"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Водород — газообразное простое вещество, состоящее из молекул H₂. Он может образовываться, когда подходящий металл реагирует с кислотой или водой. По ряду активности металлов можно предсказать, вытеснит ли металл водород из разбавленной кислоты, а условия реакции помогают понять, будет ли он взаимодействовать с водой. Важно различать продукты: при реакции с кислотой получается соль, а с водой — гидроксид или оксид. Знание этих правил помогает составлять уравнения и решать задачи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — простое вещество H₂, которое образуется при взаимодействии некоторых металлов с кислотами и водой. Его формула показывает, что молекула состоит из двух атомов водорода. Обозначение H отдельно используют для атома, а не для молекулы простого вещества.
Ряд активности металлов — расположение металлов по убыванию их способности вступать в реакции; он помогает определить, вытеснит ли металл водород из кислоты. В этом ряду водород служит ориентиром для сравнения. Сопоставив положения металла и водорода, можно предварительно решить, возможна ли реакция с разбавленной кислотой.
Вытеснение водорода из кислоты — реакция металла с кислотой, в которой образуются соль и водород. Металл заменяет атомы водорода в кислоте, а оставшаяся часть кислоты соединяется с металлом и образует соль. Это определение помогает правильно записать продукты реакции.
Вытеснение водорода из воды — взаимодействие некоторых металлов с водой с образованием водорода и гидроксида металла либо оксида. Набор продуктов зависит от условий и активности металла. Поэтому при записи реакции нужно учитывать, взаимодействует ли металл с жидкой водой или с водяным паром.
Когда металл реагирует с кислотой, его атомы переходят в состав соли, а водород кислоты соединяется в молекулы H₂. Так происходит замещение: металл занимает место водорода в составе вещества. Поэтому среди продуктов ожидают соль и газообразный водород, а не только газ.
Ряд активности нужен потому, что металлы неодинаково легко вступают в реакции. Те, что стоят до водорода, обычно способны вытеснить его из разбавленной кислоты; металлы после водорода, как правило, этого не делают. Это правило относится не ко всем возможным кислотам без исключения: окислительные свойства некоторых кислот могут менять ход реакции, поэтому следует учитывать и их природу.
С водой металл реагирует лишь тогда, когда его активности достаточно для взаимодействия с водой при данных условиях. Очень активные металлы могут вступать в реакцию с холодной водой, тогда как другим необходимы нагревание или водяной пар. При реакции с водой образуется гидроксид, а при взаимодействии некоторых металлов с паром — оксид; в обоих случаях может выделяться H₂.
Чтобы получить верное уравнение, сначала определяют продукты по реагентам и условиям. Затем записывают их формулы: например, из магния и соляной кислоты получается хлорид магния, а из железа и разбавленной серной кислоты — сульфат железа(II). После этого подбирают коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало: атомы не исчезают и не возникают в химической реакции.
О выделении газа можно судить по появлению пузырьков в жидкости, но одних пузырьков недостаточно, чтобы определить газ. Водород узнают по характерному горению с небольшим хлопком при поднесении огня к небольшой порции газа. Проверку проводят только с соблюдением правил безопасности: смесь водорода с воздухом может быть опасной.
| Реагенты и условия | Какие металлы реагируют | Продукты | Пример уравнения |
|---|---|---|---|
| Металл и разбавленная кислота | Обычно металлы, стоящие в ряду активности до водорода | Соль и H₂ | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ |
| Металл и холодная вода | Наиболее активные металлы, например натрий и кальций | Гидроксид металла и H₂ | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ |
| Металл и горячая вода или водяной пар | Некоторые менее активные металлы; для пара пример — железо | При реакции с водой — гидроксид, с паром — оксид и H₂ | 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ (пар) |
Сначала выбери строку по реагентам и условиям, затем проверь, подходит ли металл по активности. Столбец с продуктами подсказывает, какие формулы записать, а пример показывает, как может выглядеть уравнение. Для конкретной реакции всё равно нужно проверить состав соли или оксида и уравнять число атомов.
Условие. Составьте уравнение реакции магния с соляной кислотой и назовите продукты. Магний стоит до водорода в ряду активности, поэтому может вытеснить его из разбавленной кислоты. Нужно определить соль и проверить коэффициенты.
Ответ: образуются хлорид магния и водород; уравнение — Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
Условие. Железо взаимодействует с разбавленной серной кислотой. Составьте уравнение реакции и объясните, почему выделяется водород. Железо находится до водорода в ряду активности, поэтому в обычном случае вытесняет его из разбавленной кислоты.
Ответ: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂; водород выделяется, потому что железо активнее водорода в этом ряду.
Условие. При реакции цинка с избытком разбавленной соляной кислоты получено 0,10 моль водорода. Определите количество вещества цинка, вступившего в реакцию. Избыток кислоты означает, что её недостаток не ограничивает расход цинка.
Ответ: в реакцию вступило 0,10 моль цинка.
Ошибка — считать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты. Так думают, если запоминают только общий вид реакции и не проверяют ряд активности; кроме того, значение имеют свойства самой кислоты. Проверь положение металла относительно водорода и уточни, разбавленная ли кислота и нет ли особых условий.
Нельзя записывать выделяющийся водород как H: это обозначение атома, тогда как простое вещество образовано двухатомными молекулами H₂. Путаница возникает из-за того, что в формулах кислот тоже встречается H. Перед проверкой уравнения убедись, что свободный водород записан с индексом 2.
Не смешивай продукты реакции металла с кислотой и металла с водой. В первом случае обычно образуются соль и H₂, а при взаимодействии активного металла с водой — гидроксид и H₂; с водяным паром может образоваться оксид. Чтобы проверить себя, назови реагенты и условия до того, как записывать продукты.
Ещё одна ошибка — менять индексы, чтобы уравнять число атомов. Индексы показывают постоянный состав вещества, поэтому их изменение превращает формулу в формулу другого вещества. Сначала правильно составь формулы продуктов, а затем ставь перед ними коэффициенты и пересчитай каждый вид атомов.
Для этой темы нужны умения составлять формулы кислот, солей и оснований. Также важно различать индекс в формуле и коэффициент перед ней: индекс входит в состав формулы вещества, а коэффициент показывает число его частиц и помогает уравнять реакцию. Ряд активности связывает тему с общими свойствами металлов и позволяет предсказывать их поведение в реакциях. Эти знания пригодятся при изучении способов получения водорода, кислот и химических реакций металлов.
Почему водород записывают как H₂, а не H?
Водород как простое вещество состоит из молекул, в каждой из которых связаны два атома. Поэтому его формула — H₂, а H обозначает один атом водорода в составе вещества.
Все ли металлы вытесняют водород из кислот?
Нет. Обычно водород вытесняют металлы, стоящие в ряду активности до водорода, если речь идёт о разбавленной кислоте. Свойства конкретной кислоты тоже имеют значение.
Как по ряду активности понять, будет ли реакция?
Найди в ряду металл и водород: если металл расположен до водорода, он обычно может вытеснить его из разбавленной кислоты. Если металл стоит после водорода, такую реакцию обычно не записывают.
Почему одни металлы реагируют с холодной водой, а другие — только с водяным паром?
Металлы различаются по активности: наиболее активные взаимодействуют с водой уже при обычной температуре. Менее активным для реакции требуется нагревание, а некоторые реагируют только с водяным паром.
Как проверить, что выделившийся газ — водород?
Водород можно проверить поджиганием небольшой порции газа: он горит с характерным небольшим хлопком. Такой опыт проводят только с соблюдением правил безопасности и под руководством учителя.
§ 31. Водород выделяется из кислот и воды
