Урок-проект по химии "Водород как альтернативный вид топлива"

Открытый урок-проект

«Водород как альтернативный вид топлива»

Для учащихся 9-х классов

Цели и задачи урока:

-     образовательные: обобщить знания по вопросам возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива; выявить уровень овладения учащимися комплексом знаний о водороде и его свойства, возможности применения его в качестве топлива; раскрыть возможности водорода в качестве топлива.

-     развивающие: развивать навыки самоконтроля при выполнении экспериментальной работы и проведения опытов.

-     воспитательные: способствовать воспитанию воли и настойчивости для достижения конечных результатов.

-     методические: проанализировать уровень подготовки обучающихся к восприятию новой темы, использовать практические опыты для обоснования возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива.

Тип урока: комбинированный

План урока

I.       Приветствие.

II.      Организационный момент.

III.     Основное содержание

•        Фронтальный опрос

•        Актуализация ЗУН

•        Изучение нового материала

IV. Закрепление изученного материала

IV. Подведение итогов. Выставление оценок.

Ход урока

I.       Приветствие

Здравствуйте ребята! Садитесь!

II.      Организационный момент

Сегодня на уроке мы рассмотрим возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива. Особенно это актуально в условиях постоянного поиска альтернативных источников энергии, которые бы способствовали сохранению внешней окружающей среды и были бы безопасны в плане экологии.

Тема нашего урока «Водород как альтернативный вид топлива». Давайте запишем дату и тему урока в тетрадь.

Цель занятия – выявить возможности использования водорода в качестве альтернативного вида топлива.

Интересен урок будет тем, что нами будут проведены конкретные опыты, которые покажут силу энергии водорода и подтвердят выдвигаемую нами гипотезу о возможности его использования в качестве альтернативного топлива.

С водородом связывают решающий поворот в энергетической революции. Использование этого вещества с целью накопления электрической энергии и в качестве топлива для автомобильного транспорта могло бы навсегда освободить атмосферу от вредных выбросов (сжигание водорода дает, как известно, простой водяной пар).

Сегодня, в эпоху возобновляемых источников энергии, а также борьбы с загрязнением атмосферы и изменением климата, бензин и дизельное топливо оказались под строгим контролем. Их место может занять новый двигатель прогресса – водород.

III.    Фронтальный опрос

Водород характеризуется наиболее высокими энерго-массовыми показателями среди химических топлив. Низшая теплота сгорания молекулярного водорода (с образованием водяного пара) составляет 241,9 МДж/моль (57740 ккал/моль), что соответствует 120 МДж/кг (28640 ккал/кг). Таким образом, водород по массовой энергоемкости превосходит традиционные углеводородные топлива примерно в 2,5 – 3 раз, спирты – в 5 – 6 раз и аммиак – в 7 раз.

Ребята, давайте выясним основные преимущества и недостатки водородных двигателей внутреннего сгорания.

Преимущества:

1. Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.

2. Простая конструкция.

3. Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.

4. Бесшумность.

5. КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Недостатки:

1. Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.

2. Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.

3. Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.

4. Несовершенство технологий хранения такого топлива.

5. Дорогие водородные элементы.

6. Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

7. Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

IV.    Актуализация ЗУН

На этапе актуализации знаний, умений и навыков будет проведена практическая работа.

Существует несколько способов получения водорода в лабораторных условиях.

Получение водорода действием разбавленных кислот на металлы. Металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений выше водорода, реагируют с разбавленной серной или соляной кислотой, образуя соль и водород. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:

Получение водорода с помощью электролиза. При электролизе разбавленных водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например

Получение водорода действием щелочей на цинк или алюминий. Цинк и алюминий реагируют с водными растворами гидроксида натрия или гидроксида калия, образуя водород:

Получение водорода гидролизом ионных гидридов. Ионные гидриды, как, например, гидрид кальция, реагируют с холодной водой, образуя водород:

В ходе проведения урока проведем химический эксперимент по способам получения водорода в школьной лаборатории и изучению его свойств. Серия опытов покажет о величайшую силу водорода, что непременно будет использовано в будущем человечеством.

