"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Водород — химический элемент с зарядом ядра +1 и самый распространённый элемент во Вселенной. Он входит в состав звёзд и участвует в термоядерных превращениях, а на Земле чаще встречается не как газ, а в составе воды и других соединений. Чтобы не путать элемент с простым веществом, нужно различать вид атомов и вещество, состоящее из этих атомов. У водорода есть три основных изотопа: протий, дейтерий и тритий.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Химический элемент водород — это вид атомов, ядра которых имеют заряд +1, то есть содержат по одному протону. Элемент не следует путать с простым веществом: это не порция газа, а название всех атомов с таким зарядом ядра. Само простое вещество водород обычно состоит из молекул H₂. Различение нужно, чтобы говорить и об атомах водорода в воде, и о газообразном водороде, не смешивая эти понятия.
Изотопы водорода — разновидности атомов одного элемента, у которых одинаковый заряд ядра, но разное число нейтронов. Число протонов определяет элемент, а нейтроны влияют на массу атома. Поэтому изотопы остаются водородом, хотя их ядра имеют разный состав. Понятие изотопов помогает объяснить, почему атомы одного элемента могут отличаться по массе.
Протий — наиболее распространённый изотоп водорода, в ядре которого один протон и нет нейтронов. Его массовое число равно 1, потому что оно складывается из числа протонов и нейтронов. Именно протий составляет почти весь природный водород. Это удобно учитывать, когда приводят характеристики водорода в целом.
Дейтерий и тритий — изотопы водорода с одним и двумя нейтронами соответственно; в каждом ядре по-прежнему один протон. Массовые числа дейтерия и трития равны 2 и 3. Тритий радиоактивен: его ядра со временем распадаются. Сопоставление этих изотопов показывает, что изменение числа нейтронов не меняет химический элемент.
Водород считают самым распространённым химическим элементом во Вселенной, потому что его атомы и ядра присутствуют в огромных количествах в космическом веществе. Они встречаются в межзвёздных газовых облаках, туманностях и звёздах. Распространённость относится к самим атомам элемента, а не только к молекулам газа H₂. В космических условиях водород может существовать в разных состояниях, поэтому его нельзя сводить к одному виду вещества.
Звёзды состоят преимущественно из водорода и гелия, причём водород служит исходным веществом для термоядерных превращений. При очень высокой температуре и давлении ядра водорода соединяются, образуя ядра гелия, а часть энергии выделяется. Именно этот процесс поддерживает излучение звёзд. Поэтому связь водорода со звёздами объясняет не только его присутствие в космосе, но и его роль в жизни звёзд.
На Земле атомы водорода находятся прежде всего в составе воды, органических веществ и других соединений. Например, молекула воды содержит атомы водорода и кислорода, а органические вещества живых организмов включают водород вместе с углеродом и другими элементами. В природе свободный водород H₂ встречается гораздо реже, чем связанный. Это связано с тем, что водород входит в устойчивые соединения и на поверхности Земли не накапливается в больших количествах как лёгкий газ.
Распространённость химического элемента и наличие простого вещества — разные характеристики. Если водород входит в воду, в образце есть атомы химического элемента водорода, но самого простого вещества H₂ в этой воде нет. Напротив, в молекуле H₂ атомы водорода образуют простое вещество. Такое различие позволяет точно описывать состав вещества и не говорить, что всякий водород — это газ.
В космосе водород занимает особое место как наиболее распространённый элемент и важная составляющая звёзд и газовых облаков. На Земле он тоже широко присутствует, но главным образом в составе соединений, а не в свободном состоянии. Поэтому неверно сравнивать количество водорода на Земле только по наличию газа H₂. При сравнении нужно уточнять, обсуждаем ли мы элемент в составе всех веществ или именно простое вещество.
| Признак | В космосе | На Земле |
|---|---|---|
| Распространённость | Самый распространённый химический элемент Вселенной. | Широко распространён в составе веществ, но не является основным компонентом земной атмосферы. |
| Основные места и формы нахождения | Газовые облака, туманности и звёзды; атомы, молекулы и ионизованное вещество. | Вода, органические вещества и другие соединения. |
| Свободное состояние или состав соединений | Встречается как свободный водород в космическом веществе и как часть звёздного вещества. | Преимущественно связан в соединениях; свободный H₂ сравнительно редок. |
| Роль и значение | Входит в состав звёзд и участвует в термоядерных превращениях. | Входит в состав воды и веществ живых организмов и неживой природы. |
Сначала определите, о чём говорит строка: о распространённости элемента, его форме или роли. Затем сравните соответствующие ячейки, не принимая присутствие атомов водорода в соединениях за наличие газа H₂. Таблица показывает, что один и тот же элемент может быть распространён в обоих местах, но находиться в разных формах.
