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…
R1SW2zyaO9yG2
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
właściwości substancji zaliczane do właściwości fizycznych oraz do właściwości chemicznych;
budowę atomu;
definicję izotopów;
definicję powietrza;
sposoby odczytywania informacji z układu okresowego;
metody otrzymywania w laboratorium tlenu i tlenku węgla(IV);
sposoby identyfikcacji tlenu i tlenku węgla(IV).
Nauczysz się
opisywać budowę atomu wodoru i omawiać właściwości tego pierwiastka;
planować metody otrzymywania i identyfikacji wodoru;
projektować i przeprowadzać doświadczenia pozwalające na otrzymanie wodoru w warunkach laboratoryjnych;
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. Jest głównym składnikiem gwiazd (stanowi ok. 71 % masy gwiazd w Galaktyce). Na Ziemi, w stanie wolnym (nie połączony z innymi pierwiastkami), występuje jednak w śladowych ilościach (m.in. w gazie ziemnymgaz ziemnygazie ziemnym i wulkanicznymgaz wulkanicznywulkanicznym). Tworzy natomiast liczne związki chemiczne (np. wodę, białka, węglowodory, cukry).
Wodór jest pierwiastkiem, który został zapisany w układzie okresowym jako pierwszy. Jednak jego właściwości nie są zbliżone do właściwości innych pierwiastków pierwszej grupy układu okresowego.
RSfxiXEbD3IMd1
Polecenie 1
Na podstawie położenia wodoru w układzie okresowym, uzupełnij informacje o budowie atomu tego pierwiastka chemicznego, korzystając z podanych poniżej wyrażeń.
R7sspnTQZnMRd
Atom wodoru ma najprostszą budowę spośród atomów pozostałych pierwiastków chemicznych. W jądrze atomowym atomu wodoru znajduje się jeden proton, a w chmurze elektronowej porusza się jeden elektron. Zwróć uwagę, że wodór ma najmniejszą masę atomową wśród pierwiastków chemicznych.
W górnych warstwach atmosfery ziemskiej oraz w przyrodzie występuje w śladowych ilościach w gazowym stanie skupienia, w postaci dwuatomowych cząsteczek.
R1ahSnFY1c86z
Gęstość wodoru w trzech stanach skupienia jest niewielka – w gazowym stanie skupienia wynosi zaledwie . Skroplony wodór ma gęstość ok. , a w stałym stanie skupienia . Musisz jednak wiedzieć, że nie jest go wcale tak łatwo otrzymać w stanie ciekłym i stanie stałym. Temperatura skraplania wodoru (jego przemiany z gazu w ciecz) wynosi ok. , a temperatura jego krzepnięcia (przemiany z cieczy w ciało stałe) to ok. .
Ciekawostka
Ze względu na małą gęstość, wodór był wykorzystywany do napełniania balonów i sterowców. Ich pierwowzorem był balon zaopatrzony 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 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 na hel przez USA – w tamtych czasach jedynego producenta helu na świecie). W szesnastu zbiornikach Hindenburga mieściło się 200 000 wodoru. Szóstego maja 1937 r., 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 w celach militarnych oraz transportowych.
R19YCNRWc4QvV
RNRl9WxxKDYSs
1
Polecenie 2
Zapoznaj się z informacjami, które znajdują się w powyższej ciekawostce. Wymień wynikające z nich właściwości fizyczne i chemiczne wodoru.
RiHOrs3a3bAto
Zastanów się, jakie właściwości wodoru umożliwiły jego wykorzystanie w balonach i sterowcach.
Ile z podanych poniżej właściwości wodoru znalazło się w Twojej odpowiedzi?
Właściwości fizyczne: Wodór jest gazem o niewielkiej gęstości. Jest gazem „lżejszym” od powietrza (ma mniejszą gęstość od gęstości powietrza).
Właściwości chemiczne: Wodór jest palny (spala się wybuchowo).
iTHTQL0vLF_d5e232
2. Otrzymywanie i badanie właściwości wodoru
Wodór jest bezbarwnym i bezwonnym gazem, a także palnym (czysty wodór spala się bladoniebieskim płomieniem), chociaż nie podtrzymuje palenia. Mieszanina wodoru i tlenu (w stosunku objętościowym ), pod wpływem ogrzewania lub iskry, gwałtownie wybucha – jest to tzw. mieszanina piorunującamieszanina piorunującamieszanina piorunująca, zwana dawniej powietrzem grzmiącym. Aby w warunkach laboratoryjnych sprawdzić, czy wydzielającym się w wyniku zachodzącej reakcji chemicznej jest wodór, wystarczy wykorzystać zapalone łuczywo. Wodór (na powietrzu) spala się gwałtownie, czemu towarzyszy charakterystyczny dźwięk (wybuch), określany często jako „szczeknięcie” lub „pyknięcie”.
Wodór można otrzymać w laboratorium chemicznym na różne sposoby. Dwa z nich poznasz, wykonując doświadczenia 1 i 2.
Otrzymywanie wodoru w reakcji cynku z kwasem solnym (chlorowodorowym) i badanie jego właściwości – pokaz nauczycielski
Doświadczenie 1
Sprawdź, czy w wyniku reakcji chemicznej metalu z kwasem, można otrzymać wodór.
