"Химия", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. (изд. Астрель)
Водород — химический элемент H, а его простое вещество состоит из двухатомных молекул H₂. История его изучения связана с опытами Парацельса, Бойля, Кавендиша и Лавуазье. В лаборатории водород получают, например, действием кислоты на цинк, а выделяющийся газ собирают над водой. Он бесцветен, не имеет запаха, мало растворяется в воде и легче воздуха — эти свойства помогают распознавать его и выбирать способ сбора.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — химический элемент с обозначением H. Он входит в состав воды и многих других веществ, а в природе встречается как в соединениях, так и в виде простого вещества. Название элемента не означает, что любой атом водорода уже является газом: свойства зависят от того, с какими частицами он связан. Различие между элементом и веществом помогает правильно читать формулы.
Простое вещество водород — газ, состоящий из молекул H₂. В формуле нижний индекс 2 показывает, что в каждой молекуле соединены два атома одного и того же элемента. Поэтому нельзя обозначать молекулу газа одной буквой H: такая запись соответствует одному атому, а не обычной частице водорода. Индекс относится к числу атомов внутри молекулы.
Молекула водорода — частица H₂, состоящая из двух связанных атомов водорода. Связь удерживает атомы вместе, поэтому в химических уравнениях молекула водорода выступает как единая частица. Это понятие нужно, чтобы понимать, почему при записи реакции справа ставят H₂, а не H. Число атомов при этом должно сохраняться.
Лабораторное получение водорода — выделение этого газа в результате химической реакции, например при взаимодействии металла с кислотой. Так получают небольшие количества газа для опытов, а не добывают уже готовый водород из воздуха. Пузырьки показывают, что образуется газообразный продукт. Запись уравнения позволяет установить, какие вещества вступили в реакцию и что получилось.
В древности и в средние века учёные замечали, что при действии кислоты на некоторые металлы выделяется горючий газ. Парацельс описывал это явление, но ещё не мог объяснить, что за газ появляется и какова его природа. Позднее Бойль исследовал получавшийся «горючий воздух» в опытах с металлами и кислотами. Эти наблюдения стали важным шагом: газ перестали считать просто случайным дымом или паром.
В XVIII веке Кавендиш собрал и подробно исследовал этот газ, измерял его свойства и сравнивал с другими газами. Он показал, что это особый вид горючего воздуха, хотя объяснение его состава тогда ещё не было полным. Лавуазье провёл опыты, в которых водород соединялся с кислородом с образованием воды. Из этого он сделал вывод о составе воды и назвал элемент hydrogen, то есть «рождающий воду»; по-русски закрепилось название «водород».
Кислота содержит водород в составе своих частиц, а некоторые металлы способны вытеснять его при реакции. Поэтому металл, например цинк, постепенно расходуется, а водород выходит из раствора в виде пузырьков. Не любой металл реагирует с любой кислотой одинаково: для школьного опыта выбирают подходящие вещества. Реакция цинка с соляной кислотой даёт хлорид цинка и водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
Для опыта металл помещают в прибор для получения газа и добавляют кислоту так, чтобы реакция шла без разбрызгивания. Выделяющийся водород направляют по газоотводной трубке в сосуд для сбора. Работают в защитных очках, не наклоняются над прибором и не подносят к нему пламя: смесь водорода с воздухом может быть опасна. Опыт проводят только с разрешения учителя и по его инструкции.
Водород можно собирать над водой: газ подают в перевёрнутый, заполненный водой сосуд, и он вытесняет воду наружу. Этот способ подходит потому, что водород растворяется в воде плохо, хотя не абсолютно нерастворим. Газ также значительно легче воздуха и поднимается вверх, поэтому при сборе вытеснением воздуха сосуд располагают с учётом этого свойства. Водород бесцветен и не имеет запаха, так что его нельзя надёжно распознать по внешнему виду или запаху.
| Свойство | Характеристика |
|---|---|
| Агрегатное состояние при обычных условиях | Газ |
| Цвет и запах | Бесцветный, без запаха |
| Плотность по сравнению с воздухом | Меньше: водород легче воздуха |
| Растворимость в воде | Малая, но не равная нулю |
| Состав молекулы | Два атома водорода, формула H₂ |
Сначала определите, какое свойство требуется вспомнить, а затем найдите его характеристику в соседней ячейке. Например, малая растворимость объясняет сбор газа над водой, а меньшая плотность по сравнению с воздухом помогает выбрать положение сосуда при сборе вытеснением воздуха. Формула H₂ показывает состав молекулы, а не число молекул.
