — 1. Именно водород — своеобразная «точка отсчета», «химическая единица».

Объект исследования - простое вещество водород.

Предмет исследования - физические и химические свойства водорода

Цель работы: получение водорода и изучение его свойств .

Задачи:

•                      Изучить теоретический материал, касающийся водорода и его свойств;

•                      Выяснить, кто открыл водород и откуда появилось это название;

•                      Расширить представления о физических и химических свойствах водорода;

•                      Узнать, каковы области применения водорода;

•                      Получить водород и изучить его свойства экспериментально .

1.1 Нахождение в природе

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов. Водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Он играет ключевую роль в протекающих в звездах реакциях синтеза. По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство.

Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более 1,5∙1018 м 3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах.

Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.

Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4 %.

2.                   История открытия водорода

В трудах химиков XVI - XVIII вв. упоминался «горючий» или «воспламеняемый воздух», который в сочетании с обычным давал взрывчатые смеси. Еще Парацельсом было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется этот газ. Спустя примерно 100 лет этот газ научились собирать.

Странным на первый взгляд делом занялся однажды английский ученый Генри Кавендиш: он стал пускать мыльные пузыри. Но это не было развлечением. Перед этим он заметил, что, когда железные опилки обливают серной кислотой, появляется много пузырьков какого-то газа. Что это за газ?

Ученый вывел его по трубочкам из сосуда. Газ был невидим. Имеет ли он запах? Нет. Тогда он наполнил им мыльные пузыри. Они легко поднялись вверх! Значит, газ легче воздуха! А если поджечь газ то, он загорится голубоватым огоньком. Но удивительно то, что при горении получилась вода! Генри Кавендиш назвал новый газ «горючим воздухом». Ведь он, как и обычный воздух, был без цвета и запаха.

В 1766 году Кавендиш опубликовал работу «Опыты с искусственным воздухом». В ней шла речь о водороде в современном понимании. Хотя Кавендиш и считается автором открытия первого газообразного простого вещества , это не вполне соответствует действительности. «Горючий воздух» ранее наблюдали и Роберт Бойль, и французский химик Никола Лемери, и Михаил Ломоносов. Кавендиш же дал описание своеобразных свойств водорода как индивидуального вещества. Он получил его разными способами(действую разбавленными соляной и серной кислотами на железо, цинк, олово) и всякий раз убеждался, что выделяется один и тот же газ.1

В 1779 году французский химик Антуан Лоран получил «горючий газ» из воды, пропуская её пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. При температуре красного каления (8000С) железо вступает в реакцию с водяным паром, и выделяется водород.

Лавуазье также доказал, что при взаимодействии «горючего воздуха» с кислородом образуется вода, причем газы реагируют в объемном соотношении 2:1. Это позволило ученому определить состав воды. Он и дал этому веществу латинское название, которое происходило от греческих слов «хюдор» — вода и «геннао» — рождаю, то есть «рождающий воду». В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H 2, Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium. Потом ученые установили, что водород - самое легкое из всех известных людям веществ, а его атомы устроены проще всех других.

1.3 Характеристика химического элемента водорода

Водород - это элемент первой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Порядковый номер водорода - 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса - 1,00795. Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости. Таким образом, очевидно, что атом водорода - это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. Водород (простое вещество) - это газ. Его молекулярная формула записываться как Н2.

1.4 Водород простое вещество

Молекулы водорода образованы двумя атомами химического элемента водорода. Формула его Н2. Относительная молекулярная масса простого вещества водорода равна: Mr (H2) =2Ar(H) =2. Следовательно, молярная масса водорода равна: M (H2) =2г/моль Молярный объем водорода, как и других газов при нормальных условиях, равен: Vm (H2)=22,4 л/моль. Молекула водорода самая легкая из молекул всех веществ. Поэтому газообразный водород по плотности значительно уступает воздуху и кислороду — он в 14,5 раза легче воздуха и в 16 раз легче кислорода. В виде простого вещества водород встречается на Земле лишь в небольшом количестве в вулканических и некоторых других природных газах. Молекулы водорода Н2 обнаружены в верхних слоях земной атмосферы. В Солнечной системе простое вещество водород входит в состав атмосферы планет — Юпитера, Сатурна, Урана.

1.4.1 Физические свойства водорода.

При обычных условиях водород - это газ, не имеющий запаха, цвета и вкуса. Это самое лёгкое вещество на Земле. Его плотность равна примерно 0,9г/дм³. В воде водород растворяется плохо (примерно 2 объёма на 100 объёмов воды), но может поглощаться некоторыми металлами. Например, 1 объём палладия может растворить до 900 объёмов водорода.

