"Химия", Габриелян О.С.
Водород — химический элемент с самым лёгким атомом, а его простое вещество H₂ — бесцветный газ, который горит с образованием воды. Его используют как химическое сырьё и топливо, а также для получения металлов из некоторых оксидов. Чтобы понять свойства водорода, нужно различать атом и молекулу, знать способы получения газа и его реакции. При работе с водородом особенно важно помнить: смеси с воздухом или кислородом могут взорваться.
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 ядро имеет заряд +1, а в нейтральном атоме находится один электрон. В Периодической системе он расположен в первом периоде и обычно помещён в первую группу. Эти сведения помогают определить число протонов и понять, почему положение водорода считают особым.
Водород как простое вещество обозначают формулой H₂: его молекула состоит из двух атомов. Буква H обозначает химический элемент или его атом, а формула H₂ — вещество, состоящее из молекул. Это различие нужно учитывать, когда записывают формулы и уравнения реакций.
Изотопы водорода — разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Протий не имеет нейтронов, дейтерий имеет один, а тритий — два и является радиоактивным. Изотопы показывают, что атомы одного элемента могут различаться массой, сохраняя одинаковое число протонов.
Гремучий газ — взрывоопасная смесь водорода с кислородом; смесь водорода с воздухом тоже может быть опасной. При поджигании водород быстро реагирует с кислородом, выделяя тепло, из-за чего давление резко возрастает. Название напоминает о риске, поэтому водород нельзя проверять пламенем в большой ёмкости.
Водород занимает особое положение в Периодической системе, потому что у его атома всего один электрон. По этому признаку его можно условно сопоставить с щелочными металлами, у атомов которых на внешнем уровне тоже один электрон. Однако водород — неметалл и по способности присоединять электрон напоминает галогены, поэтому его свойства нельзя свести к свойствам одной группы.
В атоме водорода один электрон, и двум атомам его не хватает для устойчивой общей оболочки, подобной оболочке благородного газа. При сближении атомов их электроны образуют общую электронную пару, принадлежащую обоим атомам. Так возникает ковалентная связь и молекула H₂, поэтому простое вещество водород двухатомное.
Молекулы H₂ очень лёгкие и слабо притягиваются друг к другу. Поэтому водород имеет малую плотность и низкую температуру кипения: для перехода газа в жидкость достаточно сравнительно сильного охлаждения. Сам газ бесцветен, не имеет запаха и вкуса, а в воде растворяется плохо.
В лаборатории водород получают действием разбавленной кислоты на подходящий металл, например цинк. Металл должен стоять в ряду активности до водорода: такие металлы способны вытеснять его ионы из кислоты, образуя соль и газ H₂. Металлы, стоящие после водорода, обычно не дают такой реакции с разбавленными неокисляющими кислотами.
Для промышленного производства водорода используют природный газ, главным образом метан, или электролиз воды — её разложение электрическим током. Природный газ доступен и позволяет получать большие количества водорода, хотя процесс требует энергии и может сопровождаться выбросами углекислого газа. Электролиз разделяет воду на водород и кислород; его экологичность зависит от того, каким способом получена электроэнергия.
Водород реагирует с кислородом с выделением энергии: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Он взаимодействует и с некоторыми другими неметаллами, например с хлором, а при нагревании способен отнимать кислород у оксидов металлов. Так проявляются восстановительные свойства — способность вещества восстанавливать другое вещество; пример: CuO + H₂ → Cu + H₂O.
Водород нужен как химическое сырьё, в частности для производства аммиака, и как топливо, при сгорании которого образуется вода. Но он легко воспламеняется, а его смеси с воздухом и кислородом взрывоопасны. Поэтому необходимы герметичные установки, проверка на утечки и исключение случайного контакта с огнём.
| Характеристика | Содержание |
|---|---|
| Положение элемента в Периодической системе | Порядковый номер 1; первый период, особое положение в первой группе. |
| Строение атома и молекулы | В атоме один протон и один электрон; молекула простого вещества — H₂. |
| Изотопы | Протий, дейтерий и тритий различаются числом нейтронов. |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха и вкуса; самый лёгкий, малорастворимый в воде. |
| Химические свойства и примеры реакций | Горит: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; восстанавливает оксид меди(II): CuO + H₂ → Cu + H₂O. |
| Получение в лаборатории | Реакция подходящего металла, например цинка, с разбавленной кислотой. |
| Получение в промышленности | Используют природный газ или электролиз воды. |
| Применение и меры безопасности | Химическое сырьё и топливо; нужны защита от утечек и источников воспламенения. |
Таблица помогает быстро сопоставить строение водорода с его свойствами и способами получения. При решении задач особенно полезно сверять формулы реакций и помнить, что коэффициенты показывают соотношение количеств веществ. Сведения о безопасности нужно учитывать при любом упоминании смеси водорода с воздухом или кислородом.
