Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał Wydrukuj

Nie można go zobaczyć, nie ma zapachu ani smaku, a jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w kosmosie. Na Ziemi tworzy największą liczbę związków, głównie z węglem. Jest paliwem ekologicznym – w wyniku jego spalania powstaje woda. Dzięki niemu smarujesz kanapkę masłem roślinnym…

RAblU8SuLjoD61
Wodór to najprostszy i najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie, a zarazem najczystsze paliwo świata, coraz częściej wykorzystywane w motoryzacji
Już wiesz
  • czym jest powietrze;

  • w jaki sposób należy posługiwać się układem okresowym;

  • jak w laboratorium można otrzymać tlen i tlenek węgla(IV);

  • w jaki sposób można zidentyfikować tlen, tlenek węgla(IV).

Nauczysz się
  • opisywać budowę atomu wodoru i omawiać właściwości tego pierwiastka;

  • planować metody otrzymywania i identyfikacji wodoru;

  • definiować pojęcie mieszaniny wybuchowej i stosować w praktyce zasady bezpieczeństwa w pracowni chemicznej;

  • analizować właściwości i zastosowanie wodoru.

iTHTQL0vLF_d5e179

1. Występowanie wodoru w przyrodzie

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie (główny składnik gwiazd). Na Ziemi występuje w śladowych ilościach (w gazie ziemnym i wulkanicznym), natomiast tworzy liczne związki (np. wodę, białka, węglowodory, cukry).

Wodór jest pierwiastkiem, który został zapisany w układzie okresowym jako pierwszy, jednak nie należy do żadnej grupy. Ma najmniejszą masę atomową, dzięki czemu we wszystkich stanach skupienia jest substancją najlżejszą na świecie *(jako gaz 0,00009 g/cmIndeks górny 3, jako ciecz 0,07 g/cmIndeks górny 3 i jako substancja stała 0,08 g/cmIndeks górny 3 – jego gęstość w każdym ze stanów skupienia jest najmniejsza w porównaniu z innymi substancjami). Wodór tworzy cząsteczki dwuatomowe.

R1PDU0jIBezkQ1
Położenie wodoru w układzie okresowym; model, wzór sumaryczny i strukturalny cząsteczki wodoru
Ciekawostka

Ze względu na małą gęstość wodór był wykorzystywany do napełniania balonów i sterowców. Ich pierwowzorem był balon zaopatrzone w śmigło i napędzany maszyną parową.
Jednym z największych i najsłynniejszych sterowców był niemiecki Hindenburg, o długości 245 m i średnicy 41 m. Rozwijał on prędkość 135 km/h i mógł zabrać na pokład 72 pasażerów oraz 61 członków załogi. Latał do USA i Brazylii. Początkowo był napełniany helem, później dostosowano go do użycia wodoru (ze względu na embargo nałożone przez USA). W szesnastu zbiornikach Hindenburga mieściło się 200 tysięcy mIndeks górny 3 gazu. Szóstego maja 1937 roku podczas cumowania na lotnisku w Lakehurst (USA) sterowiec spłonął. W wypadku zginęło 35 osób (13 pasażerów i 22 osoby z załogi). Katastrofa zakończyła erę sterowców. Jednak maszyny te nie wyszły całkowicie z użytku. Dziś służą do lotów turystycznych i jako banery reklamowe, choć są plany zastosowania ich unowocześnionej wersji do celów militarnych oraz transportowych.

RI4Vm9yXD9ecs1
Polecenie 1

Na podstawie przeczytanego tekstu wyjaśnij, jakie właściwości ma wodór.

iTHTQL0vLF_d5e232

2. Otrzymywanie i badanie właściwości wodoru

Otrzymywanie wodoru w reakcji cynku z kwasem solnym (chlorowodorowym) i badanie jego właściwości – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 1
Problem badawczy

W jaki sposób można otrzymać wodór?

Hipoteza

Wybierz jedną z przedstawionych hipotez, a następnie zweryfikuj ją.

