"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
Водород — самый лёгкий химический элемент, а его простое вещество состоит из двухатомных молекул H₂. Газ горит в кислороде с образованием воды и способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов. Водород получают в лаборатории реакцией металла с кислотой, а в промышленности — разными способами, в том числе из природного газа и воды. Знание его свойств помогает понять реакции замещения, окисления и восстановления, а также правила безопасного обращения с газами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — химический элемент с символом H и порядковым номером 1 в периодической таблице. Это значит, что в ядре его атома один протон, а в нейтральном атоме есть один электрон. Положение в начале таблицы помогает сразу связать название элемента с простейшим строением его атома.
Простое вещество водород — молекулярное вещество с формулой H₂, то есть каждая его молекула состоит из двух атомов водорода. Символ H обозначает элемент или отдельный атом, а запись H₂ — частицу газа. Это различие нужно учитывать при составлении формул и уравнений реакций.
Восстановитель — вещество, которое отдаёт электроны другому веществу в химической реакции. Водород может выступать восстановителем: например, при взаимодействии с оксидом металла он помогает получить металл. Понятие показывает, какую роль водород играет в реакции, а не просто перечисляет её участников.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы одного элемента замещают атомы другого элемента в составе вещества. Некоторые металлы при нагревании соединяются с водородом, образуя гидриды, например 2Na + H₂ → 2NaH. Это уравнение помогает увидеть, как водород входит в состав нового вещества.
У атома водорода один электрон на внешнем энергетическом уровне. В зависимости от партнёра по реакции он может отдать этот электрон или присоединить ещё один, чтобы получить более устойчивое состояние. Поэтому в соединениях водород встречается в разных химических ролях: например, с неметаллами он обычно отдаёт электрон, а с активными металлами способен его принять.
Отдельный атом водорода очень активен, поэтому атомы объединяются в пары и образуют молекулы H₂. Связь удерживает два атома вместе, а для разрыва молекул нужна энергия. При обычных условиях молекулы свободно движутся и далеко отстоят друг от друга, поэтому водород — газ, а не жидкость или твёрдое тело.
Водород бесцветен, почти не растворяется в воде и значительно легче воздуха. Плохая растворимость позволяет собирать газ в перевёрнутый сосуд над водой: водород вытесняет воду, практически не смешиваясь с ней. На воздухе газ быстро поднимается вверх, но его нельзя просто выпускать в сосуд вместе с воздухом: образующаяся смесь с кислородом может взорваться.
При горении молекулы H₂ реагируют с молекулами кислорода, а атомы перераспределяются и образуют молекулы воды: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Водород при этом отдаёт электроны кислороду, поэтому выступает восстановителем. В оксиде металла кислород тоже может перейти к водороду; например, CuO + H₂ → Cu + H₂O, и из оксида выделяется медь.
В лаборатории водород часто получают действием кислоты на металл, например цинк реагирует с соляной кислотой с выделением H₂. В промышленности его производят в больших количествах, например из природного газа с водяным паром или электролизом воды. Выбор способа зависит от нужного количества газа и его назначения: лабораторный метод удобен для опыта, а промышленные способы снабжают водородом производство и другие области применения.
| Аспект | Характеристика | Пример или уравнение |
|---|---|---|
| Физические свойства | Бесцветный газ, очень лёгкий, плохо растворим в воде | Можно собирать вытеснением воды |
| Горение в кислороде | Образуется вода; реакция сопровождается выделением энергии | 2H₂ + O₂ → 2H₂O |
| Взаимодействие с оксидами металлов | Водород может восстановить металл из его оксида | CuO + H₂ → Cu + H₂O |
| Получение в лаборатории | Реакция металла с кислотой | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ |
| Получение в промышленности | Переработка природного газа или электролиз воды | 2H₂O → 2H₂ + O₂ |
| Применение | Получение веществ и использование в качестве топлива | Синтез аммиака; энергетические установки |
В таблице удобно сопоставлять свойство водорода с тем, как его получают или используют. Уравнение показывает состав веществ и соотношение частиц в реакции. При работе с газом всегда учитывайте его горючесть и опасность смеси с воздухом.