Условие. Запишите уравнение реакции цинка с соляной кислотой и укажите, какой газ выделяется. Цинк стоит в ряду активности до водорода, поэтому может вытеснить его из кислоты. Сначала записываем формулы продуктов, затем проверяем число атомов в левой и правой частях.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; выделяется водород.
Условие. Рассчитайте объём H₂ при н. у., который получится из 6,5 г цинка при избытке HCl. Избыток кислоты означает, что всё количество цинка может прореагировать. По уравнению реакции соотношение Zn и H₂ равно 1:1.
Ответ: при н. у. выделится 2,24 л водорода.
Условие. Найдите объём H₂ при н. у., необходимый для полного восстановления 16 г CuO. В реакции водород забирает кислород у оксида меди(II), поэтому образуются медь и вода. Сначала устанавливаем соотношение веществ по уравнению, а затем переводим количество газа в объём.
Ответ: для восстановления потребуется 4,48 л водорода при н. у.
Путают химический элемент H с простым веществом H₂. Это происходит, когда символ элемента принимают за формулу газа; проверьте, о чём говорится: об атоме или о веществе из молекул. В уравнениях, где участвует газообразный водород, записывают H₂.
Формулу простого вещества иногда записывают как H, забывая о двухатомных молекулах. Проверьте запись по строению молекулы: в одной молекуле два атома водорода, значит, нужна цифра 2 в индексе. Коэффициент перед формулой меняет число молекул, но не состав самой молекулы.
Ошибочно считать, что любая кислота выделяет водород с любым металлом. Часто запоминают общую схему «металл плюс кислота», но не учитывают ряд активности и свойства кислоты. Перед записью реакции проверьте положение металла относительно водорода и уточните, подходит ли выбранная кислота для такой реакции.
Некоторые считают смесь водорода с воздухом безопасной, потому что в ней есть кислород. Но кислород поддерживает горение, а смешение газов может привести к быстрому воспламенению или взрыву. Проверяйте не наличие кислорода, а то, может ли смесь загореться; большие объёмы газа пламенем не испытывают.
Для изучения водорода нужно знать строение атома, различать химический элемент и простое вещество, читать химические формулы. При решении задач пригодятся умение составлять и уравнивать реакции, ряд активности металлов и расчёты по уравнениям. Тема связана с кислотами и металлами, окислительно-восстановительными реакциями, получением газов и химическими источниками энергии.
Почему водород стоит в первой группе, если он не металл?
У атома водорода один электрон, как у атомов щелочных металлов, поэтому его условно помещают в первую группу. Но водород — неметалл: он образует двухатомные молекулы и по некоторым свойствам напоминает галогены. Его положение особое, а не полностью совпадающее с положением металлов.
Чем атом водорода отличается от молекулы водорода?
Атом H — отдельная частица химического элемента с одним протоном в ядре и одним электроном. Молекула H₂ состоит из двух связанных атомов водорода и является частицей простого вещества. Поэтому символ H и формула H₂ обозначают разные объекты.
Почему в лаборатории водород получают реакцией металла с кислотой?
Некоторые металлы вытесняют водород из кислот: атомы металла переходят в раствор, а ионы водорода образуют молекулы H₂. Для этого берут металл, стоящий в ряду активности до водорода, например цинк. Металлы после водорода обычно не вытесняют его из обычных разбавленных кислот.
Как проверить, что выделился водород?
К небольшому количеству собранного газа подносят горящую лучинку: водород вспыхивает с характерным хлопком. Проверку проводят только с малым объёмом газа и соблюдая правила безопасности. Хлопок возникает при быстром сгорании смеси водорода с кислородом воздуха.
Почему водород используют как топливо, если он взрывоопасен?
При сгорании водорода выделяется энергия, а продуктом реакции с кислородом становится вода, поэтому водород рассматривают как перспективное топливо. Опасность связана с тем, что его смеси с воздухом могут быстро воспламениться и взорваться. При использовании нужны герметичное оборудование, контроль утечек и удаление источников огня.
§ 19. Водород
