§ 25. Химические свойства водорода. Применение водорода. Получение водорода и изучение его свойств

Определения и обозначения

Водород как простое вещество — газ, молекулы которого состоят из двух атомов и записываются формулой H₂. Он бесцветен, не имеет запаха и является самым лёгким газом. Это описание относится к веществу, а не к отдельному атому, поэтому в уравнениях реакций газ обозначают именно H₂. Так различают свойства вещества и состав химического элемента.

Горение водорода — его взаимодействие с кислородом, при котором образуется вода. Для начала реакции газ нужно воспламенить или нагреть; при горении выделяется тепло, а в достаточно чистом кислороде водород горит голубоватым пламенем. Понимание условий помогает отличать горение от простого смешивания газов. Кислород при этом необходим: водород не может гореть сам по себе.

Восстановление — процесс, при котором от вещества отнимается кислород. Если водород при нагревании забирает кислород у оксида металла, металл освобождается, а водород превращается в воду. Водород в такой реакции называют восстановителем: он вызывает восстановление другого вещества, хотя сам окисляется. Этот термин помогает описывать перенос кислорода в реакции.

Лабораторное получение водорода — выделение газа при взаимодействии подходящего металла с разбавленной кислотой. Например, цинк реагирует с разбавленной серной кислотой и вытесняет из неё водород. Газ собирают вытеснением воды, потому что он мало в ней растворяется. Такой способ позволяет получить и изучить водород в лабораторном опыте.

Как это устроено

В молекуле H₂ два атома водорода связаны друг с другом, поэтому химическая формула простого вещества содержит индекс 2. При обычных условиях водород сравнительно малоактивен, но нагревание или воспламенение помогает начать реакцию. После начала реакции выделяется энергия, поддерживающая горение. В присутствии кислорода образуется вода, потому что атомы водорода и кислорода соединяются в молекулы H₂O.

Водород соединяется не только с кислородом, но и с некоторыми другими неметаллами. Например, на свету он реагирует с хлором с образованием хлороводорода: H₂ + Cl₂ → 2HCl. Уравнение показывает, что число атомов каждого элемента должно сохраняться: слева и справа по два атома водорода и два атома хлора. Для реакции с кислородом условия также важны: смесь газов загорается после воспламенения, а продуктом становится вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Некоторые оксиды металлов при нагревании отдают кислород водороду. Например, чёрный оксид меди(II) превращается в красноватую металлическую медь, а кислород соединяется с водородом: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Водород здесь окисляется, поскольку принимает кислород и образует воду. Оксид меди теряет кислород и восстанавливается, поэтому водород называют восстановителем. Это объясняет его применение для получения некоторых металлов из оксидов.

Чтобы получить водород в лаборатории, к цинку добавляют разбавленную серную кислоту. Цинк вытесняет водород из кислоты, образуя соль и газ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Стрелка вверх показывает, что водород выделяется в виде газа; пузырьки указывают на ход реакции. Подходит не любой металл: он должен реагировать с выбранной кислотой с выделением водорода.

Водород удобно собирать в перевёрнутый сосуд, заполненный водой: газ вытесняет воду и накапливается внутри. Такой способ подходит потому, что водород мало растворим в воде и не исчезает в ней заметно. Однако в начале опыта в приборе остаётся воздух, поэтому первые порции газа могут образовать с ним опасную смесь. Перед поджиганием сначала проверяют чистоту газа, соблюдая правила безопасности и используя отдельную небольшую пробу.

Химические свойства и получение водорода

Сначала прочитайте название процесса и найдите соответствующее уравнение, затем сверьте условия и наблюдения. По последнему столбцу можно определить, какое свойство демонстрирует реакция и где оно используется. Таблица также помогает сравнить горение, восстановление и получение газа.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции горения водорода и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукт реакции и уравнять количество атомов каждого элемента. При взаимодействии водорода с кислородом образуется вода, формула которой H₂O. Проверка числа атомов покажет, верно ли составлено уравнение.

1. Записываем схему реакции: H₂ + O₂ → H₂O. В левой части кислород входит в двухатомную молекулу O₂, а справа в одной молекуле воды содержится один атом кислорода. Значит, ставим коэффициент 2 перед H₂O.
2. Теперь справа стало четыре атома водорода, поэтому перед H₂ ставим коэффициент 2. Проверяем: слева два атома кислорода и четыре атома водорода, справа столько же. Получаем уравнение 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Коэффициенты уравнивают число атомов, но индексы внутри формул менять нельзя, иначе изменится состав вещества. Уравнение показывает образование воды при горении водорода в кислороде.