Температура кипения - (-252,6 0С). Температура плавления - (-259,1 0С). В обозначенном интервале температур является бесцветной жидкостью, не имеющей запаха. Жидкий водород замерзает, превращаясь в бесцветные кристаллы. Является горючим и взрывоопасным веществом. Кристаллическая решетка простого вещества молекулярная. Водород - неметалл.

1.4.2 Химические свойства водорода.

•                      В соединениях водород всегда одновалентен.

•                      Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов Н:Н или Н2

•                      Благодаря этому обобщению электронов молекула Н2 более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж.

•                      Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.

•                      Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа RН4, RН3, RН2, RН.

•                      При нагревании водород вступает в реакции соединения с простыми веществами — кислородом, хлором, азотом, серой и углеродом.

1) С галогенами  образует галогеноводороды:
Н2 + Cl2 → 2НСl.
2) С кислородом - воду:
2Н2 + О2 → 2Н2О
При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

3) При нагревании энергично реагирует с серой с образованием сероводорода:
Н2 + S → H2S

4) С азотом  с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН2 + N2 → 2NН3

5) С углеродом при высоких температурах образует метан:
2Н2 + С → СН4

6) С  щелочными и щелочноземельными металлами  образует гидриды :
Н2 + 2Li → 2LiH
Со сложными веществами:

7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4Н2О

1.5 Получение водорода.

Существует множество различных способов получения водорода. Одни из них применяются уже давно, другие – это современные разработки. Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН 4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

1.5.1 Промышленные способы получения водорода:

•                      Паровая конверсия метана;

•                      Газификация угля - процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь;

•                      Электролиз.

Сырьем для получения водорода является природный газ, уголь и нефть. И здесь возникает самая большая проблема из-за вредных выбросов при использовании этих ресурсов. Поэтому можно с уверенностью сказать, что самый экологически чистый способ получения водорода – это электролиз водных растворов солей (например, NaCI, Na2SO4).3

1.5.2 Лабораторные способы получения водорода :

•                      Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2↑

При воздействии кислот на металлы. Как правило, используется цинк в гранулах и 10-20% раствор серной (либо соляной) кислоты. Сам процесс происходит в аппарате Киппа. Он позволяет прерывать, либо возобновлять реакцию по мере необходимости.

•                      Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2↑

•                      Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H2O → NaOH +H2↑
СаH2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑

•                      Действие щелочей на цинк  или алюминий :
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na[Al(OH)4] +3H2↑
Zn +2KOH +2H2O → K2[Zn(OH)4] +H2↑

•                      Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н2SO4 или Na2SO4. На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H2O → 2H2+О2

1.6 Применение водорода

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению. Мировое промышленное производство водорода измеряется десятками миллионов тонн в год. Так как водород в 14,5 раз легче воздуха, и если им наполнить воздушные шары, они будут отдаляться от Земли со скоростью 85 км в час, что в два раза превышает скорость шаров, наполненных гелием, и в шесть раз - скорость шаров, наполненных природным газом. Первыми поднялись на воздушном шаре заполненном водородом французские физики Ф. Робер и Ж. Шарль (1783). С 1852 года - с тех самых пор, как первый дирижабль на основе водорода был создан Генри Гиффардом -- водород использовался в воздухоплавании.

Позднее водородные дирижабли называли «цеппелинами». В августе 1887г. полет на воздушном шаре, наполненном водородом, с научной целью совершил Д. И. Менделеев.

Воздухоплавание на водороде было прекращено после крушения дирижабля «Гинденбург» в 1937 году. Авария произошла в результате возгорания. Где же в настоящее время используется такая масса водорода? 

Водород находит широкое практическое применение. Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности для очистки нефти от сернистых соединений. В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел (гидрирование жиров). 

Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам. Жидкий водород необходим в авиации и космонавтике. Водород используется в качестве альтернативного топлива для транспорта. Химическая энергия водорода высвобождается при его сжигании способом, подобным тому, который применяется в традиционных двигателях внутреннего сгорания. 

Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами. «Взрывной» характер этого газа может стать гибельным оружием - водородной бомбой. Ее взрыв сопровождается выбросом огромного количества радиоактивных веществ и губительно для всего живого.

2. Методика исследования и результаты

экспериментальной работы

2.1 Получения водорода из цинка и соляной кислоты

Действие разбавленных кислот на металлы:

Zn +2HCl → ZnCl2 +H2↑

Опыт №1. Для опыта нам понадобится аппарат Кирюшкина. Поместили в аппарат несколько кусочков цинка и добавили 10% -ную соляную кислоту. Чтобы собрать выделяемый водород берем еще одну пробирку (перевернутую вверх дном) и вставляем в нее газоотводную трубку. В пробирке начинает накапливаться водород. Важно помнить, что в пробирке также присутствует и кислород (в составе воздуха), а вместе эти два газа представляют собой взрывоопасную смесь. Поэтому следует позаботиться о технике безопасности.

