§ 19. Водород — химический элемент и простое вещество

Определения и обозначения

Химический элемент водород — это вид атомов с зарядом ядра +1; его обозначение — H, порядковый номер — 1. Иначе говоря, любой атом этого элемента содержит один протон. Такое определение помогает отличать элемент от вещества, в котором его атомы находятся.

Атом водорода — частица, в ядре которой находится один протон, а вокруг ядра — один электрон, если атом нейтрален. Число нейтронов зависит от изотопа: у обычного протия их нет, у других изотопов они есть. Это различие понадобится при чтении записи изотопа и подсчёте частиц.

Простое вещество водород — вещество, состоящее из атомов одного химического элемента. Его формула — H₂, потому что частица такого вещества содержит два атома водорода. Обозначение формулы нужно, чтобы отличать простое вещество от атомов водорода в составе соединений.

Молекула водорода — частица из двух связанных атомов водорода, её обозначают H₂. Индекс 2 в формуле показывает число атомов в молекуле, а не заряд или порядковый номер элемента. Это позволяет понять, сколько атомов входит в частицу простого вещества.

Как это устроено

В Периодической системе водород стоит под номером 1. Порядковый номер сообщает число протонов в ядре, поэтому ядро водорода имеет заряд +1. У нейтрального атома положительный заряд ядра уравновешен одним отрицательно заряженным электроном, и суммарный заряд равен нулю.

У единственного электрона водорода первый энергетический уровень, на котором может находиться не более двух электронов. Атом может образовать химическую связь, участвуя в совместном использовании электронов с другим атомом. Так два атома водорода удерживаются вместе в молекуле H₂; связь позволяет частице существовать как целому.

Слово «водород» может обозначать и химический элемент, и простое вещество, поэтому смысл определяют по контексту и записи. Символ H указывает на элемент или один атом, а формула H₂ — на молекулы простого вещества. Например, в воде присутствуют атомы элемента водорода, но сама вода не является водородом H₂.

Изотопы — разновидности атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. У водорода это протий ¹₁H, дейтерий ²₁H и тритий ³₁H: у них соответственно ноль, один и два нейтрона. Поскольку число протонов у всех равно единице, все они остаются атомами одного и того же элемента.

Число в клетке Периодической системы — относительная атомная масса — учитывает природную смесь изотопов и их распространённость. Это среднее значение, а не масса конкретного атома, поэтому оно может быть дробным. Массовое число отдельного изотопа, напротив, целое: оно равно сумме протонов и нейтронов этого атома.

Химический элемент водород и простое вещество водород

Сравнивайте столбцы слева направо: так видно, что обозначает понятие и какие частицы ему соответствуют. Строка «Изотопы» относится к атомам данного элемента, а не к разным формулам простого вещества. При чтении формулы H₂ учитывайте индекс: одна молекула содержит два атома.

Разбор задач

Задача 1. Определите, где говорится о химическом элементе, а где — о простом веществе: «Вода содержит водород», «Водород взаимодействует с кислородом».

1. В составе воды H₂O указаны атомы водорода, связанные с кислородом в соединении. Это химический элемент водород, а не отдельное простое вещество.
2. Во втором предложении говорится о водороде как веществе, вступающем в реакцию с кислородом. Его формула H₂.

Ответ: вода содержит химический элемент водород; во втором предложении имеется в виду простое вещество H₂.

Задача 2. Для атома дейтерия укажите число протонов, нейтронов и электронов. Используйте обозначение ²₁H.

1. Нижний индекс 1 — порядковый номер, он показывает число протонов: один.
2. Верхний индекс 2 — массовое число, то есть сумма протонов и нейтронов. Вычитаем из него число протонов: 2 − 1 = 1 нейтрон.
3. Если атом нейтрален, электронов столько же, сколько протонов. Значит, электрон тоже один.

Ответ: у атома дейтерия один протон, один нейтрон и один электрон.

Задача 3. Рассчитайте относительную молекулярную массу H₂ и сравните её с относительной атомной массой водорода в Периодической системе.

1. В одной молекуле H₂ два атома водорода, поэтому нужно сложить их относительные атомные массы.
2. Приближённо относительная атомная масса водорода равна 1, а относительная молекулярная масса H₂: 2 × 1 = 2.
3. В таблице указана не масса молекулы H₂, а средняя относительная атомная масса водорода с учётом изотопов. Поэтому её значение близко к 1 и не обязано быть целым.

Ответ: Mr(H₂) ≈ 2; это примерно вдвое больше относительной атомной массы одного атома водорода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать H и H₂ взаимозаменяемыми. Её допускают, потому что в обоих обозначениях есть буква H, но индекс 2 меняет смысл: H — элемент или один атом, H₂ — молекула простого вещества. Проверьте себя: если речь идёт об одной частице простого водорода, в формуле должен быть индекс 2.

Порядковый номер иногда путают с массовым числом, поскольку оба числа могут стоять рядом с обозначением элемента. Но порядковый номер равен числу протонов, а массовое число складывается из протонов и нейтронов. Проверка проста: массовое число не может быть меньше порядкового, а их разность показывает число нейтронов.

Можно ошибочно предположить, что у всех изотопов водорода одинаковое число нейтронов. На самом деле одинаково число протонов, а нейтронов у протия, дейтерия и трития соответственно 0, 1 и 2. Чтобы проверить ответ, сравните массовые числа при неизменном порядковом номере 1.

Не всякое вещество, содержащее водород, является простым веществом H₂. Ошибка возникает, когда наличие атомов элемента принимают за наличие отдельного вещества. Посмотрите на формулу: в H₂O водород — часть соединения, а простое вещество записывается формулой H₂.

Связь с другими темами

Для работы с темой нужно уметь читать клетку Периодической системы: порядковый номер связан с числом протонов, а относительная атомная масса может учитывать изотопный состав. Также важно различать атом, молекулу, химический элемент и простое вещество — тогда символ H и формулу H₂ не перепутаешь. Эти знания пригодятся при изучении химических формул, изотопов, химических связей и свойств водорода.

Что запомнить

• Обозначение химического элемента водорода — H.
• Порядковый номер водорода равен 1.
• В ядре атома водорода один протон.
• Нейтральный атом водорода содержит один электрон.
• Простое вещество водород состоит из молекул H₂.
• Изотопы водорода имеют одинаковое число протонов и разное число нейтронов.