Postępuj zgodnie z instrukcją. Napisz obserwacje i wnioski. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, zapoznaj się z zamieszczoną w podpowiedzi grafiką, obrazującą jego przebieg.
Uwaga: Doświadczenie wykonaj w okularach i rękawicach ochronnych, pod sprawnie działającym wyciągiem
RZdPoFxlhYdlH
Przeprowadzono doświadczenie w którym sprawdzono, czy w wyniku reakcji chemicznej metalu z kwasem można otrzymać wodór. Zapoznaj się z przebiegiem doświadczenia, a następnie rozwiąż zadanie zamieszczone poniżej.
Problem badawczy:
W jaki sposób można otrzymać wodór?
Hipoteza:
Wodór można otrzymać w reakcji metalu z kwasem.
Co było potrzebne:
kolba stożkowa;
korek z wkraplaczem i rurką odprowadzającą;
krystalizator;
probówka;
korek do probówki;
statyw z łapą;
statyw na probówki;
łuczywko;
zapałki;
kwas chlorowodorowy (solny);
cynk;
woda.
Wykonywane czynności:
Założono okulary i rękawice ochronne.
Do kolby stożkowej wprowadzono kilka granulek cynku, po czym kolbę zamknięto korkiem z wkraplaczem i rurką odprowadzającą.
Do wkraplacza wlano kwas chlorowodorowy (solny).
Koniec rurki odprowadzającej umieszczono w krystalizatorze z wodą, w którym znajdowała się odwrócona do góry dnem probówka, wypełniona wodą. Koniec rurki został umieszczony w probówce.
Do kolby stożkowej za pomocą wkraplacza dodano kwas chlorowodorowy (solny).
Wydzielający się gaz zebrano do probówki, a po jego zebraniu probówkę zamknięto korkiem.
Probówkę umieszczono w statywie.
Z probówki wyjęto korek, a do jej wylotu przybliżono zapalone łuczywko.
Obserwacje:
Ciało stałe roztwarza się (zanika). Wydziela się bezbarwny, bezwonny gaz, który „wypycha” wodę z probówki umieszczonej w krystalizatorze. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do wylotu probówki wypełnionej gazem, zaobserwowano, że płomień się zwiększa, czemu towarzyszy charakterystyczny dźwięk (trzask).
Wnioski:
Cynk reaguje z kwasem chlorowodorowym (solnym). Obserwacja płomienia zapalonego łuczywa w kontakcie z powstającym w wyniku tej reakcji gazem świadczy o tym, że jest to gaz palny, który w kontakcie z powietrzem spala się wybuchowo. Można zatem wnioskować, że jest nim właśnie wodór.
RV8SVBwzMXfYR
1
Polecenie 3
R1G2VtcZxNziL
W czasie wykonywania doświadczenia zwróć uwagę m.in. na wygląd płomienia łuczywa przed i po jego kontakcie z powstałym gazem. We wnioskach odnieś się do postawionej hipotezy.
Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, zapoznaj się ze schematem obrazującym przebieg jego części.
RpTiLNCuvsRrD
Obserwacje: Ciało stałe roztwarza się (zanika). Wydziela się bezbarwny, bezwonny gaz, który „wypycha” wodę z probówki umieszczonej w krystalizatorze. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do wylotu probówki wypełnionej gazem, zaobserwowano, że płomień się zwiększa, czemu towarzyszy charakterystyczny dźwięk (trzask).
Wnioski: Cynk reaguje z kwasem chlorowodorowym (solnym). Obserwacja płomienia zapalonego łuczywa w kontakcie z powstającym w wyniku tej reakcji gazem świadczy o tym, że jest to gaz palny, który w kontakcie z powietrzem spala się wybuchowo. Można zatem wnioskować, że jest nim właśnie wodór.
RMAur6I5xE6iA
Podsumowanie doświadczenia:
Wodór można otrzymać w laboratorium w wyniku reakcji chemicznych niektórych metali z kwasami. W wyniku reakcji cynku z kwasem chlorowodorowym (solnym) wydziela się wodór, który w probówce „zajmuje miejsce” wody. Drugim z produktów reakcji jest związek chemiczny o nazwie chlorek cynku. Zachodzącą reakcję chemiczną można opisać za pomocą następującego równania reakcji:
cynk + kwas chlorowodorowy chlorek cynku + wodór
Wodór jest gazem palnym, co udało się potwierdzić w czasie trwania doświadczenia 1. Wodór, w kontakcie z tlenem zawartym w powietrzu, spala się wybuchowo, z charakterystycznym dźwiękiem. Produktem spalania wodoru jest woda (w postaci pary). W wyniku reakcji chemicznej spalania wodoru wydziela się znaczna ilość energii. Jest to zatem reakcja egzoenergetycznareakcja egzoenergetycznareakcja egzoenergetyczna, a równanie tej reakcji można zapisać jako:
wodór + tlen woda
Zwróć uwagę, że na podstawie analizowanego doświadczenia można wnioskować o jeszcze o dwóch właściwościach wodoru. Jest to gaz, który nie reaguje z wodą i jest w niej bardzo słabo rozpuszczalny. Dlatego też, wykonując doświadczenie, mogliśmy zebrać wodór „nad” wodą.
