九年级化学（科粤版）上精品学案：5.1洁净的燃料——氢气

5.1　洁净的燃料——氢气
1．认识氢气的物理性质。
2．了解氢气的燃烧过程及产物。
3．知道点燃氢气之前必须验纯，初步学习如何检验氢气的纯度。
4．知道化学变化伴随有能量变化，认识氢气是理想的高能洁净燃料的原因。
气球为什么会迅速上升呢？气球里面填充的气体是什么？具有什么样的性质？
【活动探究】氢气有什么特性？
实验项目
观察现象
性质推断
用氢气流蘸肥皂液吹气泡
气泡迅速上升
密度比空气小
用燃着的木条点燃气泡
燃烧
具
有
可燃性
1．最轻的气体
氢气是无色、无味的气体，极难溶于水，常温下密度最小，能发生三态变化(101.3
kPa时，熔点为－259
℃，沸点为－252
℃)。
氢气是物质世界里密度最小的气体。在0
℃、101.3
kPa时，氢气的密度为0.090
g·L－1，是同条件下空气密度的2/29，氧气的1/16。因此，人们在发现氢气后相当长的时间内，常用氢气填充气球来烘托节日的欢乐气氛。
【例1—1】下列关于氢气的物理性质的描述，不正确的是(　　)。
A．氢气具有刺激性气味
B．氢气难溶于水
C．氢气是最轻的气体
D．在－259
℃时氢气能变成雪花状的固体
解析：氢气是无色、无味的气体，极难溶于水，常温下密度最小。101.3
kPa时，凝固点为－259
℃，所以－259
℃时能变成固体。故错误选项为A。
答案：A
【例1—2】实验室要收集一瓶氢气，可以用什么方法收集？收集了氢气的集气瓶，应如何放置？
解析：氢气的密度比空气小，极难溶于水，既可以用向下排空气法收集，也可以用排水法收集。为防止氢气迅速扩散，集满了氢气的集气瓶用玻璃片盖住口向下放置。
答案：用向下排空气法收集，也可以用排水法收集。集满了氢气的集气瓶口向下放置。
2．氢气的燃烧
氢气具有可燃性：2H2＋O22H2O；
点燃氢气前，一定要检验氢气的纯度。
(1)活动探究：氢气燃烧的产物是什么？
用燃着的木条点燃氢气肥皂泡时，发现氢气能燃烧。那么，它燃烧时会产生哪些现象？产物是什么？
【实验】
实验
现象
在带尖嘴的金属导管口点燃纯净的氢气，观察现象
淡蓝色火焰
手拿一个冷而干燥的烧杯罩在火焰上方，观察现象
烧杯壁上有水珠生成；拿烧杯的手感到热
结论
氢气在空气里燃烧，实际上是与空气里的氧气发生了化合反应，生成物是水，2H2＋O22H2O。同时放出热量
【联想】通过这个实验，我们可以进一步确认水是由氢元素和氧元素组成的。
氢气具有可燃性，2H2＋O22H2O燃烧生成物是水，因此，氢燃料是不产生污染物的洁净燃料。
【例2—1】能证明氢气在空气中燃烧生成水的依据是(　　)。
A．氢气燃烧时会放出热量
B．氢气燃烧时会发出淡蓝色火焰
C．罩在火焰上的烧杯壁发烫
D．罩在氢气火焰上的烧杯壁上有小水珠产生
解析：判断发生化学变化的根本依据是有新物质生成。A、B、C描述的都是氢气燃烧时的现象；D描述氢气燃烧时生成了新物质，答案为D。
答案：D
(2)氢气的爆炸
①活动探究：氢气的爆炸
实验
现象
取一个无盖、底部钻一个小孔的塑料筒，用纸团堵住小孔，开口端向下，通一会儿氢气，使塑料筒的气体变为氢气和空气的混合气体
把这个筒拿到安全的地方，拿掉堵住小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点火
燃烧，随后发生爆炸，塑料筒被气浪高高掀起
【解释】
氢氧混合气燃烧发生爆炸的微观过程
当氢气和氧气混合后，氢分子与氧分子充分接触，点燃时，反应迅速，短时产生大量的热和气体，在一个受限制的空间内急剧膨胀而发生爆炸(微观过程如上图所示)。
【结论】氢气中混有空气或氧气时，点燃会发生爆炸。
【例2—2】国庆时，天安门广场群众游行时数千名少先队员手持几万个彩色气球，走向主席台前接受检阅，使庆祝活动达到了高潮。根据你所学下列气体的化学性质及下表中提供的数据分析，充灌气球最好选用的气体是(　　)。