Условие. Назовите учёных, внесших вклад в изучение водорода, и укажите, что выяснил каждый из них. Нужно различить наблюдение газа, исследование его свойств и установление его состава. Не стоит приписывать всем учёным одно и то же открытие.
Ответ. Парацельс наблюдал выделение горючего газа; Бойль и Кавендиш изучали его, а Лавуазье установил связь водорода с составом воды и назвал элемент. Эти этапы показывают, как наблюдение постепенно превратилось в научное объяснение.
Условие. Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой и назовите образующийся газ. В реакции металл вытесняет водород из кислоты, а второй продукт — соль. Сначала запишите формулы веществ, затем проверьте число атомов по обе стороны стрелки.
Ответ. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Образующийся газ — водород; стрелка вверх показывает, что он выделяется. Число атомов каждого элемента в уравнении сохранено.
Условие. Предложите способ собрать водород, полученный реакцией металла с кислотой, и объясните выбор. Учитывайте растворимость газа в воде и его плотность относительно воздуха. Нужно не только назвать способ, но и связать его с физическими свойствами.
Ответ. Водород собирают над водой в перевёрнутый сосуд. Способ подходит из-за малой растворимости газа; утверждать, что водород совсем не растворяется, неверно. Его меньшая плотность по сравнению с воздухом подтверждает, что газ легче воздуха.
Путают водород как химический элемент и простое вещество. Причина — одно название используют и для элемента, и для газа, но обозначения различаются: H относится к элементу или атому, H₂ — к молекуле простого вещества. Проверьте себя вопросом: речь об одном атоме или о газе, состоящем из молекул?
Записывают формулу водорода как H, забывая о двух атомах в молекуле. Так происходит, если индекс воспринимают как необязательную деталь. Сверьте запись с определением молекулы: в ней связаны два атома, поэтому формула простого вещества — H₂. Если в уравнении образуется газ, учитывайте именно молекулу.
Считают, что водород совсем не растворяется в воде. Такая формулировка появляется из-за упрощённого объяснения сбора газа над водой. Правильнее говорить, что растворимость мала: газ вытесняет воду, но часть его всё же может раствориться. Проверка — различать слова «плохо растворим» и «нерастворим».
Полагают, что водород тяжелее воздуха. Возможно, это связано с тем, что газ не виден и его плотность нельзя оценить на глаз. В действительности водород легче воздуха, поэтому при сборе вытеснением воздуха учитывают его стремление подниматься. Сверьте выбор способа сбора с данными о плотности, а не с внешним видом газа.
Чтобы разобраться в формулах водорода, нужно различать химический элемент, атом и простое вещество. Знание строения молекулы помогает понимать, почему газ обозначают H₂, а не H. Опыт получения водорода связывает тему с реакциями металлов и кислот, составлением уравнений и способами сбора газов. Эти знания пригодятся при изучении химических свойств водорода и других газообразных веществ.
Кто первым открыл водород?
Единственного учёного, которого можно назвать первым открывателем, нет: выделение горючего газа при действии кислот на металлы наблюдали задолго до того, как поняли его природу. Парацельс описывал такие наблюдения, Бойль исследовал газ, а Кавендиш подробно изучил его свойства. Лавуазье установил, что водород входит в состав воды, и дал ему название.
Почему водород обозначают формулой H₂, а не H?
H обозначает химический элемент или один атом водорода. Простое вещество водород состоит из молекул, каждая из которых содержит два связанных атома, поэтому его формула — H₂.
Как получить водород в школьной лаборатории?
Обычно к цинку добавляют разбавленную соляную кислоту: начинается реакция, и выделяются пузырьки водорода. Опыт проводят в специальном приборе под руководством учителя, вдали от огня. Полученный газ можно собирать над водой.
Почему водород можно собирать над водой?
Водород мало растворяется в воде, поэтому при поступлении в перевёрнутый сосуд он вытесняет из него воду. Растворимость не равна нулю, но для такого способа сбора она достаточно мала.
Почему водород легче воздуха?
Молекулы водорода очень лёгкие: молекула H₂ состоит всего из двух лёгких атомов. Поэтому при одинаковых условиях водород имеет меньшую плотность, чем воздух.
§ 24. История открытия водорода. Получение и физические свойства водорода