Ciekawostka
Pierwszych obserwacji wodoru dokonał prawdopodobnie szwajcarski alchemik Paracelsus, który wrzucał kawałki metali do kwasów i zbierał do probówek gaz wydzielający się w wyniku zachodzących reakcji chemicznych. Jednak w opisach swoich badań nie zawarł on informacji o wodorze, ale o powietrzu. Pierwszym uczonym, który uznał wodór za odrębną substancję (1766 r.) był brytyjski chemik i fizyk Henry CavendishHenry CavendishHenry Cavendish (czyt. henry kawendisz), a badania francuskiego fizyka i chemika, Antoine’a LavoisieraAntoine LavoisierAntoine’a Lavoisiera (czyt. antła lawłaziera), przyczyniły się do uznania wodoru za pierwiastek chemiczny. Badania Lavoisiera dotyczyły otrzymywania wody z tlenu i wodoru. Nadał on wodorowi nazwę hydrogenium, co oznacza „rodzący wodę” (gr. hydōr (ὕδdeltaωomegaρrho) „woda”, genes (-γgammaεepsilonνnuής) „tworzący, rodzący”). Popularyzatorami nauk Lavoisiera na ziemiach polskich byli bracia Jan i Jędrzej ŚniadeccyJędrzej ŚniadeckiJędrzej Śniadeccy. Drugi z nich jest autorem pierwszej polskiej terminologii chemicznej, a w wydanym przez niego w 1800 r. podręczniku do chemii, w odniesieniu do wodoru, pojawiła się nazwa wodoród, zamiast łacińskiego hydrogenium.
Doświadczenie 2
Sprawdź, czy w wyniku reakcji rozkładu wody, można otrzymać wodór. W tym celu wykonaj doświadczenie 2. Postępuj zgodnie z instrukcją. Napisz obserwacje i wnioski. Jeśli nie masz możliwości samodzielnego wykonania doświadczenia, zapoznaj się z zamieszczoną w podpowiedzi grafiką, obrazującą przebieg jego części. Uwaga: Doświadczenie wykonaj w okularach i rękawicach ochronnych, pod sprawnie działającym wyciągiem.
RWIIHkPBWwi4D
Przeprowadzono doświadczenie, w którym sprawdzono, czy w wyniku reakcji rozkładu wody można otrzymać wodór. Przeanalizuj przebieg doświadczenia, a następnie rozwiąż zadanie zamieszczone poniżej.
Problem badawczy:
W jaki sposób można otrzymać wodór?
Hipoteza:
Wodór można otrzymać w reakcji rozkładu wody.
Co było potrzebne:
aparat Hoffmanna;
źródło prądu stałego;
probówka;
łuczywo;
zapałki;
kwas siarkowy(VI);
woda.
Wykonywane czynności:
Aparat do elektrolizy (aparat Hoffmanna) napełniono wodą z dodatkiem kilku kropli kwasu siarkowego(VI).
Włączono źródło prądu.
Obserwowano zmiany zachodzące na elektrodach, czyli w zewnętrznych cylindrach/ramionach aparatu.
Do wylotu kranu cylindra, w którym znajdowało się więcej gazu (czyli w tym przypadku katody) zbliżono wylot probówki. Otworzono kran w taki sposób, aby gaz przedostał się do jej wnętrza.
Do wylotu probówki napełnionej gazem zbliżono palące się łuczywo.
W celu identyfikacji drugiego gazu, zbliżono tlące się łuczywo do wylotu drugiego kranu cylindra aparatu (tego, w którym było mniej gazu, tutaj: anody) i otworzono go.
Obserwowano zachodzące zmiany.
Obserwacje:
Po podłączeniu aparatu Hoffmana do prądu, zaobserwowano, że w zewnętrznych cylindrach (ramionach) aparatu wydzielają się bezbarwne gazy. Gazy te wypierają wodę ze wspomnianych cylindrów i gromadzą się na ich szczycie. Ilość (objętość) jednego z powstających gazów jest dwukrotnie większa od ilości (objętości) drugiego z nich. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do wylotu probówki wypełnionej gazem, który zajmował większą objętość w aparacie, płomień zwiększa się i słychać charakterystyczny dźwięk. Po zbliżeniu tlącego się łuczywa do wylotu cylindra zawierającego gaz, który zajmował mniejszą objętość, zaobserwowano zapalenie się łuczywa (łuczywo paliło się jasnym płomieniem).
Wnioski:
W wyniku reakcji chemicznej rozkładu wody, zachodzącej w aparacie Hoffmana, pod wpływem prądu elektrycznego, powstają dwa różne gazy. Jednym z nich jest tlen, który jako gaz podtrzymujący palenie, powoduje zapalenie tlącego się łuczywa. Drugim gazem jest wodór, który – w kontakcie z tlenem z powietrza – spala się wybuchowo, czemu towarzyszy charakterystyczny dźwięk. Postawiona hipoteza jest zatem prawdziwa – w wyniku reakcji rozkładu wody można otrzymać wodór.
