§ 13. Классификация простых веществ. Водород

Определения и обозначения

Простое вещество — вещество, образованное атомами одного химического элемента. Например, H₂, O₂, Fe и S являются простыми веществами. Это понятие нужно отличать от химического элемента: элемент описывает вид атомов, а простое вещество — конкретную форму их существования.

Металлы и неметаллы — две основные группы простых веществ. Металлы обычно имеют блеск, хорошо проводят тепло и электрический ток, а неметаллы чаще являются плохими проводниками и могут быть газами или хрупкими твёрдыми веществами. Такая классификация помогает заранее предположить физические и химические свойства вещества.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Например, углерод образует алмаз и графит, а кислород — O₂ и O₃. Аллотропные модификации имеют разное строение, поэтому отличаются свойствами.

Водород — химический элемент с символом H и порядковым номером 1; его простое вещество обозначают формулой H₂. Индекс 2 показывает, что молекула состоит из двух атомов водорода. В уравнениях реакций водород записывают как H₂, а не как отдельный символ H.

Как это устроено

Различия между металлами и неметаллами объясняются строением их атомов и связью между частицами. В металлах внешние электроны сравнительно легко перемещаются между атомами, поэтому металлический кристалл проводит электрический ток. В неметаллах электроны сильнее удерживаются атомами или участвуют в направленных ковалентных связях, поэтому свободных носителей заряда обычно мало.

Физическое состояние простого вещества также связано со строением. Частицы металлов соединены прочной металлической связью, поэтому большинство металлов — твёрдые вещества с высокими температурами плавления. У неметаллов встречаются молекулярные кристаллы и отдельные молекулы, поэтому среди них есть газы, жидкости и хрупкие твёрдые вещества.

В атоме водорода один электрон, находящийся на первом энергетическом уровне. Два атома объединяются общей электронной парой и образуют устойчивую двухатомную молекулу H₂, поэтому в обычных условиях водород существует как газ. Небольшая масса молекулы объясняет его очень малую плотность и высокую скорость диффузии.

Водород горюч, потому что при соединении его атомов с атомами кислорода образуются прочные связи в молекулах воды и выделяется энергия. Реакция записывается так: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. При смешивании водорода с воздухом реакция может идти резко, поэтому такие смеси называют взрывоопасными и не проверяют поджиганием.

Получение водорода основано на способности некоторых веществ отдавать ему электроны или разлагаться под действием электрического тока. Например, цинк вытесняет водород из соляной кислоты: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. При электролизе воды электрическая энергия разрывает связи в молекулах H₂O, и на электродах образуются водород и кислород.

Сравнение металлов, неметаллов и водорода

Сначала определите, о каком объекте говорится: об элементе, простом веществе или аллотропной форме. Затем сравните наблюдаемое свойство с признаками в таблице, не делая вывод только по одному признаку. Формулу H₂ нужно выбирать, когда речь идёт о молекулярном простом веществе водороде, а символ H — об атоме или химическом элементе.

Разбор задач

Задача

При взаимодействии цинка с соляной кислотой получили 4,48 л водорода при нормальных условиях. Найдите количество вещества водорода и массу цинка, вступившего в реакцию. Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Считайте, что реакция прошла полностью.

1. Запишем известные данные. Молярный объём газа при нормальных условиях равен 22,4 л/моль, а объём водорода составляет 4,48 л. Сначала найдём количество вещества газа, потому что коэффициенты уравнения связывают именно количества вещества.
2. Вычислим количество водорода. Используем формулу n = V/Vₘ: n(H₂) = 4,48 л / 22,4 л/моль = 0,20 моль. Значит, в реакции образовалось 0,20 моль молекул H₂.
3. Используем уравнение реакции. Перед Zn и H₂ стоят одинаковые коэффициенты, поэтому n(Zn) = n(H₂) = 0,20 моль. Это соотношение показывает, сколько цинка потребовалось для образования найденного количества водорода.
4. Найдём массу цинка. Молярная масса цинка M(Zn) ≈ 65 г/моль, поэтому m(Zn) = nM = 0,20 моль · 65 г/моль = 13 г. Единицы сокращаются, и получается масса в граммах.

Ответ: количество вещества водорода равно 0,20 моль, масса прореагировавшего цинка — примерно 13 г. Проверка показывает, что 0,20 моль H₂ при нормальных условиях действительно занимают 4,48 л. Важно было использовать коэффициенты уравнения только после его правильной записи.

Типичные ошибки

• Записывают водород как H. Так обозначают атом или химический элемент, но простое вещество в обычных условиях состоит из молекул H₂. Проверить себя можно по вопросу: говорится об отдельных атомах или о газе, участвующем в реакции.
• Считают все простые вещества металлами или неметаллами только по агрегатному состоянию. Газообразность не является единственным критерием: водород и кислород — неметаллы, а ртуть — металл и жидкость. Нужно учитывать совокупность свойств и положение элемента в периодической системе.
• Путают элемент и простое вещество. Формулировка «кислород входит в состав воды» относится к химическому элементу, а запись O₂ — к простому веществу. Для проверки замените название формулой и спросите, описываются атомы или самостоятельные молекулы.
• Не уравнивают реакцию водорода с кислородом. Запись H₂ + O₂ → H₂O нарушает сохранение числа атомов кислорода и водорода. После расстановки коэффициентов должно получиться 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Связь с другими темами

Классификация простых веществ опирается на периодическую систему: положение элемента и строение его внешнего электронного слоя помогают предсказывать свойства металлов и неметаллов. Аллотропия связывает строение вещества с его физическими характеристиками, поэтому особенно важна при изучении химической связи и кристаллических решёток.

Водород связывает несколько тем курса. Его реакции показывают свойства окислительно-восстановительных процессов, получение в лаборатории связано с активностью металлов, а расчёты объёма газа используют понятия количества вещества и молярного объёма.

Что запомнить

• Простое вещество состоит из атомов одного химического элемента.
• Простые вещества делят на металлы и неметаллы по строению и характерным свойствам.
• Аллотропия — существование одного элемента в виде нескольких простых веществ.
• Водород как простое вещество имеет формулу H₂ и состоит из двухатомных молекул.
• Водород — самый лёгкий горючий газ; при реакции с кислородом образуется вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
• В лаборатории водород можно получить реакцией цинка с кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.
• Смесь водорода с воздухом или кислородом взрывоопасна.