§ 23. Химические свойства водорода

Определения и обозначения

Горение водорода — реакция водорода с кислородом, при которой образуется вода и выделяется тепло. Её уравнение: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Это понятие помогает понять, почему водород может служить топливом и почему его воспламенение требует осторожности.

Восстановитель — вещество, которое в реакции помогает другому веществу восстановиться, например отнимает у него кислород. В реакциях с оксидами металлов эту роль может выполнять водород: он связывает кислород и превращается в воду. Термин нужен, чтобы описать не только продукт, но и роль каждого участника реакции.

Восстановление — превращение, при котором вещество теряет кислород или получает электроны. Если водород забирает кислород у оксида металла, оксид превращается в металл. Так можно понять, почему металл появляется среди продуктов, а не остаётся частью исходного оксида.

Галогеноводороды — соединения водорода с галогенами, например хлороводород HCl и фтороводород HF. Они образуются при взаимодействии водорода с галогеном; для хлора реакцию начинают освещением или воспламенением смеси. Название помогает узнать целый класс соединений по составу: в каждой формуле есть водород и галоген.

Как это устроено

При взаимодействии водорода с кислородом атомы двух веществ соединяются и образуют молекулы воды. Запишем сначала формулу продукта: H₂O, затем схему H₂ + O₂ → H₂O. Слева два атома кислорода, поэтому ставим 2 перед H₂O; справа теперь четыре атома водорода, значит, ставим 2 перед H₂. Получается 2H₂ + O₂ → 2H₂O: число атомов каждого элемента с обеих сторон одинаково. Реакция выделяет много тепла, а в смеси газов окислитель и горючее уже перемешаны, поэтому воспламенение может вызвать очень быстрое сгорание и взрыв.

Водород соединяется с галогенами, образуя галогеноводороды. Например, молекула водорода реагирует с молекулой хлора по уравнению H₂ + Cl₂ → 2HCl. Смесь водорода с хлором может реагировать на свету: свет помогает запустить процесс, поэтому условие реакции нельзя опускать. Образовавшийся хлороводород — газ; растворившись в воде, он образует соляную кислоту.

Сера при нагревании соединяется с водородом, образуя сероводород: H₂ + S → H₂S. Для начала реакции требуется нагревание, которое помогает частицам преодолеть препятствие для химического превращения. Водород реагирует и с азотом, но получить аммиак сложнее: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Прочность связи между атомами азота затрудняет реакцию, поэтому нужны повышенные температура и давление, а также катализатор; знак ⇌ показывает, что процесс обратим.

Водород способен взаимодействовать с некоторыми оксидами металлов при нагревании. Например, при пропускании водорода над оксидом меди(II) кислород переходит от CuO к водороду: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Из оксида выделяется медь, а водород образует воду. Оксид меди теряет кислород и восстанавливается, поэтому водород называют восстановителем; в этой реакции он сам окисляется.

Уравнение реакции помогает одновременно установить продукты и проверить состав веществ. Сначала нужно определить, какие частицы могут образоваться при данном сочетании реагентов, а затем составить формулы продуктов. После этого уравнивают число атомов коэффициентами, не меняя индексы внутри формул. Наконец, указывают условия реакции и роль водорода: он может быть горючим веществом или восстановителем, а в других реакциях просто образует соединение с неметаллом.

Химические свойства водорода

В таблице собраны распространённые примеры: ищи строку по веществу, с которым реагирует водород, и сверяй продукты с уравнением. Условия показывают, что именно помогает реакции начаться или идти быстрее. Роль водорода описана для конкретного случая, поэтому не переноси её автоматически на все реакции.

Разбор задач

Задача 1. Запишите и уравняйте реакцию горения водорода в кислороде. Укажите продукт реакции. Нужно сначала понять, какое вещество получится при соединении водорода с кислородом, а затем проверить баланс атомов.

