§ 32. Водород — хороший восстановитель

Определения и обозначения

Водород — простое вещество H₂, молекула которого состоит из двух атомов водорода. Простым называют вещество, образованное атомами одного химического элемента. Формула H₂ нужна, чтобы правильно записывать водород в уравнениях реакций: вместо отдельного атома H указывают целую молекулу.

Восстановитель — вещество, которое отдаёт электроны и благодаря этому восстанавливает другое вещество. В реакции с оксидом металла водород помогает металлу получить электроны и превратиться из соединения в простое вещество. Поэтому название «восстановитель» описывает действие водорода на партнёра по реакции.

Восстановление — присоединение электронов, при котором степень окисления элемента уменьшается. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; по её изменению удобно следить за переходом электронов. В оксиде металл принимает электроны и превращается в металл с нулевой степенью окисления.

Окисление — отдача электронов, сопровождаемая увеличением степени окисления. В реакции с оксидом металла водород отдаёт электроны и связывается с кислородом, образуя воду. Это понятие нужно, чтобы одновременно описать изменения водорода и металла в одной реакции.

Как это устроено

Если нагреть водород с некоторыми оксидами металлов, образуются металл и вода. Например, оксид меди(II) реагирует так: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Реакция становится возможной, потому что кислород из оксида соединяется с водородом, а частицы металла остаются без кислорода и образуют простое вещество.

Оксид металла можно представить как соединение металла с кислородом. Водород связывает кислород в воду, поэтому исходное соединение распадается на два продукта — воду и металл. Это не означает, что кислород исчезает: его атомы переходят из оксида в молекулы воды, а атомы металла сохраняются.

В CuO степень окисления меди равна +2, а в простом веществе Cu — 0: она уменьшилась, значит, медь восстановилась. В H₂ степень окисления водорода равна 0, а в воде — +1: она увеличилась, значит, водород окислился. Водород отдаёт электроны, которые принимает медь, и потому выступает восстановителем.

Способность водорода отнимать кислород зависит от того, насколько устойчив оксид, и от условий реакции, в частности температуры. Поэтому нельзя заключать, что водород восстановит любой оксид металла: некоторые оксиды очень устойчивы и так не превращаются в металл. Перед записью реакции нужно учитывать, что описывается взаимодействие с подходящим оксидом, а не универсальное свойство для всех соединений.

Чтобы составить уравнение, сначала запишите формулы исходных веществ и ожидаемых продуктов: оксид металла, H₂, металл и H₂O. Затем поставьте коэффициенты так, чтобы слева и справа было одинаковое число атомов каждого элемента. Индексы внутри формул менять нельзя, потому что это изменило бы сами вещества; для Fe₂O₃, например, равенство даёт Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.

Водород в реакциях с оксидами металлов

В таблице показаны примеры реакций, в которых водород связывает кислород оксида и образует воду. В графе «Что восстанавливается» указан металл, принимающий электроны и переходящий в простое вещество. Используйте коэффициенты в уравнении, чтобы проверить сохранение атомов каждого элемента.

Разбор задач

Задача 1. Запишите и уравняйте реакцию водорода с оксидом меди(II) при нагревании. Нужно определить продукты и проверить, одинаково ли число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки. Так можно убедиться, что формулы веществ не изменены и уравнение верно.

1. Записываем исходные вещества: CuO и H₂.
2. Кислород из оксида образует воду, поэтому продукты — Cu и H₂O: CuO + H₂ → Cu + H₂O.
3. Слева и справа по одному атому Cu, O и H, значит, коэффициенты равны единице.

Ответ: CuO + H₂ → Cu + H₂O. Уравнение уже уравнено, так как количество атомов каждого элемента с обеих сторон совпадает. Нагревание указывают над стрелкой или словами в условии.

Задача 2. Для реакции Fe₂O₃ + H₂ → Fe + H₂O расставьте коэффициенты и укажите восстановитель. Уравнивать удобно сначала кислород, затем водород и железо. После этого определите, чей элемент отдал электроны.

1. В Fe₂O₃ три атома кислорода, поэтому справа ставим 3 перед H₂O.
2. Для трёх молекул воды нужны 6 атомов водорода, значит, перед H₂ ставим 3; два атома железа уравниваем коэффициентом 2 перед Fe.
3. Получаем Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O. Железо меняет степень окисления с +3 на 0, а водород — с 0 на +1.

Ответ: уравнение Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O, восстановитель — H₂. Степень окисления водорода увеличилась, значит, он окислился и отдал электроны железу. Проверка: по обе стороны 2 атома Fe, 3 атома O и 6 атомов H.

Задача 3. При нагревании 16 г CuO водородом получены медь и вода; найдите массу меди. Уравнение реакции CuO + H₂ → Cu + H₂O показывает, что CuO и Cu реагируют и образуются в соотношении 1:1. Для расчёта используем молярные массы: M(CuO) = 80 г/моль, M(Cu) = 64 г/моль.

1. Находим количество оксида меди: n(CuO) = 16 г / 80 г/моль = 0,2 моль.
2. По коэффициентам уравнения 1 моль CuO даёт 1 моль Cu, поэтому n(Cu) = 0,2 моль.
3. Находим массу меди: m(Cu) = 0,2 моль × 64 г/моль = 12,8 г.

Ответ: образовалось 12,8 г меди. Мы использовали массу чистого оксида и предположили, что реакция прошла полностью. Если бы в условии были примеси или неполный выход продукта, потребовались бы дополнительные данные.

Типичные ошибки

Называть водород окислителем только потому, что он реагирует с кислородом, — ошибка. Её допускают, сосредоточившись на кислороде и забыв проследить за степенью окисления самого водорода. Проверьте: в H₂ она равна 0, а в воде +1, значит, водород окисляется и является восстановителем.

Считать восстановление только потерей кислорода недостаточно. Такое описание подходит для многих реакций с оксидами, но не показывает движение электронов и может не подходить к другим превращениям. Для проверки сравните степени окисления: при восстановлении они уменьшаются.

Запись атомарного H вместо H₂ не соответствует формуле простого вещества водорода. Так ошибаются, перенося в уравнение символ элемента вместо формулы молекулы. Проверьте, записано ли исходное вещество как H₂ и учтено ли число атомов водорода при уравнивании.

Нельзя уравнивать реакцию, меняя индексы в формулах веществ. Изменение индекса меняет состав и название вещества, а не число его частиц в уравнении. Проверяйте себя так: формулы оставляют неизменными, а нужное число атомов получают подбором коэффициентов перед ними.

Связь с другими темами

Для этой темы нужно знать формулы простых веществ и оксидов, а также уметь составлять и уравнивать химические уравнения. Реакции водорода с оксидами связаны с его взаимодействием с кислородом: в обоих случаях образуется вода. Понятия восстановления и восстановителя понадобятся при изучении окислительно-восстановительных реакций. Они также помогают объяснять получение металлов из руд, где соединение металла превращают в простое вещество.

Что запомнить

• Простое вещество водород имеет формулу H₂.
• При нагревании водород может восстанавливать некоторые оксиды металлов.
• В реакции оксид металла превращается в металл, а водород — в воду.
• Металл в оксиде восстанавливается, а водород окисляется.
• В реакциях с оксидами металлов водород выступает восстановителем.
• Уравнение реакции должно сохранять число атомов каждого элемента.