Задача 1. Запишите формулу простого вещества водорода и уравнение его реакции с кислородом. Нужно помнить, что в природе газ состоит из молекул H₂, а не из отдельных атомов H. Затем подбираем коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпало.
Ответ: H₂; 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Задача 2. Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой и определите, как собрать выделяющийся газ. Металл вытесняет водород из кислоты, поэтому среди продуктов будут соль и H₂. Поскольку водород плохо растворяется в воде, его удобно собирать вытеснением воды.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; газ собирают вытеснением воды. Нельзя проверять неизвестную смесь газа с воздухом открытым огнём: она может взорваться.
Задача 3. Рассчитайте объём водорода, который получится при реакции 6,5 г цинка с избытком соляной кислоты при нормальных условиях. Избыток кислоты означает, что весь цинк может вступить в реакцию. По уравнению реакции один моль цинка даёт один моль водорода, поэтому сначала найдём количество цинка.
Ответ: получится 2,24 л водорода. Проверка: если бы кислоты не хватало, пришлось бы сравнить количества обоих реагентов, но по условию кислота взята в избытке.
Путают химический элемент водород и простое вещество водород: символ H принимают за формулу газа. Так происходит, потому что в названии элемента и газа используется одно слово. Проверяйте, о чём говорится: атом или элемент обозначают H, а молекулы простого вещества — H₂.
В уравнениях реакций записывают водород как H. Часто забывают, что простое вещество состоит из двухатомных молекул, и переносят в уравнение символ отдельного атома. Перед расстановкой коэффициентов проверьте формулы простых веществ: водород записывается H₂, кислород — O₂.
Водород считают негорючим, поскольку он сам не поддерживает горение. Здесь смешивают два разных понятия: водород горит, а кислород поддерживает горение, обеспечивая реакцию. Проверяйте вывод по продукту реакции: при горении водорода в кислороде образуется вода.
Водород собирают над воздухом, не учитывая его горючесть и возможность образования взрывоопасной смеси с кислородом. Ошибку допускают, сосредоточившись только на том, что газ легче воздуха. Перед выбором способа собирания учитывайте не только плотность, но и химические свойства; для чистого газа подходит вытеснение воды.
Для изучения водорода нужны обозначения химических элементов, представления о строении атома и правила составления формул простых веществ. Реакция цинка с кислотой опирается на знания о свойствах металлов, кислот и реакциях замещения. Позже тема поможет разбирать окислительно-восстановительные реакции, в которых одни частицы отдают электроны, а другие их принимают. Свойства водорода также пригодятся при изучении кислот, оснований и способов получения газов.
Почему формула водорода — H₂, а не H?
При обычных условиях атомы водорода соединяются попарно, образуя устойчивые молекулы из двух атомов. Поэтому формула простого вещества — H₂, а H обозначает химический элемент или отдельный атом.
Как отличить свойства атома водорода от свойств газа водорода?
Атом H — частица химического элемента с одним протоном и одним электроном. Газ водород — простое вещество из молекул H₂, и именно для него описывают такие свойства, как горючесть и малая плотность.
Почему водород собирают вытеснением воды?
Водород плохо растворяется в воде и почти не реагирует с ней, поэтому вода не мешает собрать газ. Такой способ позволяет получить его отдельно от воздуха.
Водород горит или поддерживает горение?
Водород горит, соединяясь с кислородом с образованием воды. Сам кислород поддерживает горение, а смесь водорода с кислородом может взрываться.
Какие меры безопасности нужны при получении водорода?
Нельзя подносить к газу открытый огонь, пока не проверено, что в сосуде нет смеси водорода с воздухом. Работают с небольшими количествами газа, используют исправный прибор и защитные очки, а опыт проводят по инструкции учителя.
§ 21. Водород
