"Химия. Среднее профессиональное образование", Габриелян О.С., Остроумов И.Г.
Водород — химический элемент с самым лёгким атомом, а его простое вещество — молекулярный газ H₂. Он входит в состав воды и многих органических соединений, а в свободном виде встречается сравнительно редко. Водород используют как сырьё для химического производства и как топливо. Чтобы понимать его свойства, нужно различать атом и молекулу, знать изотопы элемента и учитывать, что в разных реакциях водород бывает как восстановителем, так и окислителем.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород как химический элемент — это вид атомов с зарядом ядра +1. Такие атомы входят в состав воды, кислот и множества органических веществ, поэтому слово «водород» может обозначать элемент, даже если свободного газа нет. Это различие помогает правильно говорить о составе вещества: например, вода содержит атомы водорода, но не молекулы H₂.
Простое вещество водород — это молекулярный водород, состоящий из молекул H₂. В каждой молекуле соединены два атома, а при обычных условиях это бесцветный газ без запаха. Обозначение H₂ нужно использовать, когда речь идёт о газе или его химических реакциях; символ H обозначает атом элемента.
Изотопы — это атомы одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Заряд определяет принадлежность к элементу, а различие в числе нейтронов меняет массу атома. Поэтому изотопы водорода остаются водородом, хотя их атомные массы различаются.
Известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий. В ядре протия нет нейтронов, ядро дейтерия содержит один нейтрон, а ядро трития — два. Тритий радиоактивен, то есть его ядра со временем распадаются, испуская излучение.
Водород занимает первое место в Периодической системе: заряд его ядра равен +1, а вокруг ядра находится один электрон. Из-за одного внешнего электрона его помещают в I группу, где находятся щелочные металлы. Однако водороду не хватает одного электрона до заполнения первого электронного слоя, поэтому в некоторых свойствах он напоминает галогены VII группы. Такое двойственное положение объясняется строением атома, а не случайностью расположения.
На Земле водород обычно связан с другими элементами, поскольку его атомы легко образуют химические связи. Он входит в состав воды, кислот, углеводородов и многих веществ живых организмов. Свободного молекулярного водорода в природе значительно меньше: лёгкий газ плохо удерживается гравитацией Земли и рассеивается в атмосфере. Поэтому для практических нужд водород чаще получают из соединений.
Два атома в молекуле H₂ связаны прочной химической связью, и это обеспечивает устойчивость молекулы при обычных условиях. Маленькая масса молекул объясняет, почему водород — самый лёгкий газ, а слабое взаимодействие между его молекулами приводит к очень низким температурам плавления и кипения. Молекулы H₂ почти не взаимодействуют с водой, поэтому газ растворяется в ней слабо. Эти физические свойства важны при хранении и сборе водорода.
С кислородом водород реагирует с выделением энергии: при горении образуется вода, а смесь водорода с кислородом может взрываться. С неметаллами водород также образует соединения, например с хлором — хлороводород. Направление передачи электронов зависит от партнёра: при реакции с кислородом водород отдаёт электроны и является восстановителем, а при образовании гидридов с активными металлами принимает электроны и выступает окислителем. Поэтому роль водорода определяют по конкретной реакции.
В лаборатории водород получают действием разбавленных кислот на некоторые металлы, например цинк; при этом выделяется газ H₂. В промышленности его получают из углеводородного сырья или воды, используя подходящие процессы и источники энергии. Полученный водород нужен как реагент для производства химических веществ, а также как топливо. Таким образом, способ получения связан с тем, где и в каком количестве требуется газ.
| Характеристика | Содержание |
|---|---|
| Положение в Периодической системе | Первый элемент; обычно помещён в I группу, имеет особенности, сближающие его с элементами VII группы. |
| Строение атома | Заряд ядра +1, один электрон; у наиболее распространённого изотопа в ядре один протон. |
| Изотопы | Протий, дейтерий и радиоактивный тритий; число нейтронов соответственно 0, 1 и 2. |
| Формула простого вещества | H₂; молекула образована двумя атомами водорода. |
| Физические свойства | Бесцветный газ без запаха, самый лёгкий, с низкими температурами плавления и кипения; слабо растворим в воде. |
| Реакции с кислородом и неметаллами | С кислородом образует воду; с неметаллами образует соединения, например хлороводород. |
| Роль в реакциях с оксидами металлов | Может восстанавливать оксид до металла, сам превращаясь в воду. |
| Способы получения | В лаборатории — реакцией металла с разбавленной кислотой; в промышленности — из углеводородов или воды. |
| Области применения | Химическое производство и использование в качестве топлива. |
Таблица помогает быстро отличить характеристики атома от свойств простого вещества H₂. При разборе реакции сначала найдите, с каким веществом взаимодействует водород, а затем определите его роль. Сведения о получении и применении можно связать: водород используют там, где его удаётся получить в нужном количестве.