Задача 2. Запишите реакцию цинка с разбавленной серной кислотой и назовите способ сбора выделившегося газа. Цинк — металл, который реагирует с этой кислотой с выделением водорода. Вторая часть задачи проверяет знание свойства газа, используемого для его сбора. Поэтому нужно указать и уравнение, и способ.

1. Записываем продукты: цинк образует сульфат цинка ZnSO₄, а из кислоты выделяется водород H₂. Получаем схему Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑. Слева и справа число атомов каждого элемента совпадает, поэтому коэффициенты равны единице.
2. Водород собирают вытеснением воды. Он мало растворяется в ней, поэтому газ накапливается в перевёрнутом сосуде, заполненном водой. Нельзя забывать, что в начале выделения в аппарате может оставаться воздух.

Ответ: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; газ собирают вытеснением воды. Стрелка вверх обозначает выделение газообразного продукта. Поджигать газ у аппарата сразу после начала реакции опасно.

Задача 3. Через нагретый оксид меди(II) пропустили водород. Составьте уравнение, укажите наблюдаемые изменения и назовите восстановитель. Оксид меди(II) — чёрное вещество, из которого водород может отнять кислород. Значит, нужно записать металл и воду среди продуктов и определить, какое вещество связывает кислород.

1. Составляем схему: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Проверяем атомы: по одному атому меди, кислорода и два атома водорода с обеих сторон. Коэффициенты не требуются.
2. При нагревании чёрный оксид превращается в красноватую медь, а в продуктах реакции появляется вода. Водород принимает кислород и сам окисляется, а оксид меди теряет кислород и восстанавливается. Следовательно, водород — восстановитель.

Ответ: CuO + H₂ → Cu + H₂O; чёрный оксид сменяется красноватой медью, образуется вода; восстановитель — водород. Наблюдение цвета помогает заметить превращение оксида в металл. Направление переноса кислорода позволяет правильно определить роль водорода.

Типичные ошибки

Первая ошибка — смешивать простое вещество H₂ и химический элемент H. Её допускают, потому что в названии вещества и элемента используется одно слово, хотя обозначения и смысл различаются. В уравнении газообразный водород записывают как H₂, поскольку его молекула содержит два атома. Проверяйте себя по формуле вещества, а не только по названию элемента.

Вторая ошибка — говорить, что водород горит сам по себе. Для горения необходим кислород, а при реакции образуется вода; без окислителя пламя не поддерживается. Путаница возникает, когда горение называют свойством одного вещества, забывая о втором участнике реакции. Проверьте уравнение: в левой части должны быть и H₂, и O₂, а справа — H₂O.

Третья ошибка — называть водород окислителем при восстановлении оксида. Так рассуждают, если смотрят только на то, что водород участвует в реакции, но не отслеживают кислород. В действительности он отнимает кислород у оксида и сам превращается в воду, поэтому является восстановителем. Чтобы проверить ответ, проследите, какое вещество потеряло кислород, а какое его приняло.

Четвёртая ошибка — поджигать газ сразу после начала его выделения или проверять пламя у прибора. Воздух, оставшийся внутри аппарата, смешивается с водородом и может образовать взрывоопасную смесь. Спешка не позволяет учесть состав первых порций газа. Соблюдайте инструкцию опыта: проверяйте чистоту отдельной пробой и не подносите огонь к установке.

Связь с другими темами

Для изучения водорода нужно уметь записывать формулы простых веществ и кислот, составлять формулы веществ и расставлять коэффициенты. Эти навыки помогают правильно описывать реакции и проверять сохранение числа атомов. Понятия окисления и восстановления понадобятся при изучении окислительно-восстановительных реакций и получения металлов из руд. Свойства водорода и способы его получения также пригодятся при изучении газов, химических производств и источников энергии.

Что запомнить

• Водород как простое вещество состоит из молекул H₂.
• При горении водорода в кислороде образуется вода.
• Водород реагирует с некоторыми неметаллами.
• При восстановлении оксидов водород связывает кислород и выступает восстановителем.
• В лаборатории водород получают взаимодействием подходящего металла с разбавленной кислотой.
• Водород собирают вытеснением воды, так как он мало растворим в ней.
• Смесь водорода с воздухом взрывоопасна; чистоту газа проверяют до поджигания.