"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Водород — химический элемент H с самым лёгким атомом, а его простое вещество состоит из двухатомных молекул H₂. В природе он входит в состав воды, органических веществ и многих других соединений, хотя свободного газа на Земле мало. В лаборатории водород получают, например, реакцией металла с кислотой, а в промышленности — из природного газа или воды. Эти способы помогают понять свойства водорода и его значение для химии и производства.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород как химический элемент обозначают H; его порядковый номер — 1, а относительная атомная масса близка к 1. Он находится в первом периоде и первой группе периодической системы. По положению его можно сравнить с щелочными металлами, но по свойствам водород относится к неметаллам. Эти сведения помогают отличать его от других элементов и предсказывать поведение атома.
Простое вещество водород — газ, состоящий из молекул H₂, в каждой из которых соединены два атома. Формула H относится к элементу или одному атому, а H₂ обозначает молекулу и газообразное простое вещество. Свойства газа нельзя автоматически приписывать отдельному атому: атомы в молекуле связаны друг с другом. Это различие нужно, чтобы правильно записывать формулы и уравнения реакций.
Изотопы водорода — разновидности атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. У протия нейтронов нет, у дейтерия один, у трития два; число протонов у каждого равно одному. Поэтому изотопы имеют разные массы, хотя принадлежат одному химическому элементу и в основном сходны по химическим свойствам. Тритий радиоактивен, то есть его ядра со временем распадаются.
Получение водорода — это выделение газа из веществ, в состав которых он входит, с помощью химических реакций или электрического тока. В лаборатории обычно выбирают реакцию, которую легко провести и наблюдать, например взаимодействие металла с кислотой. В промышленности важны не только уравнение реакции, но и доступность сырья, стоимость и возможность получать большие объёмы газа. Поэтому применяют разные способы.
Особое положение водорода связано с простым строением его атома: вокруг ядра с одним протоном движется один электрон. В периодической системе его помещают в первую группу, потому что на внешнем уровне у него один электрон, но это не делает его щелочным металлом. В соединениях с более электроотрицательными элементами водород обычно имеет степень окисления +1, а с металлами может иметь −1. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; разные значения показывают, что водород может вести себя по-разному.
Два атома водорода образуют молекулу H₂, потому что совместное использование электронов помогает каждому атому получить устойчивую внешнюю оболочку. Поэтому при обычных условиях водород существует не в виде отдельных атомов, а в виде двухатомных молекул. Это бесцветный газ, который намного легче воздуха и плохо растворяется в воде. Его небольшая масса объясняет, почему газ легко поднимается вверх, а слабое растворение позволяет собирать его над водой.
В земной природе водород главным образом связан с другими элементами: он есть в воде, органических веществах живых организмов, природном газе и некоторых минералах. Вещество называют связанным, когда атомы входят в состав химических соединений. Свободного водорода в атмосфере мало, потому что его молекулы очень лёгкие и часть газа постепенно уходит из верхних слоёв атмосферы в космическое пространство. Поэтому наличие водорода на Земле заметно прежде всего по его соединениям.
В лаборатории водород можно получить действием разбавленной кислоты на некоторые металлы, например цинк или железо. Атомы металла вытесняют водород из кислоты: металл переходит в раствор в виде ионов, кислота образует соль, а водород выделяется как газ. Например, при взаимодействии цинка с соляной кислотой образуются хлорид цинка и водород. Не всякий металл подходит: медь с разбавленной соляной кислотой так водород не выделяет.
Для промышленного получения водорода используют сырьё, которое доступно в больших количествах. При взаимодействии природного газа, главным образом метана, с водяным паром образуются водород и угарный газ; дальнейшая обработка смеси позволяет получить дополнительный водород. Ещё один способ — разложение воды электрическим током, но для него нужна электрическая энергия. Выбор зависит от того, какое сырьё и энергия доступны и какой способ экономически выгоднее в конкретных условиях.
| Способ | Исходные вещества | Уравнение реакции | Условия или примечание |
|---|---|---|---|
| Действие кислоты на металл | Цинк и соляная кислота | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ | Подходит разбавленная кислота и металл, стоящий в ряду активности до водорода |
| Взаимодействие активного металла с водой | Натрий и вода | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ | Активные металлы реагируют с водой; реакция натрия протекает бурно |
| Получение из природного газа | Метан и водяной пар | CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ | Промышленный процесс проводят при нагревании; затем смесь можно дополнительно обработать паром |
| Разложение воды электрическим током | Вода | 2H₂O → 2H₂ + O₂ | Электролиз: через воду пропускают электрический ток |
В таблице сначала найдите исходные вещества, затем проверьте, какие продукты указаны в уравнении и уравнено ли число атомов. Стрелка вверх показывает выделение газа. Сопоставление условий помогает понять, почему лабораторный и промышленный способы выбирают для разных задач.