Wodór można otrzymać w reakcji niemetalu z kwasem.
Wodór można otrzymać w reakcji metalu z kwasem.

Co będzie potrzebne
  • kolba stożkowa lub okrągłodenna,

  • korek z wkraplaczem i rurką odprowadzającą,

  • krystalizator,

  • dwie probówki,

  • korek,

  • statyw z łapą,

  • łuczywo,

  • kwas solny,

  • cynk.

Instrukcja
  1. Załóż okulary i rękawice ochronne.

  2. Do kolby stożkowej lub kulistej wprowadź kilka granulek cynku.

  3. Kolbę zamknij korkiem z wkraplaczem i rurką odprowadzającą.

  4. Do wkraplacza wlej kwas solny.

  5. Koniec rurki odprowadzającej umieść w krystalizatorze z wodą, w którym znajduje się odwrócona dnem do góry probówka wypełniona wodą.

  6. Do kolby dodaj roztwór kwasu solnego za pomocą wkraplacza.

  7. Wydzielający się gaz zbieraj do probówki.

  8. Po zebraniu gazu zamknij probówkę korkiem.

  9. Czynność powtórz, zbierając gaz do drugiej probówki.

  10. Probówki umieść w statywie, jedną z nich do góry dnem, i szybkim ruchem wprowadź zapalone łuczywo.

  11. Do drugiej probówki wypełnionej gazem zbliż zapalone łuczywo.

    R1WDJNIkYmkwl1
    Otrzymywanie wodoru w reakcji cynku z kwasem solnym (1a i 1 b). Identyfikacja wodoru (2)

Podsumowanie

W wyniku reakcji cynku z kwasem solnym wydziela się bezbarwny gaz, który w probówce „zajmuje miejsce” wody.
Zachodzącą reakcję chemiczną można zapisać następująco:

Zn + 2HCl → ZnCl2 H2
cynk + kwas chlorowodorowy → chlorek cynku + wodór

Wodór jest gazem palnym. Czysty wodór spala się spokojnie. Zapalone łuczywo włożone do probówki z czystym gazem powstającym w wyniku reakcji pali się spokojnie. Wodór zmieszany z małą ilością powietrza, spala się z charakterystycznym dźwiękiem.

Otrzymywanie wodoru w reakcji rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 2
Problem badawczy

W jaki sposób można otrzymać wodór?

Hipoteza

Wodór można otrzymać w reakcji rozkładu wody.

Co będzie potrzebne
  • aparat Hoffmanna,

  • źródło prądu stałego,

  • probówka,

  • kwas siarkowy(VI),

  • woda.

Instrukcja
  1. Aparat do elektrolizy (Hoffmanna) napełnij wodą (lekko zakwaszoną).

  2. Włącz źródło prądu.

  3. Obserwuj zmiany zachodzące na elektrodach.

  4. Do wylotu kranu (nad katodą) zbliż wylot probówki. Otwórz kran tak, aby gaz przedostał się do jej wnętrza.

  5. Do wylotu probówki zbliż palące się łuczywo.

  6. W celu identyfikacji drugiego gazu zbliż tlące się łuczywo do końcówki drugiego ramienia aparatu i otwórz go. Obserwuj zachodzące zmiany.

    R1MCqe3DiBVnY1
    Zestaw do otrzymywania wodoru w aparacie Hoffmanna

Podsumowanie

W wyniku rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego otrzymuje się dwa rodzaje produktów gazowych: wodór i tlen. Zachodzącą reakcję chemiczną opisuje następujące równanie:

2H2O → 2H2 + O2
woda → wodór + tlen

Wydzielający się w wyniku rozkładu wody wodór zajmuje (w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury) objętość dwa razy większą od objętości wydzielającego się jednocześnie tlenu.
Zbliżenie zapalonego łuczywa do wylotu rurki wywołuje charakterystyczny dźwięk, towarzyszący spalaniu mieszaniny wodoru z powietrzem. Obecność tlenu sprawdzamy poprzez zbliżenie tlącego się łuczywa do wylotu rurki – oczekując jego rozpalenia się.