Задача 1. Составить уравнение реакции цинка с разбавленной соляной кислотой и определить выделяющийся газ. Сначала применим правило: металл, стоящий в ряду активности до водорода, вытесняет его из разбавленной кислоты. Продуктами будут соль цинка и водород. Запишем и уравняем реакцию.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; выделяется водород.
Задача 2. Записать горение водорода и найти объём кислорода для полного сгорания 4 л H₂ при одинаковых условиях. Сначала уравниваем реакцию: коэффициенты показывают не только соотношение частиц, но и объёмов газов, если условия одинаковы. Из уравнения видно, сколько объёмов O₂ требуется на два объёма H₂.
Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; необходимо 2 л кислорода.
Задача 3. Водород пропустили над нагретым оксидом меди(II). Нужно записать реакцию, определить восстановитель и вычислить массу меди из 16 г CuO. В уравнении водород связывает кислород, а медь выделяется в простом виде. Используем соотношение веществ по уравнению и молярные массы CuO = 80 г/моль, Cu = 64 г/моль.
Ответ: CuO + H₂ → Cu + H₂O; восстановитель — водород, масса меди — 12,8 г.
Первая ошибка — смешивать химический элемент водород и простое вещество H₂. Её допускают, потому что одним словом называют и атомы в составе соединений, и газ. Проверьте смысл записи: если описывается состав воды, речь об атомах элемента, если горение или объём газа — о молекулах H₂.
Вторая ошибка — записывать формулу простого вещества как H. Так бывает, когда символ элемента принимают за формулу его газа. Перед проверкой уравнения вспомните, что молекула водорода двухатомна, и посчитайте атомы: слева и справа должно быть одинаковое количество H.
Третья ошибка — считать водород только восстановителем. В реакциях с кислородом и оксидами металлов он действительно выступает восстановителем, но с активными металлами может принимать электроны и быть окислителем. Чтобы проверить роль, сравните степень окисления водорода до реакции и после неё.
Четвёртая ошибка — путать получение водорода из кислоты с реакцией металла с водой. Состав продуктов определяется реагентами и условиями: при реакции подходящего металла с кислотой обычно получаются соль и H₂, а взаимодействие с водой может приводить к другим продуктам. Проверьте, какое именно вещество указано в условии, и не заменяйте кислоту водой в уравнении.
Для изучения водорода нужны знания о строении атома, химическом элементе и простом веществе. Понятия индексов и коэффициентов помогают правильно записывать формулы и уравнения реакций. Без них трудно отличить H от H₂ и рассчитать объёмы газов или массу продукта.
Тема водорода связана с кислотами и металлами, потому что их взаимодействие используют для получения газа. Она также готовит к изучению окислительно-восстановительных реакций: на примере водорода видно, что одно вещество может менять роль в зависимости от партнёра. Знание способов получения помогает понять применение водорода в химическом производстве и как топлива.
Почему формула простого вещества водорода — H₂, а не H?
При обычных условиях два атома водорода соединяются в устойчивую молекулу. Поэтому простое вещество состоит из двухатомных молекул H₂, а H обозначает один атом или химический элемент в составе вещества.
Чем химический элемент водород отличается от газа водорода?
Химический элемент — это атомы с зарядом ядра +1, которые могут входить в состав разных веществ. Газ водород — простое вещество из молекул H₂, каждая из которых содержит два таких атома.
Почему водород называют и восстановителем, и окислителем?
В реакции с кислородом или оксидом металла водород отдаёт электроны и выступает восстановителем. С активными металлами он может принимать электроны, образуя гидриды, поэтому в таких реакциях является окислителем.
Как безопасно проверить, что выделившийся газ — водород?
В школьном опыте газ собирают в небольшую пробирку и проверяют у её отверстия горящей лучинкой под руководством учителя. Водород вспыхивает с характерным тихим хлопком, но проверять большой объём газа нельзя: смесь с воздухом или кислородом взрывоопасна.
Чем отличаются протий, дейтерий и тритий?
У всех трёх изотопов заряд ядра одинаков — +1, но различается число нейтронов. У протия нейтронов нет, у дейтерия один, у трития два; тритий радиоактивен.
Водород
