"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Водород не только горит в кислороде с образованием воды, но и способен отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. В первом случае выделяется энергия, а смесь газов при поджигании может взорваться. Во втором случае металл выделяется из оксида, а водород превращается в воду. Эти реакции помогают понять, что значит восстановление, как распознавать химические превращения и как составлять уравнения с водородом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Восстановительные свойства водорода — способность водорода при некоторых реакциях отнимать кислород у другого вещества. Например, при реакции с оксидом металла кислород переходит к водороду, а из оксида может выделиться металл. Это понятие помогает определить, какую роль водород играет в химическом превращении.
Горение водорода — его реакция с кислородом, при которой образуется вода и выделяется теплота. Для записи используют формулы H₂, O₂ и H₂O. Это определение помогает отличать горение от других реакций водорода и правильно записывать его продукт.
Взрывчатая смесь — смесь водорода с кислородом, которая при поджигании может реагировать очень быстро. Выделившаяся энергия за короткое время нагревает газы и вызывает их расширение. Понимание этого свойства необходимо, чтобы оценивать опасность смеси и соблюдать правила безопасности.
Восстановление оксидов металлов водородом — реакция, при которой водород при нагревании связывает кислород оксида, а металл освобождается. Водород при этом становится водой. Это понятие показывает, как водород может участвовать в получении металлов из их соединений.
При соединении водорода с кислородом образуется вода: словесная схема реакции — водород + кислород → вода. Молекулы простых веществ двухатомны, поэтому формулы реагентов — H₂ и O₂, а формула воды — H₂O. Чтобы уравнять число атомов, перед H₂O ставят коэффициент 2: тогда справа оказывается два атома кислорода. Затем ставят 2 перед H₂, и получается 2H₂ + O₂ → 2H₂O; коэффициенты показывают соотношение частиц, вступающих в реакцию.
Реакция водорода с кислородом сопровождается выделением энергии, но при обычных условиях она не всегда начинается сама. Для запуска требуется преодолеть начальный энергетический барьер — получить энергию, необходимую для начала превращения веществ. Источником этой энергии служат искра или пламя. После поджигания реакция может поддерживаться за счёт выделяемой теплоты.
Если водород и кислород смешаны, поджигание может вызвать особенно быстрое протекание реакции. За короткое время образуется вода и выделяется много теплоты, поэтому газы резко нагреваются и расширяются. Так возникает опасность взрыва, а не просто спокойного горения. Перед опытом нельзя произвольно смешивать газы: нужны предусмотренные условия и строгое соблюдение правил безопасности.
При нагревании водород может взаимодействовать с некоторыми оксидами металлов. Например, в реакции CuO + H₂ → Cu + H₂O кислород из оксида меди(II) соединяется с водородом, а медь остаётся в виде простого вещества. Уравнение уже сбалансировано: по одному атому меди, кислорода и два атома водорода находятся с каждой стороны. Нагревание помогает реакции начаться и пройти заметно.
В реакции с оксидом меди(II) одновременно происходят восстановление и окисление. Оксид теряет кислород и превращается в металл — это восстановление; водород приобретает кислород и становится водой — это окисление. Эти изменения связаны между собой, потому что кислород переходит от одного вещества к другому. Водород называют восстановителем, поскольку именно он вызывает восстановление оксида.
| Реагент | Условия | Продукт | Уравнение реакции | Наблюдение или смысл реакции |
|---|---|---|---|---|
| Кислород | Поджигание смеси | Вода | 2H₂ + O₂ → 2H₂O | Горение с выделением теплоты; смесь может взрываться |
| Оксид меди(II) | Нагревание в токе водорода | Медь и вода | CuO + H₂ → Cu + H₂O | Чёрный оксид превращается в красную медь; водород восстанавливает оксид |
Сначала найди в таблице реагент и условия реакции, затем сравни продукты и уравнение. Наблюдение помогает связать запись реакции с тем, что можно увидеть или объяснить на опыте. Помни: признаки опыта показывают превращение, а уравнение отображает состав и соотношение веществ.
Задача 1. Запишите уравнение реакции водорода с кислородом и расставьте коэффициенты.
Задача 2. При нагревании оксида меди(II) в токе водорода образуются медь и вода. Запишите уравнение и назовите восстановитель.
Задача 3. Какой объём кислорода нужен для полного сгорания 6 л водорода при одинаковых условиях?
Иногда воду записывают как H₂O₂, смешивая её с пероксидом водорода. В формуле воды на один атом кислорода приходятся два атома водорода, а у H₂O₂ состав другой. Проверяй, какое вещество названо в условии: продукт горения водорода — H₂O.
Если не поставить коэффициент 2 перед H₂ или H₂O, число атомов водорода в уравнении не совпадёт. Ошибка появляется, когда проверяют только число атомов кислорода. После расстановки коэффициентов пересчитай каждый элемент отдельно слева и справа, не меняя индексы в формулах.
Неверно говорить, что водород горит без доступа кислорода: горение водорода — это именно его реакция с кислородом. Такую ошибку допускают, если воспринимают пламя как свойство одного вещества, не учитывая реагент. Проверь себя по уравнению: кислород O₂ должен стоять среди исходных веществ.
В реакции с оксидом металла водород не окислитель, а восстановитель. Он забирает кислород у оксида, а сам превращается в воду. Чтобы определить роль вещества, проследи, что с ним произошло: водород приобрёл кислород, поэтому называть его окислителем в этой реакции нельзя.
Для работы с реакциями водорода нужно знать формулы простых веществ и воды, составлять формулы оксидов и уравнивать химические реакции. Эти навыки позволяют верно записать реагенты и продукты, а затем проверить число атомов. Без них нельзя надёжно решать задачи по уравнениям.
Тема связана с кислородом и горением: знакомство с этими понятиями помогает понять, почему для горения водорода нужен кислород и почему выделяется энергия. Знание состава воды помогает объяснить продукт реакции. Уравнение объединяет сведения о составе веществ и их превращении.
Понятие восстановления водородом пригодится при изучении окислительно-восстановительных реакций и способов получения металлов. В таких реакциях важно отслеживать переход кислорода и изменение веществ. Это помогает понимать не только уравнение, но и роль каждого участника процесса.
Почему смесь водорода с кислородом может взорваться?
При поджигании водород быстро реагирует с кислородом, образуя воду и выделяя много энергии. Быстрое выделение теплоты резко нагревает газы, они расширяются, и возникает взрыв.
Почему водород не загорается сам по себе при обычных условиях?
Для начала реакции водорода с кислородом обычно нужен источник зажигания, например пламя или искра. Он сообщает газам энергию, необходимую для запуска реакции; после этого она может продолжаться с выделением теплоты.
Как проверить, уравнено ли уравнение реакции водорода с кислородом?
Посчитай атомы каждого элемента слева и справа от стрелки. В уравнении 2H₂ + O₂ → 2H₂O с обеих сторон по четыре атома водорода и по два атома кислорода.
Что значит, что водород восстанавливает оксид металла?
Это значит, что водород связывает кислород оксида, и из оксида выделяется металл. Сам водород при этом соединяется с кислородом и превращается в воду.
Какие признаки показывают, что водород восстановил оксид меди(II)?
Чёрный оксид меди(II) превращается в красную медь. Также образуется вода: водород забирает кислород у оксида.
§ 23. Химические свойства водорода