Polecenie 2

Zaproponuj doświadczenie, które pozwoli porównać gęstość wodoru z gęstością powietrza.

Wskazówka

Jak zachowa się balon wypełniony wodorem, a jak – wypełniony powietrzem?

Badanie właściwości wodoru – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 3
Problem badawczy

Jakie właściwości ma mieszanina wodoru z powietrzem?

Hipoteza

Właściwości mieszaniny wodoru z powietrzem są inne niż właściwości poszczególnych składników mieszaniny.

Co będzie potrzebne
  • kolba stożkowa lub kulista okrągłodenna,

  • korek z wkraplaczem i rurką odprowadzającą,

  • krystalizator,

  • statyw z łapą,

  • detergent (np. płyn do mycia naczyń),

  • łuczywo,

  • kwas solny,

  • cynk.

Instrukcja
  1. Załóż okulary i rękawice ochronne.

  2. Do kolby stożkowej lub kulistej wprowadź kilka granulek cynku.

  3. Kolbę zamknij korkiem z wkraplaczem i rurką odprowadzającą.

  4. Koniec rurki odprowadzającej umieść w krystalizatorze z wodą i detergentem.

  5. Do wkraplacza wlej kwas solny i otwórz kranik.

  6. Gdy na powierzchni zbierze się piana, wyjmij koniec rurki z krystalizatora, a do powstałych baniek zbliż zapalone łuczywo.

  7. *Nabierz odrobinę płynu na koniec rurki i wypuść tworzącą się bańkę w powietrze.

Podsumowanie

Wprowadzone do mieszaniny wodoru z powietrzem łuczywo spowodowało mały wybuch, jednocześnie było słychać głośny, charakterystyczny odgłos. Produktem reakcji spalania jest woda:

2H2 + O2→ 2H2

Mieszanina wodoru i tlenu po ogrzaniu lub pod wpływem iskry wybucha, dlatego należy zachować szczególną ostrożność w obecności wodoru.
*Bańki napełnione wodorem odrywają się od powierzchni i ulatują do góry, co świadczy o tym, że wodór jest gazem lżejszym od powietrza.

Rhy9HqARevvrX1
Animację rozpoczyna ujęcie pięciu metalowych zbiorników gazów z balonami naciągniętymi na kurki. Pod nimi znajdują się opisy gazów znajdujących się w butlach. Licząc od lewej są to: dwutlenek węgla, tlen, powietrze, hel i wodór. Następuje równoczesne odkręcenie wszystkich zaworów i napełnienie balonów. Balony odczepiają się od zaworów. Trzy pierwsze opadają na podłoże, przy czym balon z dwutlenkiem węgla bardzo szybko, a pozostałe powoli. Balony z helem i wodorem unoszą się i zatrzymują na suficie pomieszczenia, przy czym balon z wodorem unosi się szybciej.

Wodór jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, słabo rozpuszczalnym w wodzie, pierwiastkiem o najmniejszej gęstości, około 14 razy lżejszym od powietrza. Jest gazem palnym – czysty, spala się bladoniebieskim płomieniem, ale nie podtrzymuje palenia. Mieszanina wodoru i tlenu pod wpływem ogrzewania lub iskry gwałtownie wybucha – jest to mieszanina piorunującamieszanina piorunującamieszanina piorunująca, zwana dawniej powietrzem grzmiącym.

iTHTQL0vLF_d5e541

3. Zastosowanie wodoru

Wodór jest surowcem do syntezy amoniaku, używanego w przemyśle do produkcji nawozów sztucznych. Jako czynnik chłodzący jest on stosowany do zamrażania produktów spożywczych. Dawniej używano go także do przygotowywania sztucznych lodowisk.

