§ 29. Свойства и применение водорода

Определения и обозначения

Водород как простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента; его формула — H₂. Это означает, что в частице простого вещества соединены два атома водорода. Такое обозначение отличает газообразный водород от символа элемента H.

Молекула водорода — наименьшая частица этого простого вещества, состоящая из двух атомов водорода. Цифра 2 в формуле H₂ показывает число атомов в молекуле, а не количество молекул. Это помогает правильно записывать состав веществ и уравнения реакций.

Восстановительные свойства водорода — его способность в некоторых реакциях отнимать кислород у другого вещества. Например, при нагревании водород может забрать кислород у оксида металла. Это понятие нужно, чтобы объяснить получение металлов из некоторых их соединений.

Гремучий газ — взрывоопасная смесь водорода с кислородом. При поджигании газы могут быстро прореагировать с выделением тепла, поэтому смесь опасна даже при наличии небольшого источника огня. Название напоминает не о самостоятельном веществе, а об опасной смеси газов.

Как это устроено

При обычных условиях водород — бесцветный газ без запаха и вкуса. Цвет и запах обычно возникают, когда вещество поглощает или отражает видимый свет либо содержит летучие частицы, которые мы ощущаем обонянием; водород почти не взаимодействует с ними. Он плохо растворяется в воде, потому что его молекулы слабо притягиваются к молекулам воды. Атомы водорода очень лёгкие, поэтому и плотность газа мала.

В молекуле H₂ два атома соединены прочной химической связью. Чтобы началась реакция, часто нужно сообщить частицам достаточно энергии для преодоления этой устойчивости. Поэтому водород при обычных условиях малоактивен, а нагревание или поджигание может запустить реакцию. После её начала энергия может выделяться и поддерживать дальнейшее протекание процесса.

В кислороде водород горит, потому что его молекулы реагируют с молекулами кислорода и образуют воду. Уравнение реакции: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. При образовании воды выделяется тепло, а при быстром протекании реакции оно нагревает газы и вызывает резкое расширение. Поэтому смесь водорода с кислородом может взрываться.

Некоторые оксиды металлов при нагревании отдают кислород водороду. Водород соединяется с этим кислородом, образуя воду, а в оксиде остаётся металл. Например, из оксида меди(II) получается медь: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Так водород проявляет восстановительные свойства и может участвовать в получении металлов.

Малая плотность водорода позволяет использовать его для подъёма аэростатов, однако газ горюч, поэтому такое применение связано с опасностью и требует строгой безопасности. При сгорании водород выделяет тепло, что позволяет применять его как топливо. Его способность отнимать кислород у оксидов используют в химическом производстве. Выбор применения зависит не от одного свойства, а от сочетания полезных возможностей и риска воспламенения.

Свойства водорода и их практическое применение

Сначала найдите в таблице свойство или реакцию, затем проследите, как оно проявляется. Последний столбец показывает практическую пользу либо опасность, связанную с этим свойством. Если у вещества есть полезное применение, это не отменяет необходимости учитывать риски.

Разбор задач

1. Почему водород используют для наполнения аэростатов?

Условие. Нужно назвать физические свойства, благодаря которым водород способен поднимать аэростат. Также следует учесть риск, который возникает при таком применении. Рассуждаем по связи между плотностью газа и поведением аэростата.

1. Водород имеет очень малую плотность и легче окружающего воздуха. Поэтому наполненный им аэростат может подниматься вверх.
2. Водород — газ, но он горюч, а его смесь с кислородом взрывоопасна. Значит, при использовании надо исключить источники огня и соблюдать строгие меры безопасности.

Ответ. Для подъёма аэростата используют малую плотность водорода: он легче воздуха. Его горючесть делает такое применение опасным, поэтому важна защита от воспламенения.

2. Запишите и уравняйте реакцию водорода с кислородом.

Условие. Водород реагирует с кислородом с образованием воды. Нужно записать формулы реагентов и продукта, а затем подобрать коэффициенты. Проверяем, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Составляем схему: H₂ + O₂ → H₂O. В левой части два атома кислорода, а в одной молекуле воды — один, поэтому ставим коэффициент 2 перед H₂O.
2. Теперь справа четыре атома водорода. Ставим коэффициент 2 перед H₂, чтобы получить столько же атомов слева.

Ответ. Уравнение реакции: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. С обеих сторон два атома кислорода и четыре атома водорода, значит, уравнение составлено правильно.

3. Водород пропустили над оксидом меди(II).

Условие. При нагревании водород пропустили над оксидом меди(II), формула которого CuO. Требуется записать реакцию, назвать продукты и определить, какое вещество восстановилось. Вспоминаем, что водород может забирать кислород у некоторых оксидов.

1. Водород соединяется с кислородом из CuO, поэтому одним продуктом будет вода H₂O. В оксиде после удаления кислорода остаётся медь Cu.
2. Записываем схему CuO + H₂ → Cu + H₂O. Проверяем атомы: по одному Cu, одному O и двум H с каждой стороны, поэтому коэффициенты равны 1.
3. Оксид меди(II) превратился в медь, потеряв кислород. Такое превращение называют восстановлением, значит, восстановилось вещество CuO.

Ответ. CuO + H₂ → Cu + H₂O. Продукты реакции — медь и вода; восстановился оксид меди(II), из которого образовалась медь.

Типичные ошибки

• Путают химический элемент и простое вещество: пишут, что H и H₂ — одно и то же. Ошибка возникает потому, что оба обозначения связаны с водородом. Проверка: H обозначает элемент или атом, а H₂ — молекулу простого вещества.

• Записывают формулу простого вещества как H. Так забывают, что атомы водорода в обычном простом веществе соединены попарно. Проверь себя: если речь о молекулярном водороде, в формуле обязательно должна стоять цифра 2.

• Считают водород негорючим, потому что он не поддерживает горение других веществ. Причина ошибки — смешение понятий «гореть» и «поддерживать горение». Проверка: водород сам реагирует с кислородом и горит, а кислород поддерживает горение.

• Полагают, что водород с кислородом можно смешивать без опасности. Но смесь способна взрываться, если реакция начнётся от нагревания или искры. Проверка: помни о взрывоопасности и не поджигай смесь; испытание водорода допускается только малыми порциями и по правилам безопасности.

Связь с другими темами

Для изучения водорода нужно различать химический элемент и простое вещество, а также понимать, как составляют формулы. Это помогает не путать H и H₂ и правильно читать обозначения. Знание строения вещества связывает формулу с составом его молекул.

При записи реакций понадобятся умения составлять формулы веществ и уравнивать химические уравнения. Коэффициенты подбирают так, чтобы число атомов каждого элемента сохранялось, — это проявление закона сохранения массы. Поэтому реакцию водорода с кислородом можно проверить подсчётом атомов.

Восстановительные свойства водорода помогают подготовиться к изучению окислительно-восстановительных реакций и способов получения металлов из оксидов. Горение водорода связывает тему с топливом и превращением энергии. Так свойства вещества объясняют его применение в химии и технике.

Что запомнить

• Простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂.
• При обычных условиях водород — бесцветный газ без запаха и вкуса.
• Водород легче воздуха и плохо растворяется в воде.
• В кислороде водород горит с образованием воды.
• Смесь водорода с кислородом взрывоопасна.
• При нагревании водород может восстанавливать некоторые оксиды металлов.
• Применение водорода определяется его малой плотностью, горючестью и восстановительными свойствами.