气体名称
氢气
氦气
氧气
氮气
密度/g·L－1
0.089
0.179
1.429
1.250
A．氢气　　　B．氦气
C．氮气
D．氧气
解析：→→→→；→→→；→→。
答案：B
②氢气的爆炸极限
氢气在氧气里反应的现象视氢气、氧气混合的情况而有所不同。经实验测定：空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4.0%～74.2%时，点燃就会发生爆炸，这个体积分数叫做氢气的爆炸极限。否则，氢气就能安静燃烧。
常见可燃性气体的爆炸极限：
一氧化碳的爆炸极限：12.50%～74.0%
液化石油气的爆炸极限：1.7%～9.7%
天然气的爆炸极限：5.0%～15.0%
电石气(乙炔)的爆炸极限：2.3%～72.3%
酒精蒸气的爆炸极限：3.5%～18.0%
【例2—3】下列各组气体混合后，点燃可能发生爆炸的是(　　)。
A．氢气、氧气　　　　B．煤气、空气
C．氧气、氮气
D．氢气、水煤气
解析：
A
√
氢气具有可燃性，氧气有助燃性。
B
√
煤气具有可燃性，氧气有助燃性。
C
×
没有可燃性气体。
D
×
都是可燃性气体，没有助燃性气体。
答案：AB
③检验氢气的纯度
操作要领
现象
结论
用排水法或向下排空气法收集一试管氢气，用拇指堵住试管口，移近火焰，松开拇指点火(如下图a、b所示)
听到尖锐的爆鸣声
不纯
听到轻微的“噗”声
纯净
3．理想的高能燃料
氢气作为新能源普遍被人们重视并加以研究。氢能源有许多其他燃料所不及的优点：
(1)资源丰富。占地球表面71%的水中都含有大量的氢元素，水分解可制得氢气，氢燃料燃烧后又生成水。
(2)氢气燃烧的产物只有水。清洁无污染。
(3)氢的放热效率高。据测定，氢气完全燃烧的热值为1.43×108kJ/kg，而汽油完全燃烧的热值为4.6×107kJ/kg，燃烧相同质量的氢气和汽油，氢放出的热量为汽油的3～4倍。
可见氢气真是既可再生、清洁，又高能的理想燃料。
由于氢气在制造、贮存、运输等方面还有许多技术问题没有真正解决，所以氢能源尚未得到广泛应用。目前，液氢只能在宇宙火箭、航天飞机、导弹等方面应用。
【例3】能源短缺和温室效应是当今人类面临的难题，新能源的开发和地球环境的保护是人类共同的目标。由此可见，最理想的能源是(　　)。
A．天然气　　　B．氢气
C．无烟煤
D．汽油
解析：天然气、无烟煤、汽油等化石燃料燃烧不可避免会产生一些有害物质，而氢气燃烧生成物只有水，对环境没有污染。答案为B。
答案：B
4．氢气的燃烧与爆炸
(1)燃烧与爆炸对比
纯净氢气
不纯氢气
现象
淡蓝色火焰，杯内壁有水珠，放热
发生爆炸
方程式
2H2＋O22H2O
注
用途：清洁燃料
使用前必须验纯
(2)气体的爆炸
混合气体发生爆炸必须符合：
①可燃性气体必须在爆炸极限内；
②必须在有限空间内发生反应；
③急速燃烧产生大量热和气体。
氢气在爆炸极限内，还必须在有限的空间里急速燃烧时，且产生的大量热量和气体不能及时地散失；若在敞开体系中，反应产生的大量热量和气体能及时地散失掉，则不会发生爆炸。
【例4】在桌上放一个顶部扎有小孔的纸筒，用纸团堵住小孔，用向下排空气法在纸筒内充满氢气(如下图所示)。把氢气发生装置移开，拿掉纸团，立即用燃着的木条在小孔处点火，下列有关现象描述正确的是(　　)。
A．氢气立即爆炸将纸筒掀起
B．氢气安静地燃烧，产生淡蓝色火焰，最后慢慢熄灭
C．氢气安静地燃烧，过一会儿发生爆炸，把纸筒掀起
D．先听到爆鸣声，接着看到淡蓝色火焰，最后熄灭