Podsumowanie doświadczenia:
W wyniku rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego otrzymuje się dwa rodzaje produktów gazowych: wodór i tlen. Zachodzącą reakcję chemiczną opisuje następujące równanie:
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.
1
Polecenie 4
R132ccupc7w1J
W czasie wykonywania doświadczenia zwróć uwagę m.in. na ilość (objętość) gazów, które powstają w zewnętrznych cylindrach (ramionach) aparatu Hoffmana. We wnioskach odnieś się do postawionej hipotezy. Zastanów się, o czym świadczą zmiany zaobserwowane po zbliżeniu zapalonego łuczywa do: wylotu pierwszego cylindra i tlącego się łuczywa; wylotu drugiego cylindra (ramienia) aparatu.
Przykładowe obserwacje i wnioski: Czy w zapisanych przez Ciebie obserwacjach i wnioskach znajdują się poniższe informacje?
Obserwacje: Po podłączeniu aparatu Hoffmana do prądu, zaobserwowano, że w zewnętrznych cylindrach (ramionach) aparatu wydzielają się bezbarwne gazy. Gazy te wypierają wodę ze wspomnianych cylindrów i gromadzą się na ich szczycie. Ilość (objętość) jednego z powstających gazów jest dwukrotnie większa od ilości (objętości) drugiego z nich. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do wylotu probówki wypełnionej gazem, który zajmował większą objętość w aparacie, płomień zwiększa się i słychać charakterystyczny dźwięk. Po zbliżeniu tlącego się łuczywa do wylotu cylindra zawierającego gaz, który zajmował mniejszą objętość, zaobserwowano zapalenie się łuczywa (łuczywo paliło się jasnym płomieniem).
Wnioski: W wyniku reakcji chemicznej rozkładu wody, zachodzącej w aparacie Hoffmana, pod wpływem prądu elektrycznego, powstają dwa różne gazy. Jednym z nich jest tlen, który jako gaz podtrzymujący palenie, powoduje zapalenie tlącego się łuczywa. Drugim gazem jest wodór, który – w kontakcie z tlenem z powietrza – spala się wybuchowo, czemu towarzyszy charakterystyczny dźwięk. Postawiona hipoteza jest zatem prawdziwa – w wyniku reakcji rozkładu wody można otrzymać wodór.
Podsumowanie doświadczenia: W wyniku rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego otrzymuje się dwa rodzaje produktów gazowych: wodór i tlen. Zachodzącą reakcję chemiczną opisuje następujące równanie:
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.
RhiOGwDVwSM6x
R14TYIX9ik3nX
Dla zainteresowanych
W przypadku, kiedy nie masz do dyspozycji aparatu Hoffmana, doświadczenie 2 możesz wykonać z wykorzystaniem bardziej dostępnych przyrządów.
Przygotuj: baterię 9 V typu 6F22 lub 6LR61, dwie w całości metalowe pinezki, plastikowy (najlepiej przezroczysty) kubek, dwie niewielkie probówki łyżeczkę, wodę, sodę oczyszczoną.
Instrukcja: W dnie plastikowego kubka umieść pinezki (przebij nimi kubek tak, aby główka każdej pinezki znajdowała się po zewnętrznej stronie kubka i ściśle przylegała do jego dna). Pinezki powinny być od siebie oddalone na taką samą odległość jak bieguny w baterii. Do kubka (z pinezkami) nalej ok. ¾ jego objętości wody i wsyp niewielką ilość sody oczyszczonej. Całość dokładnie wymieszaj. Probówki napełnij wodą i ostrożnie (tak by woda z nich nie wypłynęła) umieść je do góry dnem w kubku (wylot każdej z probówek powinien znajdować się nad nóżką innej pinezki). Tak zmontowany zestaw umieść delikatnie na baterii w taki sposób, aby główka każdej z pinezki stykała się z innym biegunem baterii. Bieguny baterii możesz również połączyć z główkami pinezek za pomocą metalowych drucików.
R1MewhjC27xLQ
1
Polecenie 5
Zaprojektuj doświadczenie, które pozwoli porównać gęstość wodoru z gęstością powietrza. Wymień odczynniki chemiczne oraz przyrządy potrzebne do przeprowadzenia doświadczenia. Zapisz instrukcję jego wykonania oraz przewidywane spostrzeżenia i wnioski. Uwaga: Jeśli chcesz przeprowadzić zaplanowane doświadczenie, zrób to koniecznie w asyście osoby dorosłej, z zachowaniem wszelkich środków ostrożności.
RjVUZkXez0pDt
Jak zachowa się balon wypełniony wodorem, a jak wypełniony powietrzem?
Porównaj wypełniony przez siebie dziennik laboratoryjny z przykładowym dziennikiem zamieszczonym poniżej.
Co będzie potrzebne:
kolba stożkowa;
dwa baloniki (najlepiej w różnych kolorach);
cynk (np. wiórki);
kwas chlorowodorowy (solny).
Instrukcja:
W kolbie stożkowej umieść cynk.
Do kolby wlej kwas chlorowodorowy (solny) i szybkim ruchem nałóż balon na szyjkę kolby.
Ostrożnie zawiąż balon z zebranym gazem (wodorem).