Задача 1. Укажи, где водород находится в составе простого вещества, а где — в составе сложного: газовое облако из молекул H₂, вода, звезда. Нужно выяснить, состоят ли частицы из атомов только одного элемента или водород входит в соединение с другими элементами. Важно различать элемент и форму существования вещества. Рассмотрим каждый случай отдельно.
Ответ: в облаке молекул H₂ водород представлен простым веществом, в воде — элементом в составе сложного вещества; звезда состоит из смеси веществ и не является простым веществом водорода.
Задача 2. Определи число протонов и нейтронов в атомах протия, дейтерия и трития. У водорода заряд ядра +1, значит, каждый его атом содержит один протон. Массовые числа этих изотопов равны соответственно 1, 2 и 3. Чтобы найти число нейтронов, вычти число протонов из массового числа.
Ответ: протий — 1 протон и 0 нейтронов; дейтерий — 1 протон и 1 нейтрон; тритий — 1 протон и 2 нейтрона.
Задача 3. В условном образце содержатся 8 атомов протия и 2 атома дейтерия. Найди долю каждого изотопа среди всех атомов водорода. Сначала нужно сложить числа атомов обоих видов, а затем каждое число разделить на полученную сумму. Для перевода доли в проценты результат умножают на 100%.
Ответ: протий составляет 0,8, или 80% атомов, а дейтерий — 0,2, или 20%. Проверка: доли в сумме дают 1, а проценты — 100%.
Ошибочно считать слова «водород» и «простое вещество водород» полностью взаимозаменяемыми: первое обозначает вид атомов, второе — вещество из этих атомов. Путаница возникает потому, что одним словом в быту часто называют газ H₂. Проверь себя: если речь о воде, водород там есть как элемент, но не как отдельное простое вещество. Если частицы — молекулы H₂, речь именно о простом веществе.
Неверно утверждать, что на Земле водорода мало, не уточняя, что имеется в виду свободный газ. Такой вывод делают, если замечают, что в воздухе почти нет H₂, но не учитывают воду и другие соединения. Проверь, о какой форме говорится: свободном водороде или атомах элемента в составе веществ. В соединениях водород на Земле распространён широко.
Изотопы нельзя считать разными химическими элементами: у них совпадает число протонов, а отличается число нейтронов. Ошибка возникает, когда различие массы принимают за различие элемента. Чтобы проверить принадлежность, посчитай протоны в ядре: у протия, дейтерия и трития их по одному. Значит, все три разновидности относятся к водороду.
Нельзя говорить, что дейтерий и тритий отличаются зарядом ядра: он у них одинаков и равен +1. Изотопы различаются числом нейтронов, которое увеличивается от протия к тритию. Проверь себя по составу ядер: 1 протон есть у каждого, а нейтронов соответственно 0, 1 и 2. Если число протонов меняется, это уже был бы другой химический элемент.
Чтобы разбирать изотопы, нужно знать строение атома: ядро состоит из протонов и нейтронов, а заряд протона равен +1. Массовое число — сумма числа протонов и нейтронов, поэтому с его помощью находят состав ядра. Также важно различать простые и сложные вещества и сам химический элемент. Эти знания пригодятся при изучении атомной массы, радиоактивности и применения водорода и его изотопов.
Почему водорода так много во Вселенной?
Водород образовался в большом количестве на ранних этапах развития Вселенной. Его атомы и ядра входят в состав космических газовых облаков и звёзд, поэтому элемент широко распространён.
Почему на Земле водород часто встречается, но свободного водорода мало?
Атомы водорода легко входят в состав соединений и на Земле связаны прежде всего в воде и органических веществах. Свободный газ H₂ лёгкий и обычно не накапливается у поверхности планеты, поэтому его здесь сравнительно мало.
Чем химический элемент водород отличается от газа водорода?
Химический элемент водород — это вид атомов с зарядом ядра +1. Газ водород, или H₂, — простое вещество, молекулы которого состоят из двух таких атомов.
Чем протий, дейтерий и тритий отличаются друг от друга?
У ядер всех трёх изотопов по одному протону, но разное число нейтронов. У протия нейтронов нет, у дейтерия один, у трития два; тритий радиоактивен.
Почему изотопы водорода относятся к одному химическому элементу?
Принадлежность атома к элементу определяет заряд ядра, то есть число протонов. У протия, дейтерия и трития оно одинаково — один протон, поэтому все они являются изотопами водорода.
Химический элемент водород в космосе и на Земле (дополнительный материал к § 52)