Опыт №1.

Для проведения химической реакции используем цинк и разбавленную соляную кислоту:

В ходе опыта нужно подтвердить гипотезу о силе водорода как источнике энергии. Газоотводную трубку от прибора для получения газов направляем в пустую консервную банку с закрытым бумажной полоской отверстием и ждем в течение часа (готовиться заранее, до урока). Поджигаем лучинку и подносим к отверстию консервной банки и результат опыта приводит к тому что раздается хлопок и банка подпрыгивает с песочной основы примерно на 5см.

Такой опыт можно назвать «летающая банка», если собрать больше водорода в металлической банке. В смеси водорода с кислородом при комнатной температуре реакция не протекает. Однако при поджигании смеси происходит реакция со взрывом. Если объемы водорода и кислорода находятся в соотношении 2:1, то происходит сильный взрыв. Такую смесь называют гремучим газом.

Чистый водород в пробирке сгорает с тихим звуком. Если же водород смешан с воздухом, то он взрывается с лающим звуком, такая смесь опасна. При поджигании водорода пробирку держат вверх дном, так как водород легче воздуха. В результате реакции горения водорода образуется вода:

2H₂ + O₂ = 2H₂O.

Опыт № 2. Водород из алюминия и щелочи.

Используется раствор щелочи – гидроксид натрия. Насыпаем в колбу небольшое количество гидроксида натрия и заливаем 50 – 100 мл воды, перемешиваем раствор до полного растворения кристаллов. Далее добавляем несколько кусочков алюминия. Сразу же начнется реакция с выделением водорода и тепла, сначала слабая, но постоянно усиливающаяся. Дождавшись пока реакция будет происходить более активно, аккуратно добавим еще 10 г щелочи и несколько кусочком алюминия. Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 – 5 мин., пока водород вытеснит воздух из сосуда. Алюминий является активным металлом, то он начинает реагировать с водой, растворяясь в ней, при этом выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na [A_l(OH) ₄] + 3H ₂↑

Опыт № 3. Водород из алюминия, сульфата меди и пищевой соли.

В колбу насыпаем немного сульфата меди и хлорид натрия (поваренная соль). Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения Можно в разные бутылки приготовить растворы и потом смешать в большую банку или емкость. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.

Колбу необходимо поставить в чашку наполненной холодной водой, т.к. при реакции, будет выделятся большое количество тепла.

Добавляем в раствор несколько кусочков алюминия или куски алюминиевой фольги. В процессе образуется хлорид меди, смывающий оксидную пленку с металла. Одновременно с восстановлением меди происходит образование газа. Можно для наглядности одеть на банку резиновую медицинскую перчатку, которая наполняется газом и поднимается. Поджигать её не следует. Взрывоопасно, что опять подтверждает силу водорода.

В ходе выполнения простых опытов подтверждается гипотеза о водороде как веществе, обладающим специфическими свойствами и большой энергией. Думаем, что в скором будущем водород будет основным источников альтернативной энергии, но не безопасной, т.к. надо соблюдать требования к развитию и размещению ядерной энергетики в России.

V. Закрепление изученного материала

Преимущество водорода по сравнению с углеводородами заключается в том, что при его использовании не происходит выбросов CO₂ и других вредных веществ. Из выхлопных труб выходит лишь водяной пар. Кроме того, при использовании водорода сохраняются те же удобные нам преимущества, как и при использовании обычных видов топлива (автономия, скорость наполнения бака, расчет стоимости одного километра пробега).

VI. Домашнее задание

В качестве домашнего задания предлагается внимательно повторить все химические и физические свойства водорода и написать небольшое эссе о перспективах водорода в качестве альтернативного топлива.

VII. Итог урока

В результате работы узнали о возможности использования водорода в качестве альтернативного топлива.

Выяснили преимущества и недостатки его использования в качестве топлива.

Провели ряд опытов, показывающих силу водорода в качестве источника энергии.

Спасибо Вам за активное участие на уроке!!!