Drugi z balonów nadmuchaj tak, aby jego wielkość po nadmuchaniu była zbliżona do wielkości balonu napełnionego wodorem. Następnie zawiąż balon.
Jedną dłonią złap balon napełniony wodorem, a drugą balon napełniony powietrzem. Spróbuj „upuścić” obydwa balony jednocześnie z tej samej wysokości.
Przewidywane obserwacje:
Balon napełniony wodorem unosi się do góry i „przyczepia się” do sufitu. Balon napełniony powietrzem spada na podłogę.
Wnioski:
Postawiona hipoteza jest prawdziwa – wodór ma mniejszą gęstość niż powietrze.
Polecenie 6
Zapoznaj się z poniższą animacją, a następnie oceń, które z zapisanych stwierdzeń są prawdziwe, a które fałszywe.
Ru0aVjGHzArcR
R1F78H1M2w9Dw
Wodór ma mniejszą gęstość od gęstości powietrza. Gęstość gazowego wodoru w warunkach pokojowych wynosi ok. , podczas gdy w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury gęstość powietrza jest równa ok. . A zatem wodór unosi się w powietrzu. W związku z tym, jedną z metod jego zbierania, powstającego w niewielkiej ilości, w wyniku przeprowadzanych doświadczeń, jest zbieranie go w probówce odwróconej do góry dnem.
RQ4sG1fHAHMzU
Pamiętaj, że jeśli chcesz „zatrzymać” wodór w probówce, przed odwróceniem należy tę probówkę zatkać korkiem.
1
Polecenie 7
Przygotowano dwa naczynia o pojemności . Następnie, w takich samych warunkach ciśnienia i temperatury, jedno z naczyń wypełniono wodorem, a drugie powietrzem. Oblicz masę powietrza oraz masę wodoru, zawartych w każdym z pojemników. Przyjmij, że gęstości powietrza i wodoru, w warunkach zadania, wynosiły kolejno: i . Porównaj masy powietrza i wodoru w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury.
ROZd4UIpej4XM
R1Ktv9XXZ6ico
W obliczeniach możesz skorzystać ze wzoru, który pozwala na obliczenie gęstości: . Pamiętaj o jego odpowiednim przekształceniu. Zwróć uwagę na jednostki.
Masa powietrza w zadanych warunkach ciśnienia i temperatury wynosi , a masa wodoru – . Masa próbki powietrza jest zatem ok. 14 razy większa od masy próbki wodoru o takiej samej objętości.
Doświadczenie 3
Wiesz już, w jaki sposób można otrzymać wodór w warunkach laboratoryjnych i jak go zidentyfikować.
Wykonaj jeszcze jedno doświadczenie, w którym wykażesz, jakie właściwości ma mieszanina wodoru z powietrzem. Postępuj zgodnie z instrukcją. Napisz obserwacje i wnioski.
Uwaga: Doświadczenie wykonaj w okularach i rękawicach ochronnych, pod sprawnie działającym wyciągiem.
Rn0MtNp2Dft2K
Problem badawczy: Jakie właściwości ma mieszanina wodoru z powietrzem?
Hipoteza: Właściwości mieszaniny wodoru z powietrzem są inne niż właściwości poszczególnych składników tej mieszaniny.
Co było potrzebne: kolba stożkowa, korek z wkraplaczem i rurką odprowadzającą, krystalizator, statyw z łapą, detergent (np. płyn do mycia naczyń), łuczywo, zapałki, kwas chlorowodorowy (solny), wiórki magnezu.
Instrukcja: Do kolby stożkowej wprowadzono kilka wiórek magnezu. Kolbę zamknięto korkiem z wkraplaczem i rurką odprowadzającą. Koniec rurki odprowadzającej umieszczono w krystalizatorze z wodą i detergentem. Do wkraplacza wlano kwas chlorowodorowy (solny) i otwarto kranik. Gdy na powierzchni wody z detergentem zebrała się piana, wyjęto koniec rurki z krystalizatora, a do powstałych baniek zbliżono zapalone łuczywo. Nabrano odrobinę płynu na koniec rurki i wypuszczono tworzącą się bańkę w powietrze.
Obserwacje: Ciało stałe roztwarza się (zanika). Wydziela się bezbarwny gaz, który powoduje pienienie się wody z detergentem. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do baniek wypełnionych powstającym gazem, obserwuje się zwiększenie płomienia, czemu towarzyszy charakterystyczny głośny dźwięk. Bańki napełnione powstającym gazem odrywają się od powierzchni i ulatują do góry.
Wnioski: Mieszanina wodoru z powietrzem spala się gwałtownie, wybuchowo. Zarówno w czystym wodorze, jak i w powietrzu, płomień łuczywa jest „spokojny”. Można zatem wnioskować, że postawiona hipoteza jest prawdziwa – właściwości mieszaniny wodoru z powietrzem są inne niż właściwości jej składników. Odrywanie się baniek napełnionych wodorem od powierzchni wody świadczy o tym, że gaz ten ma mniejszą gęstość od gęstości wodoru.