Цинк реагирует с соляной кислотой с образованием соли и водорода. Соль содержит ион цинка и хлорид-ионы, поэтому её формула — ZnCl₂. Чтобы получить два атома хлора в соли, перед HCl ставим коэффициент 2; тогда атомов водорода тоже становится два, и они образуют молекулу H₂.
Слева и справа по одному атому цинка, два атома хлора и два атома водорода, значит, уравнение составлено верно. Выделяющийся газ — водород.
Сначала выясним, сколько вещества цинка вступает в реакцию. Избыток кислоты означает, что её достаточно, поэтому количество продукта определяет цинк. По уравнению реакции один моль цинка даёт один моль водорода, а при нормальных условиях один моль газа занимает 22,4 л.
Проверка: поскольку коэффициенты перед Zn и H₂ одинаковы, их количества вещества действительно равны. Ответ: 2,24 л водорода при нормальных условиях.
Выход реакции показывает, какую долю от теоретически возможного количества продукта получили на практике. Значит, для расчёта сначала нужно найти теоретический объём водорода: фактический объём составляет 80% от него. Затем количество водорода по уравнению реакции приравнивается количеству прореагировавшего цинка.
Если бы выход был 100%, для получения 4,48 л потребовалось бы меньше цинка; при выходе 80% исходного вещества нужно больше. Ответ: 16,25 г цинка.
Путать химический элемент водород с простым веществом H₂ — значит смешивать обозначение элемента и формулу его молекул. Так ошибаются, потому что в речи оба понятия часто называют одним словом. Проверка: спросите себя, говорится ли об атоме или элементе (H) либо о газе (H₂).
Запись H вместо H₂ в уравнении получения газа неверна, потому что обычный водород состоит из двухатомных молекул. Ошибку допускают, перенося химический знак элемента прямо в формулу простого вещества. Проверьте, сколько атомов водорода образуется в реакции: они должны быть записаны как молекула H₂, а затем уравнение нужно уравнять.
Считать, что водород совсем не встречается в природе, — значит учитывать только свободный газ. На Земле большая часть водорода связана в воде и других соединениях. Чтобы проверить себя, уточните, спрашивают ли о свободном водороде или о водороде в составе веществ.
Неверные продукты или коэффициенты в уравнении возникают, если записать реакцию по догадке и не проверить состав веществ. Например, при реакции цинка с соляной кислотой образуется ZnCl₂, а не соль с одним атомом хлора. Сначала определите формулы всех продуктов, затем посчитайте атомы каждого элемента слева и справа.
Чтобы разобраться в теме, нужно уметь читать периодическую систему, находить порядковый номер и относительную атомную массу, а также представлять строение атома. Знания о простых и сложных веществах помогают отличить элемент H от молекулы H₂ и правильно читать формулы. Уравнения получения водорода связывают тему с реакциями замещения, свойствами кислот и расстановкой коэффициентов. Позже эти знания пригодятся при изучении окислительно-восстановительных процессов и химических свойств водорода.
Почему формула простого вещества водорода — H₂, а не H?
Обычно два атома водорода соединяются в молекулу, поэтому простое вещество имеет формулу H₂. Обозначение H используют для химического элемента или отдельного атома, а не для обычного газа.
Где водород встречается в природе?
На Земле водород входит в состав воды, органических веществ и многих минералов. В свободном виде его мало, потому что лёгкий газ улетучивается из верхних слоёв атмосферы.
Как в лаборатории получить водород?
Часто водород получают действием разбавленной кислоты на подходящий металл, например цинк. В результате образуются соль и газообразный водород.
Почему водород собирают вытеснением воды?
Водород плохо растворяется в воде и обычно не вступает с ней в реакцию при обычных условиях. Поэтому газ может вытеснять воду из перевёрнутого сосуда и собираться в нём.
Чем отличаются изотопы водорода?
У протия, дейтерия и трития одинаковое число протонов, но разное число нейтронов: соответственно ноль, один и два. Поэтому у них разные массы; тритий радиоактивен.
§ 28. Водород, его общая характеристика, нахождение в природе и получение