2.2 Изучение химических свойств водорода

2.2.1 Взаимодействие с кислородом (горение водорода):

2Н2 + О2 → 2Н2О

с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом.

Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема О2 называется гремучим газом.

Опыт №1. Проверка водорода на чистоту и горение. Поднесем к пламени горящей спиртовке пробирку, в которой собран водород.

Результат: раздается звук «п-пах». Собрали чистый водород. Поджигаем водород, он горит голубоватым пламенем с образованием водяного пара, т.е. воды.

2.2.2 Взаимодействие с оксидами металлов (используется для восстановления металлов):

CuO + H2 → Cu + H2O

Опыт №2. Поместим в пробирку немного черного порошка оксида меди (II). В эту же пробирку внесем газоотводную трубку от аппарата Кирюшкина, в котором мы получили водород. Пробирку с оксидом нагреем на пламени спиртовки.

Результат: наблюдаем изменение окраски черного порошка на красный (это металл – медь) и образование на стенках пробирки капелек воды .

2.2.3 Образование мыльных пузырей

Опыт №3.

Источник водорода – аппарат Кирюшкина. Выделяющийся в результате реакции водород при открытом кране выходит по газоотводной трубке. Подносим конец газоотводной трубки к фарфоровой чашке в которой находится мыльный раствор. Содержимое фарфоровой чашки начинает пузыриться. Мыльные пузыри, заполненные водородом, стремятся вверх. Водород – газ, который значительно легче воздуха.

Выводы

На основании изучение данной темы можно сделать следующие выводы:

1.Знаменитый английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал газ и назвал его «горючим воздухом». Французский химик А. Лавуазье в 1779 г. установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен. Лавуазье назвал вещество - Hydrogenium — «рождающий воду», т.е. водород.

2. Водород это газ, который можно получать в школьной лаборатории, но необходимо соблюдать правила по технике безопасности, так как этот газ взрывоопасен. При горении он образует воду.

3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов, в результате реакции нами были получены - медь ( это металл красного цвета) и вода;

4.Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. Во время блокады Ленинграда город защищали от бомбежек аэростатами заполненными водородом. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Заключение

В заключение хотелось бы сказать, что водород очень важное, незаменимое и интереснейшее вещество. Он – самый распространенный элемент во Вселенной. Энергия, излучаемая Солнцем и другими звёздами, выделяется в результате ядерных реакций с участием его ядер. В земной коре он встречается почти исключительно в виде соединений: входит в состав нефти, природного газа, каменного угля, некоторых минералов. Самое известное соединение водорода – это его оксид, вода.

В ходе работы мы узнали, что у нас есть возможность изменить экологическую обстановку на Земле, уменьшить выброс вредных веществ в атмосферу. Водород не без оснований называют чудесным топливом будущего так как, при его использовании не образуются парниковые газы и не нарушается круговорот воды в природе. 

Список используемых источников и литературы.

I.                    Источники:

1.                   Л.Ю.Аликберова «Занимательная химия», - Москва «АСТПРЕСС», 2002 г.

2.                   О. Ольгин Опыты без взрывов. Изд. второе, перераб. – М.: Химия, 1995. – 192с.

3.                   Н.Л.Глинка «Общая химия» - Ленинград «Химия», 1990г. -727 с.

II.                  Статьи:Л. Г. Скуднова. «Невероятное путешествие водорода по таблице Д.И.Менделеева». –М.:Издательский дом «Первое сентября»,2016г.-№5

III.                Справочные издания:

5.                   Энциклопедия для детей. Том 17.Химия/глав. ред. В.А.Володин/ - М.:Аванта+, 2003г.

6.                   Энциклопедический словарь юного химика. / Сост. Э 68 В.А. Крицман, В.В. Станцо. – 2-е изд., испр. // - М.: Педагогика, 1990. – 320 с.: ил.

IV.                Интернет источники:

7.                   Мультимедийный учебник «1С: Репититор. Химия»http://repetitor.1c.ru/online/disp.asp?10;3 –Учебное пособие для студентов химических и биологических специальностей педвузов. –Н.Новгород: НГПУ, 2008. – 59 с.

8.                   http://fb.ru/article/188996/vodorod

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Таблица №1

Самые распространенные химические элементы на Земле

Значение элемента и его соединений

Распространенность химических элементов в космосе

Таблица 2