解析：纯净的氢气能安静地燃烧，氢气与空气的混合物遇明火就会爆炸。刚开始由于纸筒内充满了氢气，点燃时，纯净的氢气只是在小孔处安静地燃烧，看到发出淡蓝色火焰；随着燃烧的进行，纸筒内氢气的量不断减少，空气就会不断地进入纸筒内形成氢气与空气的混合物，当氢气的体积分数达到爆炸极限时，纸筒内的混合气体就发生爆炸，发出爆鸣声，将纸筒掀起。
答案：C
5．检验氢气纯度注意的问题
(1)验纯时，必须听到轻微的“噗”声；没有听到声音，说明氢气体积分数小于4.0%。
(2)若用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时，要用拇指堵住试管口一会儿(或换一支试管)，然后才能再收集检验；因为此时试管内验纯点燃的氢气可能还没有熄灭，立即收集易引起发生装置内混合气发生爆炸。
检验氢气纯度时，①操作方法必须正确；②判断氢气纯净的标准不是听不到声音，而是必须听到轻微的“噗”声。
【例5】两位同学做氢气验纯实验。甲同学用小试管收集氢气并管口向下移近酒精灯火焰，结果听到尖锐的爆鸣声，他未经任何操作便马上用同一支试管去收集氢气，准备再一次验纯；乙同学将收集了氢气的试管管口向上移近酒精灯火焰，没有听到爆鸣声，他判断氢气已纯。两位同学的操作是否正确？为什么？
解析：用排水法收集一小试管氢气检验不纯，再收集检验直到纯净为止；若用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而再收集氢气时，要用拇指堵住试管口一会儿(或换一支试管)，使试管内火焰熄灭，然后才能再收集检验，否则容易引起发生器内尚存的氢气与空气混合物的爆炸！乙同学将管口向上导致氢气跑掉了，故听不到爆鸣声。
答案：甲、乙两位同学的操作都不正确。甲同学应用拇指堵住试管口一会儿，使管内氢气的火焰熄灭后，再收集，否则易引起爆炸；乙同学没有听到爆鸣声，说明试管内部氢气的体积分数小于4.0%，不能说明氢气已纯。
6．实验数据处理归纳氢气的爆炸极限
实验数据处理是指从实验中获得数据开始到得出最后结论的整个加工过程，包括数据记录、整理、计算、分析和绘制图表等。从获得的实验数据中寻找化学量变化规律是实验过程数据处理的重要内容。
数据以表格的形式呈现是比较常见的：以表格的形式给出有关化学量之间的关系，根据表格中数据提供的信息对数据进行分析处理，按其内在联系抽象成知识与规律，达到解决问题的目的。因此，通过对数据的运用和分析处理的练习，有利于培养信息收集和数据处理能力。
解答这类题的共同点是：首先要读懂题意，然后对表格数据进行分析，筛选有价值的信息，获取相关数据、性质、规律，形成解题思路。
【例6】测定氢气和空气混合气体的爆炸范围实验如下所述。取10支大试管，依次盛水90%(体积分数)、80%……再用排水集气法收集氢气，而后分别把试管口移近酒精灯火焰，实验结果如下：
H2体积分数/%
90
80
70
60
50
空气体积分数/%
10
20
30
40
50
点燃现象
安静燃烧
安静燃烧
弱爆炸
强爆炸
强爆炸
H2体积分数/%
40
30
20
10
5
空气体积分数/%
60
70
80
90
95
点燃现象
强爆炸
强爆炸
强爆炸
强爆炸
不燃不爆
(1)混合气体爆炸范围，氢气的体积分数约为________。
(2)由上述实验结果评价：“用向下排空气法收集氢气，保持试管倒置移近火焰，如果只发出轻微的‘噗’声，表明收集的氢气已纯”的说法的真正含义。____________________。
解析：由表中数据可知，混合气体在点燃时发生弱爆炸对应的氢气的体积分数为70%，发生强爆炸时氢气的最小体积分数为10%，所以混合气体爆炸的范围对应的氢气的体积分数在10%～70%之间。由实验结果可以说明，检验氢气的纯度时，只发出轻微“噗”声，表示收集到的气体中氢气的体积分数超过70%，并不是纯净的氢气。
答案：(1)10%～70%　(2)收集到的气体中氢气的体积分数超过70%