Водород как альтернативный вид топлива

Разделы: Химия

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

  1. Приветствие
  2. Организационный момент
  3. Основное содержание
    1. Фронтальный опрос
    2. Актуализация ЗУН
    3. Изучение нового материала
  4. Закрепление изученного материала
  5. 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:

Zn (тв.) + 2HCl (водн.) → ZnCl2 (водн.) + Н2 (г.)

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

 2H3O + (водн.) + 2е- → Н2 (г.) + 2Н2О (ж.)

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:

CaH2(тв.) + 2H2O (ж.) → Ca(OH)2(водн.) +2H2 (г.)

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:

Zn (тв.) +2HCl (водн.) → ZnCl2 (водн.) + H2 (г.)

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 5 см.

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 [Al(OH)4] + 3H2↑

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!!!