Wodór jest stosowany w palnikach wodorowo‑tlenowych do precyzyjnego cięcia i spawania metali, m.in. przez jubilerów. W przemyśle spożywczym stosuje się go w procesie produkcji margaryny, a w przemyśle farmaceutycznym – do produkcji leków.

Obecnie coraz częściej wykorzystuje się specjalny rodzaj akumulatora, zwany ogniwem paliwowym (zamieniającym energię chemiczną na elektryczną). Ciekły wodór jest także stosowany jako paliwo napędowe promów kosmicznych.

R1EnhDbRyCzNt1
Ciekawostka

Wodór paliwem przyszłości?
Gazety alarmują: Co będzie, gdy zabraknie ropy?, albo Spaliny samochodów przyczyną przedwczesnej śmierci. Rozwiązaniem obu problemów może okazać się wodór. Zasoby tego pierwiastka są nieskończone. Ponadto nie powoduje on zanieczyszczenia powietrza, ponieważ produktem jego spalania jest woda. Niestety, produkcja, skraplanie, transportowanie i magazynowanie wodoru są obecnie bardzo drogie. Prace w tym zakresie są obiektem zainteresowania firm motoryzacyjnych oraz instytucji badawczych. W 2012 roku naukowcy z Politechniki Lubelskiej zaprezentowali samochód napędzany wodorem.

iTHTQL0vLF_d5e590

Podsumowanie

  • Wodór jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie. W stanie wolnym tworzy cząsteczki dwuatomowe.

  • Czysty wodór pali się, ale nie podtrzymuje palenia. Jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, o najmniejszej gęstości, około 14 razy lżejszym od powietrza. Z tlenem tworzy mieszaninę wybuchową.

  • Używa się go do produkcji amoniaku, kwasu solnego i margaryny oraz jako paliwa ekologicznego.

Praca domowa
Polecenie 3.1

Przygotuj infografikę przedstawiającą zasady bezpiecznej pracy z wodorem i substancjami wybuchowymi.

Polecenie 3.2

Wyjaśnij, dlaczego sterowce są napełniane helem, mimo że ma on większą gęstość od wodoru.

Polecenie 3.3

Zaprojektuj doświadczenie pozwalające odróżnić bezbarwne gazy, pozbawione smaku i zapachu: tlen, tlenek węgla(IV), azot i wodór.

Polecenie 3.4

Korzystając z tablic chemicznych, napisz, w jakich warunkach ciśnienia i temperatury wodór jest cieczą.

Polecenie 3.5

Wyjaśnij zasadę działania bomby wodorowej.

iTHTQL0vLF_d5e813

Słowniczek

Henry Cavendish
R15CZ3bpsmPP21

Henry Cavendish

Henry Cavendish (czyt. henry kawendisz) angielski fizykochemik. Zajmował się badaniem gazów i roztwarzaniem metali w kwasach. Jako pierwszy zauważył, że powstającym w wyniku tych reakcji gazem nie jest powietrze. Uważany za odkrywcę wodoru. Sformułował prawa znane jako prawo Ohma i prawo Coulomba, lecz nie opublikował ich.

Antoine Lavoisier
R1MEq3pMWPQKu1

Antoine Lavoisier

Francuski chemik Antoine Lavoisier (czyt. antła lawłazier), ojciec nowoczesnej chemii. Dzięki zastosowaniu metod ilościowych opisał proces spalania, obalając teorię flogistonową. Jego badania pozwoliły na uznanie wodoru za pierwiastek. Nazwał go hydrogenium (rodzący wodę).

mieszanina piorunująca
mieszanina piorunująca

silnie wybuchowa mieszanina wodoru z tlenem, w stosunku objętościowym 2:1; eksplozję mogą zainicjować iskra elektryczna, płomień lub wysoka temperatura

iTHTQL0vLF_d5e1033

Zadania

Ćwiczenie 1
RxZEav2gAjj6x1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 2
R1UZWA5WUXf9S1
zadanie interaktywne
Ćwiczenie 3
RkXAzOGjc2nrl1
zadanie interaktywne