Podsumowanie doświadczenia: Magnez, podobnie jak cynk, reaguje z kwasem chlorowodorowym. Przebieg tej reakcji chemicznej można opisać równaniem:
Wprowadzone do mieszaniny wodoru z powietrzem łuczywo spowodowało mały wybuch, jednocześnie było słychać głośny, charakterystyczny odgłos. Produktem zachodzącej reakcji spalania jest woda.
Mieszanina wodoru i tlenu, po ogrzaniu lub pod wpływem iskry, wybucha, dlatego należy zachować szczególną ostrożność w obecności wodoru.
1
Polecenie 8
RggwO5xELgvdG
Formułując wnioski, zastanów się, w jaki sposób pali się łuczywo w czystym wodorze, a w jaki w powietrzu.
Czy w zapisanych przez Ciebie obserwacjach i wnioskach znajdują się poniższe informacje?
Obserwacje:
Ciało stałe roztwarza się (zanika). Wydziela się bezbarwny gaz, który powoduje pienienie się wody z detergentem. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do baniek wypełnionych powstającym gazem, obserwuje się zwiększenie płomienia, czemu towarzyszy charakterystyczny głośny dźwięk. Bańki napełnione powstającym gazem odrywają się od powierzchni i ulatują do góry.
Wnioski:
Mieszanina wodoru z powietrzem spala się gwałtownie, wybuchowo. Płomień łuczywa w powietrzu jest „spokojny”. Można zatem wnioskować, że postawiona hipoteza jest prawdziwa – właściwości mieszaniny wodoru z powietrzem są inne niż właściwości jej składników. Odrywanie się baniek napełnionych wodorem i w niewielkim stopniu również powietrzem (a więc mieszaniną wodoru i powietrza) od powierzchni wody, świadczy o tym, że gaz zawarty w bańkach ma gęstość mniejszą od gęstości powietrza.
Podsumowanie doświadczenia:
Magnez, podobnie jak cynk, reaguje z kwasem chlorowodorowym. Przebieg tej reakcji chemicznej można opisać równaniem:
Wprowadzone do mieszaniny wodoru z powietrzem łuczywo spowodowało mały wybuch, jednocześnie było słychać głośny, charakterystyczny odgłos. Produktem zachodzącej reakcji spalania jest woda.
Mieszanina wodoru i tlenu, po ogrzaniu lub pod wpływem iskry, wybucha, dlatego należy zachować szczególną ostrożność w obecności wodoru.
RBVPV3HtJzbkw
3. Zastosowanie wodoru
Właściwości wodoru – m.in. jego mała gęstość, palność, duża reaktywność chemiczna, a także to, że nie nie jest toksyczny – sprawiły, że znalazł on szerokie zastosowania w różnych gałęziach przemysłu. Za licznymi zastosowaniami wodoru przemawia również fakt, że jest gazem otrzymywanym z wody, czyli powszechnie dostępnego surowca, który, podobnie jak wodór, nie jest toksyczny. Co prawda, do pozyskania wodoru z wody konieczne jest wykorzystanie energii elektrycznej (co wiąże się z odpowiednimi nakładami finansowymi), ale również sam wodór może „produkować” energię elektryczną.
Wodór jest surowcem do syntezy wielu związków chemicznych, m.in. amoniaku (związku chemicznego o wzorze sumarycznym ), używanego w przemyśle do produkcji nawozów sztucznych. W przemyśle spożywczym stosuje się go w procesie produkcji margaryny, a w przemyśle farmaceutycznym do produkcji leków.
Jako czynnik chłodzący, jest stosowany do zamrażania produktów spożywczych, a nawet do chłodzenia generatorów dużej mocy stosowanych w elektrowniach. Dawniej używano go także do przygotowywania sztucznych lodowisk.
Wodór znalazł także zastosowanie w palnikach wodorowo‑tlenowych do precyzyjnego cięcia i spawania metali, m.in. przez jubilerów.
Obecnie, w środkach transportu, coraz częściej wykorzystuje się tzw. ogniwa paliwowe (zamieniające energię chemiczną na elektryczną). Ciekły wodór był także stosowany jako paliwo napędowe promów kosmicznych.
Szczegółowe omówienie wybranych zastosowań wodoru zostało przedstawione w poniższej galerii zdjęć.
RRFIbUqfJwSLz
RXfUSWTjFQOej
R1TlKcz73rXQA
RXtzvF0DeAexe
RM1FU50l3IL66
R2o65JujTwFCD
R8bq19QDlWE1w
RtM0aNheWRzG4
RIwfoPhkdiWjO
Rmz6At7vmWSoo
R1C9yZ60ZjiDx
Mimo wielu zalet, które wynikają z właściwości fizycznych i chemicznych wodoru, jego wykorzystanie jako paliwa nadal wydaje się być ograniczone. Wynika to m.in. z wysokich kosztów produkcji wodoru oraz z trudności z jego użytkowaniem, wynikających głównie z wybuchowego spalania.