1. Продукт реакции водорода с кислородом — вода, её формула H₂O. Записываем схему H₂ + O₂ → H₂O.
2. Слева два атома кислорода, поэтому ставим коэффициент 2 перед водой: H₂ + O₂ → 2H₂O. Теперь справа четыре атома водорода.
3. Чтобы уравнять водород, ставим коэффициент 2 перед H₂. Получаем 2H₂ + O₂ → 2H₂O; число атомов обоих элементов совпадает.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; продукт — вода.

Задача 2. Запишите уравнение взаимодействия водорода с хлором и укажите условия реакции. По составу реагентов можно предположить, что образуется соединение водорода с галогеном — хлороводород.

1. Записываем формулы реагентов: H₂ и Cl₂. Формула продукта — HCl, поскольку в молекуле хлороводорода один атом каждого элемента.
2. В левой части по два атома водорода и хлора. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы сохранить количество атомов: H₂ + Cl₂ → 2HCl.
3. Указываем условие начала реакции: смесь водорода и хлора реагирует при освещении; реакция может начаться и при воспламенении. Проверка показывает, что по два атома каждого элемента есть с обеих сторон.

Ответ: H₂ + Cl₂ → 2HCl; реакцию инициируют освещением или воспламенением.

Задача 3. При нагревании водород пропустили над оксидом меди(II). Запишите уравнение, назовите продукты и определите, какое вещество восстановилось. Здесь важно проследить, куда переходит кислород из оксида.

1. Оксид меди(II) имеет формулу CuO. Водород связывает кислород, поэтому среди продуктов будет вода H₂O, а из оксида выделится медь Cu.
2. Записываем CuO + H₂ → Cu + H₂O. Слева и справа по одному атому меди, кислорода и два атома водорода, значит, коэффициенты равны единице.
3. CuO потерял кислород и превратился в Cu. Следовательно, восстановился оксид меди(II), а водород выступил восстановителем и сам образовал воду.

Ответ: CuO + H₂ → Cu + H₂O; продукты — медь и вода, восстановился оксид меди(II).

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что водород всегда только горит. В реакции с оксидом металла он не просто горючее: он забирает кислород и выступает восстановителем. Так думают, если запоминают лишь реакцию с кислородом; проверь себя вопросом, меняется ли состав оксида в уравнении.

Неверно записывать воду продуктом реакции водорода с любым веществом. С хлором получается HCl, с серой — H₂S, а с азотом — NH₃; продукт зависит от реагента. Ошибка возникает, когда свойство одной реакции переносят на все остальные, поэтому сначала составь формулу продукта по составу реагентов.

Ещё одна ошибка — забывать условия реакции. Некоторые превращения требуют нагревания, а взаимодействие с хлором может запускаться освещением; без этих сведений описание неполно. Сверяй условия с конкретной реакцией и не считай, что водород одинаково легко реагирует со всеми веществами.

Нельзя уравнивать реакцию, изменяя индексы в формулах. Например, замена H₂O на H₂O₂ превратила бы воду в другое вещество, а не исправила число атомов. Сначала оставь формулы веществ неизменными, расставь коэффициенты перед ними и проверь баланс каждого элемента.

Связь с другими темами

Для чтения уравнений нужны знания о простых веществах, формулах и правилах составления реакций. Понятие восстановителя связывает свойства водорода с окислительно-восстановительными реакциями; для более точного разбора полезно уметь определять степени окисления. Эти знания применяются при изучении способов получения металлов из руд, когда соединения металлов превращают в свободные металлы. Они также помогают понимать использование водорода как реагента и топлива.

Что запомнить

• При горении водорода в кислороде образуется вода.
• Смесь водорода с кислородом может быть взрывоопасной.
• Водород реагирует с некоторыми неметаллами, образуя соединения.
• В реакциях с оксидами металлов водород может быть восстановителем.
• При восстановлении оксида металла образуются металл и вода.
• Продукты и условия реакции зависят от вещества, с которым взаимодействует водород.