15.1. Водород

Определения и обозначения

Водород — химический элемент с порядковым номером 1, его символ — H. В Периодической системе он стоит в первом периоде и помещён в первую группу, поскольку у атома один электрон на внешнем энергетическом уровне. Ядро обычного атома содержит один протон, а электронная конфигурация записывается как 1s¹. Это строение помогает объяснить, почему водород образует связи с разными элементами.

Молекула водорода — двухатомная частица H₂, в которой атомы соединены ковалентной неполярной связью, то есть совместно используют электронную пару. Простое вещество записывают именно как H₂, потому что два атома вместе энергетически устойчивее, чем отдельные атомы. Символ H при этом обозначает элемент или отдельный атом, а не обычную молекулу газа. Различие между H и H₂ нужно учитывать при записи формул и уравнений реакций.

Изотопы водорода — атомы одного элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным числом нейтронов. Протий имеет один протон и не имеет нейтронов, дейтерий содержит один нейтрон, а тритий — два. Протий составляет почти весь природный водород; дейтерия мало, а тритий встречается в следовых количествах и радиоактивен. Изотопы нужны, например, для изучения состава веществ и ядерных процессов.

Атомарный водород — отдельные атомы H, не объединённые в молекулу H₂. Он обладает большей реакционной способностью, поскольку при соединении атомов в молекулу выделяется энергия, а сама молекула оказывается устойчивее. Поэтому атомарный водород быстро вступает в реакции и обычно существует лишь кратковременно. Это понятие помогает отличать активные частицы от обычного молекулярного газа.

Как это устроено

У водорода один электрон, и он может участвовать в образовании связи, отдавать или принимать электрон. Поэтому положение элемента в первой группе не означает, что его свойства во всём совпадают со свойствами щелочных металлов: у водорода нет внутренней электронной оболочки, характерной для них. В соединениях с более электроотрицательными неметаллами водород обычно имеет степень окисления +1, а с активными металлами — −1. Степень окисления 0 характерна для простого вещества H₂, поэтому водород может быть и восстановителем, и окислителем.

Два атома водорода сближаются и образуют общую электронную пару: она притягивается к обоим ядрам и удерживает их вместе. При этом выделяется энергия, поэтому молекула H₂ устойчивее двух раздельных атомов. Связь неполярная, так как ядра одинаковы и притягивают общую пару одинаково. Для разрыва этой связи энергию нужно затратить, поэтому молекулярный водород менее реакционноспособен, чем атомарный.

Протий, дейтерий и тритий различаются массой ядер, но имеют одинаковый заряд ядра и одинаковое число электронов в нейтральном атоме. Именно электронное строение в основном определяет химическое поведение, поэтому изотопы реагируют сходным образом. Их физические свойства могут немного отличаться из-за разной массы, что особенно заметно у соединений дейтерия. Тритий радиоактивен и постепенно распадается, тогда как протий и дейтерий стабильны.

Молекулы H₂ очень малы и имеют небольшую массу, поэтому водород — газ с чрезвычайно малой плотностью. Между неполярными молекулами действуют слабые силы притяжения: для их разделения нужно мало энергии, что объясняет низкие температуры плавления и кипения. Вода притягивает полярные частицы лучше, чем неполярные молекулы H₂, поэтому водород растворяется в ней слабо. Горючесть связана не с самим фактом малой плотности, а с быстрой экзотермической реакцией водорода с кислородом.

Водород реагирует с кислородом и галогенами, образуя воду и соответствующие соединения, но скорость зависит от условий: для запуска реакции может понадобиться нагревание или свет. С металлами водород образует гидриды, где может иметь степень окисления −1. Водород способен восстанавливать некоторые оксиды металлов: кислород переходит к водороду, а металл выделяется. Катализатор ускоряет реакцию, снижая энергетический барьер, но не меняет её итоговое уравнение.

Состав, свойства и получение водорода

Таблица помогает быстро связать строение водорода с его свойствами и химическими превращениями. Для решения задач сначала выберите нужную строку, а затем проверьте, согласуется ли уравнение с описанным свойством. В уравнениях следите за коэффициентами: они задают соотношение количеств веществ и газов.

Разбор задач

Задача 1. Определить роль водорода в реакции H₂ + CuO → Cu + H₂O и указать, какое вещество окисляется, а какое восстанавливается. Здесь нужно сравнить степени окисления до и после реакции, а не судить о роли по названию вещества. Кислород в оксиде меди переходит к водороду, а медь выделяется как простое вещество. Запишем изменения степеней окисления по шагам.

1. В H₂ водород имеет степень окисления 0, а в H₂O — +1. Его степень окисления увеличилась, значит, водород окислился.
2. В CuO медь имеет степень окисления +2, а в Cu — 0. Медь восстановилась, поскольку приняла электроны.
3. Вещество, которое окисляется и отдаёт электроны другому участнику, является восстановителем. Поэтому H₂ — восстановитель, а CuO восстанавливается.