Ciekawostka
Wodór występuje na Ziemi w postaci trzech izotopówizotopyizotopów. Dwa z nich – prot () i deuter (), to izotopy stabilne, z których zdecydowaną większość (powyżej 99,98 %) stanowi prot. Trzeci – tryt (), to izotop promieniotwórczy (wytworzony w wyniku przemian jąder innych pierwiastków). Deuter i tryt znalazły zastosowanie w reaktorach jądrowych, rozpoczynając w nich cykl przemian, w wyniku których pozyskiwana jest ogromna ilość energii.
iTHTQL0vLF_d5e590
Podsumowanie
Wodór jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym we wszechświecie. W przyrodzie występuje najczęściej w formie związanej z atomami innych pierwiastków chemicznych, a w niewielkich ilościach również w postaci gazu utworzonego z dwuatomowych cząsteczek.
Czysty wodór pali się, ale nie podtrzymuje palenia. Jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, o najmniejszej gęstości, ok. 14 razy lżejszym od powietrza. Z tlenem tworzy mieszaninę wybuchową.
Wodór można otrzymać w warunkach laboratoryjnych m.in. w reakcjach niektórych metali z kwasami oraz w reakcji rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego.
Do identyfikacji wodoru w warunkach laboratoryjnych można wykorzystać zapalone łuczywo – spalaniu wodoru na powietrzu (w kontakcie z tlenem) towarzyszy charakterystyczny trzask.
Wodoru używa się m.in. do produkcji amoniaku, kwasu solnego i margaryny oraz jako paliwa ekologicznego.
Praca domowa
1
Polecenie 9.1
Wyjaśnij, dlaczego obecnie sterowce są napełniane helem, mimo że ma on większą gęstość od wodoru. Skorzystaj z dostępnych źródeł informacji.
R1O2UBbiRmubc
Zastanów się, która z właściwości wodoru rzutuje na to, że gaz ten może być niebezpieczny w użytkowaniu.
Wodór jest gazem palnym, który w kontakcie z tlenem z powietrza spala się wybuchowo. Do reakcji wodoru z tlenem może dojść pod wpływem ciepła bądź iskry. Dlatego też istnieje ryzyko zapłonu wodoru w sterowcu, np. podczas burzy, lub nawet przeskoku iskry w instalacji elektrycznej sterowca. Hel – w przeciwieństwie do wodoru – nie jest gazem palnym.
1
Polecenie 9.2
Zaprojektuj doświadczenie, które pozwoli odróżnić cztery bezbarwne gazy pozbawione smaku i zapachu: tlen, tlenek węgla(IV), azot i wodór. Załóż, że gazy te znajdują się w zamkniętych, ponumerowanych od 1 do 4, ale niepodpisanych kolbach. Napisz instrukcję wykonania doświadczenia oraz przewidywane obserwacje i wnioski.
R11tMR4U1iiVy
Zastanów się, które z wymienionych gazów są palne, a które podtrzymują spalanie. Czy któryś z wymienionych gazów powoduje mętnienie wody wapiennej?
Czy projekt Twojego doświadczenia jest podobny do zamieszczonego poniżej?
Przykładowa instrukcja:
Do wylotu każdej z kolb zbliż zapalone łuczywo. Po każdej przeprowadzonej próbie zamknij kolbę korkiem.
Gazy, dla których w punkcie pierwszym odnotowano takie same obserwacje wprowadź do wody wapiennej. Zachowanie się każdego z badanych w tym punkcie gazów wobec wody wapiennej sprawdź osobno.
Obserwacje:
Po zbliżeniu do wylotu kolb zapalonego łuczywa, w przypadku dwóch gazów o numerach 2 i 3, łuczywo zgasło. W kontakcie z gazem o numerze 1 łuczywo rozpaliło się mocniej. Po zbliżeniu zapalonego łuczywa do kolby z gazem opisanym numerem 4 zaobserwowano zwiększenie się płomienia, czemu towarzyszył charakterystyczny trzask.
Gazy z kolb o numerach 2 i 3 poddano dalszym próbom. Po wprowadzeniu gazu numer 2 do wody wapiennej, zaobserwowano jej zmętnienie. Gaz oznaczony numerem 3 nie spowodował zmętnienia wody wapiennej.
Wnioski:
Gazem opisanym numerem 1, który spowodował mocniejsze rozpalenie się łuczywa jest tlen – jest to gaz, który podtrzymuje spalanie, ale nie jest palny. Gaz opisany numerem 4, który spala się z charakterystycznym dźwiękiem, to wodór, który na powietrzu spala się wybuchowo. Gaz w kolbie o numerze 2 to tlenek węgla(IV), gaz niepalny, niepodtrzymujący spalania, który powoduje mętnienie wody wapiennej. Gaz z kolby opisanej numerem 3 to azot. Jest niepalny i nie podtrzymuje spalania. Nie powoduje również mętnienia wody wapiennej.
iTHTQL0vLF_d5e813
Słownik
Henry Cavendish1810Londyn1731Nicea
R1czPbqFJttF5
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 ich nie opublikował.
Antoine Lavoisier1794Paryż1743Paryż
RbKbgKahJC2v8
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).
