"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Водород — химический элемент и простое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов и обозначаются H₂. Это бесцветный лёгкий газ, который можно получить в лаборатории реакцией металла с кислотой. При горении водорода в кислороде образуется вода, а при взаимодействии с некоторыми оксидами металлов он помогает выделить металл. Чтобы изучать реакции водорода безопасно, нужно учитывать его взрывоопасные смеси с воздухом и кислородом.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород как химический элемент — вид атомов, обозначаемый символом H. Его атомы входят в состав воды и многих других веществ. Это понятие нужно, чтобы говорить о составе вещества и отличать элемент от конкретного газа.
Водород как простое вещество — вещество, состоящее только из атомов водорода. Его молекула содержит два атома и обозначается H₂. Индекс 2 показывает число атомов в молекуле, поэтому запись H₂ нельзя заменять символом H.
Восстановитель — вещество, которое в ходе реакции отнимает кислород у другого вещества или помогает ему перейти в более простое состояние. Водород может быть восстановителем при взаимодействии с оксидом металла: он связывает кислород и образует воду. Это понятие помогает понять, почему из некоторых соединений удаётся получить металл.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. Например, активный металл может вытеснить водород из кислоты. Определение помогает распознавать такой тип реакции и предсказывать её продукты.
В периодической таблице водород находится в первой клетке: у его атома один электрон, поэтому символ элемента — H. Но в свободном состоянии отдельные атомы водорода легко соединяются попарно. Так образуются молекулы H₂, и формула простого вещества показывает именно состав молекулы, а не обозначение элемента.
Водород бесцветен и не имеет запаха, поэтому по виду или запаху его нельзя распознать. Он плохо растворяется в воде, а значит, при сборе над водой почти не уходит в раствор. Газ легче воздуха, поэтому его можно собирать вытеснением воздуха; при этом нужно учитывать, как расположен сосуд, чтобы водород не смешивался с воздухом.
В лаборатории водород получают, добавляя кислоту к подходящему металлу. Металл вытесняет водород из кислоты, а сам входит в состав соли. Например, цинк реагирует с соляной кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; коэффициент 2 перед HCl нужен, чтобы уравнять число атомов водорода и хлора.
При горении водород соединяется с кислородом, и продуктом реакции становится вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Само горение не означает, что чистый водород обязательно взрывается: опасна его смесь с кислородом или воздухом. Поэтому перед поджиганием газ проверяют на чистоту, а опыты проводят только с соблюдением правил безопасности.
Водород способен отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. При нагревании оксида меди с водородом происходит реакция CuO + H₂ → Cu + H₂O: кислород переходит к водороду, а медь выделяется. Водород здесь выступает восстановителем, поскольку помогает получить металл из его соединения.
| Аспект | Сведения |
|---|---|
| Формула простого вещества | H₂ |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде |
| Получение в лаборатории | Взаимодействие металла с кислотой, например Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ |
| Реакция с кислородом | 2H₂ + O₂ → 2H₂O; смесь с воздухом или кислородом взрывоопасна |
| Реакция с оксидом металла | CuO + H₂ → Cu + H₂O; водород восстанавливает медь из оксида |
| Применение | Получение аммиака, использование в химическом производстве и как топливо |
Таблица помогает быстро сопоставить физические свойства водорода с его получением и реакциями. При решении задач сначала найди нужную реакцию, а затем проверь формулы и коэффициенты. Сведения о применении показывают, почему водород важен не только в лаборатории.
Условие. Запишите уравнение реакции горения водорода в кислороде и расставьте коэффициенты. При горении реагируют простые вещества H₂ и O₂, а продуктом является вода H₂O. Коэффициенты нужны, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.
Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. При реакции образуется вода.
Условие. Составьте уравнение реакции цинка с соляной кислотой и назовите продукты. По схеме реакции металл вытесняет водород из кислоты, образуя соль и молекулярный водород. Для цинка соль — хлорид цинка ZnCl₂.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Продукты реакции — хлорид цинка и водород.
Условие. Найдите объём H₂, получаемого из 6,5 г цинка при избытке соляной кислоты и нормальных условиях. Избыток кислоты означает, что весь цинк может прореагировать. По уравнению на один моль цинка образуется один моль водорода.
Ответ: можно получить 2,24 л водорода.
Ошибка: записывать формулу простого вещества как H. Так путают символ одного атома с формулой молекулы газа. Проверка: спроси себя, указано ли число атомов в молекуле; для водорода должно быть H₂.
Ошибка: считать, что чистый водород сам по себе обязательно взрывается. Опасность возникает, когда он смешивается с кислородом или воздухом, а затем воспламеняется. Перед поджиганием газ проверяют, а опыт проводят безопасным способом.
Ошибка: забывать, почему водород собирают над водой. Этот способ возможен не потому, что газ растворяется, а потому, что он растворяется плохо и большая его часть остаётся в сосуде. Проверка: вспомни, что хорошая растворимость привела бы к значительной потере газа.
Ошибка: записывать в уравнении реакции кислоты с металлом атом H вместо молекулы H₂ или оставлять уравнение неуравненным. Так нарушается число атомов водорода по обе стороны стрелки. Проверка: считай атомы каждого элемента и ставь коэффициенты перед формулами, не меняя индексы.
Чтобы понимать формулы H₂, O₂ и H₂O, нужно различать химический элемент и простое вещество. Элемент обозначает вид атомов, а формула показывает состав молекулы или вещества. Это различие пригодится при чтении любых химических уравнений.
Для записи получения водорода нужны знания о металлах, кислотах и реакциях замещения. Металл вытесняет водород из кислоты, а продуктами становятся соль и H₂. Знание этого правила помогает предсказывать продукты похожих реакций.
Понятие восстановителя понадобится при изучении окислительно-восстановительных реакций. Водород связывает кислород в оксидах и может помогать получать металлы из соединений. Позже этот способ можно будет сравнивать с другими методами получения металлов.
Почему формула водорода — H₂, а не H?
H — обозначение атома химического элемента водорода. Простое вещество состоит из молекул, в каждой из которых соединены два атома, поэтому его формула — H₂.
Как в лаборатории собирают водород и почему подходит этот способ?
Водород собирают над водой или вытеснением воздуха. Он мало растворяется в воде, поэтому при первом способе почти не теряется; он легче воздуха, что позволяет использовать второй способ.
Почему перед поджиганием водорода проверяют его чистоту?
В сосуде может находиться смесь водорода с воздухом, которая способна взорваться при поджигании. Проверка помогает убедиться, что газ выходит без опасной примеси воздуха.
Что образуется при горении водорода?
При взаимодействии водорода с кислородом образуется вода. Уравнение реакции: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
Почему водород называют восстановителем?
Водород может отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. При этом образуется вода, а металл выделяется из оксида.
9. Водород
