"Химия ", Габриелян О.С, Сивоглазов В.И. и др., Изд. "ДРОФА"
Водород — химический элемент с порядковым номером 1 и самое лёгкое простое вещество, существующее в обычных условиях в виде молекул H₂. Он входит в состав воды, органических веществ и многих соединений, а также используется как сырьё и восстановитель. В параграфе важно понять строение атома водорода, свойства газа, условия его реакций, способы получения и правила безопасного распознавания.
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. В ядре его атома один протон, а вокруг ядра находится один электрон; у самого распространённого изотопа нейтронов нет. В Периодической системе водород стоит в первом периоде, поэтому его положение связано с простейшим строением атома и одной внешней электронной оболочкой.
Молекула водорода H₂ — частица простого вещества, состоящая из двух атомов водорода. При обычных условиях отдельные атомы соединяются попарно, поэтому газообразный водород существует главным образом в молекулярной форме. Запись H обозначает элемент или атом, а H₂ — простое вещество.
Изотопы водорода — разновидности атомов одного элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Протий содержит один протон и не имеет нейтронов, дейтерий имеет один нейтрон, а тритий — два. Такое различие почти не меняет химическую природу атомов, но влияет на массу и некоторые физические свойства.
Гидриды — соединения водорода с другими элементами. Например, NaH — гидрид натрия, CaH₂ — гидрид кальция, а HCl и H₂S относятся к соединениям водорода с неметаллами. Свойства гидридов различаются, потому что зависят от второго элемента и характера связи между атомами.
У атома водорода один электрон на первом энергетическом уровне. Для устойчивого состояния ему достаточно получить ещё один электрон или образовать общую электронную пару с другим атомом. Поэтому водород может иметь степень окисления +1 в соединениях с более электроотрицательными элементами и −1 в гидридах активных металлов.
Два атома водорода сближаются и образуют общую электронную пару. Так возникает ковалентная неполярная связь, потому что атомы одинаково притягивают общие электроны. Молекулы H₂ не имеют постоянного электрического диполя, слабо взаимодействуют с водой и при обычных условиях образуют бесцветный газ без запаха, легче воздуха.
Водород реагирует с кислородом при поджигании или нагревании, а продуктом является вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. С галогенами он образует соответствующие соединения, например H₂ + Cl₂ → 2HCl, причём для реакции с хлором нужен свет. С некоторыми активными металлами при нагревании водород образует гидриды, например 2Na + H₂ → 2NaH.
Условия реакции определяют её скорость и возможность протекания. Смесь водорода с кислородом или воздухом может воспламениться взрывом, поэтому нагревание и поджигание проводят только с малым количеством газа. В темноте и без нагревания многие реакции водорода идут медленно или практически не заметны.
В лаборатории водород получают действием разбавленной кислоты на активный металл, например цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. В промышленности его получают из природного газа, содержащего метан, при взаимодействии с водяным паром. Газ распознают осторожной пробой с горящей лучинкой, а используют как сырьё для химической промышленности и как восстановитель некоторых веществ.
| Аспект | Что указать |
|---|---|
| Положение элемента и строение атома | H, порядковый номер 1; один протон и один электрон |
| Формула простого вещества | H₂, двухатомные молекулы |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, самый лёгкий, плохо растворим в воде |
| Реакция с кислородом | 2H₂ + O₂ → 2H₂O |
| Реакции с другими веществами | С галогенами образует соединения, с активными металлами — гидриды |
| Получение в лаборатории | Действие кислоты на активный металл |
| Получение в промышленности | Переработка природного газа с участием водяного пара |
| Применение | Сырьё, восстановитель, топливо |
Таблицу удобно использовать как краткий план ответа о водороде. Сначала назовите положение элемента и формулу простого вещества, затем перечислите свойства и реакции. В конце укажите способы получения и области применения.
Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой и определите, какой газ выделяется. Цинк вытесняет водород из кислоты, поэтому продуктами будут соль цинка и газообразный водород.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; выделяется водород.
Какой объём водорода при н. у. выделится при реакции 6,5 г цинка с избытком соляной кислоты? Кислота дана в избытке, значит количество водорода определяет цинк.
Ответ: 2,24 л водорода.
При сгорании водорода получили 18 г воды. Рассчитайте объём израсходованного водорода при н. у. Сначала по массе воды определяем её количество, затем используем соотношение веществ в уравнении горения.
Ответ: израсходовано 22,4 л водорода.
Ошибка: смешивать понятия химического элемента и простого вещества. H — обозначение элемента или атома, а H₂ — молекула и формула газа водорода. Проверяйте, о чём говорится в условии: об атомном составе или о веществе.
Ошибка: записывать продукт горения как HO. При составлении формулы нужно учитывать валентности и число атомов, поэтому образуется вода H₂O. После расстановки коэффициентов проверьте число атомов каждого элемента слева и справа.
Ошибка: считать, что водород всегда реагирует мгновенно. Для разных реакций нужны нагревание, свет или катализатор, а без подходящих условий взаимодействие может быть очень медленным. Вспоминайте не только вещества, но и условия реакции над стрелкой.
Ошибка: проверять большой объём водорода открытым огнём. Смесь газа с воздухом взрывоопасна, поэтому огонь подносят только к небольшой порции и после удаления воздуха. Любой опыт проводят в соответствии с правилами безопасности и инструкциями учителя.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, Периодической системе, валентности и степенях окисления. Они объясняют, почему водород образует разные типы соединений и связи.
При получении водорода и решении задач понадобятся навыки составления уравнений реакций и расчётов по ним. Особенно важны понятия количества вещества, молярной массы и молярного объёма газа.
Тема связана с дальнейшим изучением воды, кислот и окислительно-восстановительных реакций. Водород также рассматривают при изучении способов получения металлов, поскольку он может быть восстановителем.
Почему формула простого вещества водорода — H₂, а не H?
Отдельные атомы водорода соединяются попарно, образуя устойчивую двухатомную молекулу H₂. Поэтому H обозначает химический элемент или один атом, а H₂ — простое вещество водород.
Чем атом водорода отличается от молекулы водорода?
Атом водорода H состоит из одного протона и одного электрона, если это нейтральный атом. Молекула H₂ состоит из двух связанных атомов и является частицей простого вещества.
Как в лаборатории получают и распознают водород?
Водород получают действием разбавленной кислоты на активный металл, например цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Газ распознают осторожной пробой с горящей лучинкой: водород сгорает с характерным звуком, но смесь с воздухом взрывоопасна.
Почему водород нельзя проверять огнём в большом количестве?
При смешивании водорода с воздухом образуется взрывоопасная смесь. Открытый огонь может вызвать её резкое воспламенение, поэтому проверяют только небольшую порцию газа и соблюдают правила безопасности.
Чем отличаются протий, дейтерий и тритий?
Это изотопы водорода: у них одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. В ядре протия нет нейтронов, у дейтерия один нейтрон, а у трития два; тритий радиоактивен.
§ 19. Водород