Jędrzej Śniadecki1838Wilno1768Rydlewo koło Żnina
Ru0dP7oeWS51x
Jędrzej Śniadecki
Polski lekarz, biolog, chemik, filozof i publicysta‑satyryk. Opracował pierwszą polską terminologię chemiczną i napisał pierwszy polski podręcznik do chemii pt. Początki chemii (znany też pt. Krótki rys chemii). W podręczniku tym znalazła się nazwa wodoród w odniesieniu do wodoru.
ogniwo paliwowe
ogniwo paliwowe
w uproszczeniu – urządzenie elektrochemiczne, które zamienia energię chemiczną (wytwarzaną w wyniku odpowiednich reakcji chemicznych) na energię elektryczną; w pojazdach, w których stosuje się ogniwa paliwowe energia elektryczna napędza silnik elektryczny
gaz ziemny
gaz ziemny
gazowe paliwo kopalne zbierające się w skorupie ziemskiej; jego głównymi składnikami są związki chemiczne węgla i wodoru; może także zawierać m.in. niewielkie ilości wodoru, azotu i tlenku węgla(IV)
gaz wulkaniczny
gaz wulkaniczny
gaz wydobywający się ze stożka wulkanu, najczęściej podczas jego wybuchu (erupcji); głównym składnikiem gazu wulkanicznego jest para wodna, ale w jego skład wchodzą również m.in. wodór i tlenek węgla(IV)
mieszanina piorunująca
mieszanina piorunująca
silnie wybuchowa mieszanina wodoru z tlenem, w stosunku objętościowym 2 : 1; eksplozję mogą zainicjować iskra elektryczna, płomień lub wysoka temperatura
reakcja egzoenergetyczna
reakcja egzoenergetyczna
reakcja, w wyniku której z układu reakcyjnego do otoczenia wydziela się energia (zwykle na sposób ciepła)
elektroliza wody
elektroliza wody
(gr. ḗlektron „bursztyn”, lýsis „rozłożenie”) proces elektrochemiczny, polegający na rozkładzie wody na tlen i wodór pod wpływem przepływu prądu elektrycznego
izotopy
izotopy
(gr. ísos „równy”, tópos „miejsce”) atomy tego samego pierwiastka chemicznego, o tej samej liczbie atomowej Z i różnych liczbach masowych A; izotopy mają zatem taką samą liczbę protonów w jądrach atomowych, ale różnią się liczbą zawartych w nich neutronów
iTHTQL0vLF_d5e1033
Ćwiczenia
Pokaż ćwiczenia:
R1RiI5gf2XWpz1
Ćwiczenie 1
1
Ćwiczenie 2
Rysunek przedstawia zestawy laboratoryjne do zbierania gazów. Na jego podstawie oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
R4KzU4RkKfrcH
R18c8Zx7gft6p
1
Ćwiczenie 3
R16xoCoDpHYJr
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Oceń, czy podane zdania są prawdziwe, czy fałszywe.
Prawda
Fałsz
Wodór jest stosowany w gaśnicach pianowych (jako środek gaśniczy).
□
□
Wodór jest surowcem do syntezy amoniaku.
□
□
Ciekły wodór jest stosowany jako paliwo napędzające promy kosmiczne.
□
□
Wodór jest stosowany do gazowania napojów.
□
□
Wodór służy do utwardzania ciekłych tłuszczów roślinnych.
□
□
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
2
Ćwiczenie 4
Na butli wypełnionej wodorem znajdują się następujące piktogramy:
R1cZPPaeiQ24k
RBVDuekncA6a1
R10So41HSUvwN2
Ćwiczenie 5
RN8duC7sncBF32
Ćwiczenie 6
R1SeWP0mVp2pj2
Ćwiczenie 7
RXiEmP0xV0EeN2
Ćwiczenie 8
R1Wys89Vt2IJG3
Ćwiczenie 9
3
Ćwiczenie 10
R8ozqsX3K2Q4l
Glossary
density
density
RbP6IzAcAdL4J
gęstość
combustible
combustible
R1GyCSfuoeMEH
palny
incombustible
incombustible
RjnfnMRxgsfHd
niepalny
combustion
combustion
RCOXxFPOe80SM
spalanie
smoldering torch
smoldering torch
RGuQTZqQ6oEFR
tlące się łuczywo
burning torch
burning torch
RYcY6QuJZClY6
palące się łuczywo
acids
acids
R1H9zeQOUJBiD
kwasy
soluble
soluble
RAkE03Q5UVAp2
rozpuszczalny
Bibliografia
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, cz. 2, Warszawa 2007, wyd. 5.
Encyklopedia PWN.
Litwin M., Styka‑Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1. Chemia ogólna i nieorganiczna. Zakres rozszerzony, Warszawa 2012.
Pazdro K. M., Chemia. Pierwiastki i związki nieorganiczne, Warszawa 2012.
bg‑gray3
Notatnik
R1VbkGaPwzsNZ
Henry Cavendish1810Londyn1731Nicea
R1czPbqFJttF5
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 ich nie opublikował.
Antoine Lavoisier1794Paryż1743Paryż
RbKbgKahJC2v8
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).
Jędrzej Śniadecki1838Wilno1768Rydlewo koło Żnina
Ru0dP7oeWS51x
Jędrzej Śniadecki
Polski lekarz, biolog, chemik, filozof i publicysta‑satyryk. Opracował pierwszą polską terminologię chemiczną i napisał pierwszy polski podręcznik do chemii pt. Początki chemii (znany też pt. Krótki rys chemii). W podręczniku tym znalazła się nazwa wodoród w odniesieniu do wodoru.