"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Водород — химический элемент с самым маленьким порядковым номером и простое вещество из молекул H₂. Он входит в состав воды и многих веществ живых организмов, а во Вселенной его особенно много. Водород применяют в химической промышленности и рассматривают как топливо. Чтобы понять его свойства, нужно связать их с устройством молекулы, научиться записывать реакции получения и горения и помнить о взрывоопасности смеси газа с воздухом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — химический элемент с порядковым номером 1; его обозначают символом H, а относительная атомная масса Ar ≈ 1. Порядковый номер показывает заряд ядра: оно содержит один протон. Такая запись помогает найти элемент в периодической таблице и понять строение его атома.
Молекула водорода — двухатомная частица H₂, состоящая из двух атомов водорода. Нижний индекс 2 показывает число атомов в молекуле, а не заряд частицы. Это обозначение важно, чтобы правильно записывать формулы веществ и уравнения реакций.
Изотопы водорода — разновидности атомов одного элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Их называют протием, дейтерием и тритием: у протия нейтронов нет, у дейтерия один, у трития два. Понятие изотопов объясняет, почему атомы одного элемента могут иметь разную массу, сохраняя свойства элемента.
Водород — простое вещество, формула которого H₂, а молярная масса равна 2 г/моль. Простое вещество образовано атомами одного химического элемента, но его частицы здесь состоят из двух атомов. Молярная масса нужна для расчётов количества вещества, массы и объёма газа.
Водород стоит первым в периодической таблице, потому что заряд его ядра равен +1. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому у атома водорода один электрон. Простое строение делает водород удобным примером для изучения атома и химической связи.
Одинокому атому водорода не хватает ещё одного электрона для заполнения первого электронного слоя. Два атома могут пользоваться общей парой электронов, образуя молекулу H₂. Поэтому в обычных условиях водород как простое вещество состоит из молекул, а не из отдельных атомов.
Водород широко распространён во Вселенной: он входит в состав звёзд и межзвёздного вещества. На Земле его чаще находят не в виде свободного газа, а в составе воды и органических веществ. Причина в том, что атомы водорода легко соединяются с атомами других элементов.
При обычных условиях водород — газ без цвета и запаха; его молекулы очень лёгкие, поэтому плотность газа мала. Молекулы слабо взаимодействуют между собой и с водой, отчего водород плохо растворяется в ней. Эти свойства позволяют собирать газ над водой и объясняют, почему он быстро поднимается вверх в воздухе.
В лаборатории водород получают, например, взаимодействием цинка с разбавленной соляной кислотой: металл вытесняет водород из кислоты. В промышленности его получают переработкой природного газа, а также электролизом воды — разложением воды электрическим током. Выбор способа зависит от масштаба производства, доступного сырья и затрат энергии.
Водород реагирует с кислородом, образуя воду, а также соединяется с некоторыми неметаллами. При нагревании он может отнимать кислород у оксидов некоторых металлов, то есть восстанавливать их до металлов. Для реакции с кислородом нужен источник воспламенения; смесь водорода с воздухом или кислородом при подходящем составе взрывоопасна, поэтому газ сначала проверяют на чистоту.
| Характеристика | Содержание |
|---|---|
| Положение элемента в периодической таблице и строение атома | Порядковый номер 1; в ядре один протон, у нейтрального атома один электрон. |
| Формула простого вещества и молярная масса | H₂; M(H₂) = 2 г/моль. |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, с малой плотностью; слабо растворяется в воде. |
| Нахождение в природе | Входит в состав воды, органических веществ и космического вещества. |
| Получение в лаборатории | Реакция некоторых металлов, например цинка, с разбавленными кислотами. |
| Промышленное получение | Переработка природного газа и электролиз воды. |
| Реакция с кислородом | При воспламенении образуется вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. |
| Реакции с другими веществами | Соединяется с некоторыми неметаллами и восстанавливает оксиды металлов при нагревании. |
| Применение | Химическое производство, обработка веществ и металлов; возможное топливо. |
| Правила безопасности | Не поджигать смесь газа с воздухом; перед проверкой на горючесть убедиться в чистоте водорода. |
Таблица помогает быстро сопоставить строение водорода с его свойствами и способами получения. Для решения задач особенно полезны формула H₂, молярная масса и уравнения реакций. Сведения о безопасности нужно учитывать при любом опыте с горючим газом.
Найдём относительную плотность водорода по воздуху и объём 0,5 моль H₂ при нормальных условиях. Относительная плотность газов равна отношению их молярных масс: D(H₂/воздух) = M(H₂)/M(воздуха). При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль.
Запишем молярные массы: M(H₂) = 2 г/моль, M(воздуха) ≈ 29 г/моль. Тогда D = 2/29 ≈ 0,069, то есть около 0,07. Значение меньше единицы подтверждает, что водород намного легче воздуха.