Ответ: водород — восстановитель; водород окисляется, медь в составе CuO восстанавливается.

Задача 2. Какой объём H₂ при н. у. выделится из 6,5 г цинка при избытке HCl? Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Избыток кислоты означает, что количество газа ограничено только количеством цинка. Найдём количество цинка, затем по коэффициентам уравнения — количество водорода.

1. Молярная масса цинка M(Zn) ≈ 65 г/моль, поэтому n(Zn) = m/M = 6,5/65 = 0,10 моль.
2. По уравнению 1 моль Zn даёт 1 моль H₂. Значит, n(H₂) = 0,10 моль.
3. При нормальных условиях молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Тогда V(H₂) = n·Vm = 0,10·22,4 = 2,24 л.

Ответ: выделится 2,24 л водорода при н. у.

Задача 3. Смесь H₂ и O₂ имеет объём 30 л, после реакции осталось 6 л кислорода. Найдём исходные объёмы газов при одинаковых условиях. По уравнению 2H₂ + O₂ → 2H₂O два объёма водорода реагируют с одним объёмом кислорода. Остаток показывает, что кислород был в избытке и именно он не прореагировал полностью.

1. Обозначим исходный объём H₂ за x л, а O₂ — за y л. Тогда x + y = 30.
2. На реакцию израсходовано y − 6 л кислорода. По объёмному соотношению водорода и кислорода x = 2(y − 6).
3. Подставим в первое равенство: 2(y − 6) + y = 30, откуда 3y = 42 и y = 14 л. Тогда x = 16 л.

Ответ: исходно было 16 л H₂ и 14 л O₂. Проверка: 8 л кислорода прореагировали с 16 л водорода, а 6 л кислорода остались.

Типичные ошибки

Запись H вместо H₂ возникает, когда символ элемента путают с формулой простого вещества. В обычных условиях водород состоит из двухатомных молекул, поэтому в уравнениях горения и получения газа пишут H₂. Проверьте, обозначаете ли вы отдельный атом или газообразное простое вещество. Балансировка уравнения также помогает заметить пропущенный индекс или коэффициент.

Считать водород только окислителем или только восстановителем неверно, потому что его степень окисления меняется в зависимости от партнёра по реакции. В воде водород обычно имеет +1, а в гидриде натрия — −1; в H₂ она равна 0. Чтобы проверить роль, сравните степени окисления до и после реакции. Рост означает окисление самого водорода, снижение — восстановление.

Смесь водорода с кислородом или воздухом нельзя считать безопасной до поджигания: она может взорваться при воспламенении. Эту ошибку допускают, принимая отсутствие пламени за отсутствие опасности. Водород перед испытанием проверяют на чистоту, а пробу с огнём проводят только в безопасных условиях. Не поджигайте неизвестную смесь и не собирайте её в большом объёме.

При электролизе воды на катоде выделяется H₂, а на аноде — O₂; их объёмное отношение равно 2:1 при одинаковых условиях. Равные объёмы ошибочно получают, если не учитывать коэффициенты в уравнении 2H₂O → 2H₂ + O₂. Для проверки сопоставьте число молекул и коэффициенты: водорода образуется вдвое больше. Также убедитесь, что не перепутаны продукты у электродов.

Связь с другими темами

Для понимания водорода понадобятся знания о строении атома, электронных конфигурациях и Периодической системе. Понятие изотопов объясняет, почему атомы одного элемента могут иметь ядра разной массы. Эти знания позволяют связать положение водорода с его химическими свойствами.

При изучении реакций водорода пригодятся правила составления уравнений окислительно-восстановительных реакций и определения степеней окисления. Расчёт выделившегося газа опирается на количество вещества, молярную массу и молярный объём. Объёмные отношения газов позволяют решать задачи по уравнениям реакций.

Дальше тема встретится при изучении гидридов, кислот и оснований, а также органических реакций гидрирования. В электрохимии водород важен для понимания электролиза и процессов на электродах. Его свойства и способы получения связаны с водородной энергетикой и промышленным синтезом.

Что запомнить

• Водород — элемент H с порядковым номером 1 и электронной конфигурацией 1s¹.
• Простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂.
• Основные изотопы водорода — протий, дейтерий и тритий.
• Водород — самый лёгкий газ, плохо растворимый в воде и образующий с кислородом взрывоопасную смесь.
• В большинстве соединений водород имеет степень окисления +1, а в гидридах активных металлов — −1.
• При горении водорода образуется вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
• В промышленности водород получают главным образом из природного газа и воды, а в лаборатории — реакцией металлов с кислотами.