Для объёма используем V = n · Vm. Подставляем n = 0,5 моль и Vm = 22,4 л/моль: V = 0,5 · 22,4 = 11,2 л. Ответ: относительная плотность около 0,07; объём равен 11,2 л.
Запишем реакции цинка с соляной кислотой и горения водорода. В первом случае цинк вытесняет водород из кислоты, поэтому образуются соль и H₂. Во втором водород соединяется с кислородом с образованием воды.
Сначала записываем схему: Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂. В продукте ZnCl₂ два атома хлора, поэтому ставим коэффициент 2 перед HCl: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Проверка показывает, что с обеих сторон равны числа атомов каждого элемента.
Для горения составляем схему H₂ + O₂ → H₂O. Чтобы уравнять кислород, ставим 2 перед H₂O, а затем 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Нужно получить 4,48 л H₂ при нормальных условиях, кислота взята в избытке. Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Из него видно, что один моль цинка даёт один моль водорода.
Найдём количество водорода по формуле n = V/Vm. Получаем n(H₂) = 4,48/22,4 = 0,2 моль. Такое же количество вещества нужно цинка: n(Zn) = 0,2 моль.
Молярная масса цинка равна примерно 65 г/моль, поэтому m = n · M = 0,2 · 65 = 13 г. Ответ: для реакции потребуется 13 г цинка. Избыток кислоты означает, что её количества достаточно и она не ограничивает выход газа.
Записывать формулу простого вещества как H вместо H₂ — значит забывать, что молекула водорода состоит из двух атомов. Такую ошибку допускают, путая символ элемента с формулой вещества. Перед записью реакции проверьте, не существует ли простое вещество в виде двухатомных молекул.
Иногда говорят, что водород лёгкий, но не сравнивают его с воздухом. Между тем D(H₂/воздух) ≈ 2/29 ≈ 0,07, то есть плотность водорода составляет лишь небольшую часть плотности воздуха. Проверяйте вывод расчётом: если относительная плотность меньше единицы, первый газ легче второго.
Неверно утверждать, что водород всегда горит взрывом. Взрывоопасной становится смесь водорода с воздухом или кислородом при определённом составе и наличии источника воспламенения. Чтобы проверить себя, разделяйте понятия «горение водорода» и «взрыв смеси», а опыт проводите только по правилам безопасности.
Не каждый металл вытесняет водород из разбавленной кислоты, а концентрированные и окисляющие кислоты могут вести себя иначе. Ошибка возникает, когда правило для активных металлов без проверки распространяют на любые металл и кислоту. Сверяйте условия реакции и учитывайте, что в школьном опыте используют подходящий металл и разбавленную кислоту.
Для изучения водорода нужно знать строение атома, различать химический элемент и простое вещество, понимать валентность и уметь составлять формулы. При записи реакций пригодятся правила уравнивания уравнений: число атомов каждого элемента сохраняется. Расчёты связывают формулу вещества с молярной массой, количеством вещества и объёмом газа.
Тема водорода помогает разбираться в составе воды, свойствах кислот и основаниях, а также в окислительно-восстановительных реакциях. Получение газа электролизом связано с изучением электрического тока и химических превращений. Знания о горении и производстве водорода нужны для обсуждения его применения как топлива.
Почему формула водорода записывается как H₂, а не H?
Атом водорода содержит один электрон и стремится к более устойчивому состоянию, когда рядом есть ещё один электрон. Поэтому два атома объединяются в молекулу, а формула простого вещества записывается как H₂. Символ H обозначает химический элемент или отдельный атом.
Почему водород называют самым лёгким газом?
Молекула H₂ состоит всего из двух самых лёгких атомов, поэтому её молярная масса равна 2 г/моль. Это намного меньше средней молярной массы воздуха — примерно 29 г/моль. Относительная плотность водорода по воздуху составляет около 0,07.
Как доказать, что получен именно водород?
К небольшому количеству газа подносят горящую лучинку: водород воспламеняется с характерным хлопком. Проверку проводят только с малым количеством газа и после того, как убедились, что он достаточно чистый. Смесь водорода с воздухом может взорваться.
Почему смесь водорода с воздухом взрывоопасна?
В воздухе есть кислород, с которым водород быстро реагирует при воспламенении. При реакции выделяется много тепла, а газообразные вещества резко нагреваются и расширяются. Опасность зависит от состава смеси и наличия источника воспламенения: сам по себе водород не всегда горит взрывом.
Где водород применяют и почему его рассматривают как перспективное топливо?
Водород используют в химическом производстве, например при получении аммиака, а также при обработке некоторых веществ и металлов. При его сгорании образуется вода, поэтому он рассматривается как возможное топливо с низкими выбросами углекислого газа непосредственно при использовании. Однако производство и хранение водорода требуют энергии и строгих мер безопасности.
§ 21. Водород
