§ 15. Водород и кислород

Определения и обозначения

Водород как химический элемент — вид атомов с зарядом ядра +1, символ H; он занимает первое место в периодической системе. Простое вещество водород обозначают H₂: его молекула состоит из двух атомов H. Различие нужно, чтобы не путать характеристику атомов с веществом, которое можно получить, измерить и использовать.

Кислород как химический элемент O занимает шестнадцатое место в периодической системе. Простое вещество кислород O₂ состоит из двух атомов кислорода в каждой молекуле; в соединениях кислород чаще всего имеет степень окисления −2, а в O₂ — 0. Это разграничение помогает верно записывать формулы и определять изменение степеней окисления в реакциях.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Кислород образует O₂ и O₃: молекула первого вещества двухатомная, второго — трёхатомная. Понятие объясняет, почему вещества из атомов одного элемента могут вести себя по-разному.

Озон O₃ — аллотропная модификация кислорода, состоящая из молекул по три атома O. По сравнению с O₂ он химически активнее, имеет характерный запах и токсичен в высокой концентрации. Поэтому обозначения O₂ и O₃ нельзя использовать как названия одного и того же вещества.

Как это устроено

У атомов водорода по одному электрону, а у атомов кислорода — по шесть электронов на внешнем уровне. При образовании молекул H₂ и O₂ атомы объединяются общими электронными парами, что делает их электронные оболочки устойчивее. Связи в молекулах достаточно прочны, но при обычной температуре межмолекулярное притяжение невелико: поэтому оба вещества существуют как газы.

Водород встречается и свободным, и связанным, но в земной коре и атмосфере преобладают соединения. Он входит в состав воды, органических веществ, кислот и многих минералов; свободного H₂ мало, в частности потому, что лёгкий газ уходит из верхних слоёв атмосферы, а также вступает в реакции. Кислород есть в воздухе в свободном виде, а в связанном — прежде всего в воде, оксидах и силикатах земной коры.

H₂ — бесцветный газ без запаха, самый лёгкий из газов, малорастворимый в воде. Из-за малой плотности его собирают вытеснением воздуха в перевёрнутый сосуд, а из-за низкой растворимости возможно собирание над водой. O₂ тоже бесцветен и малорастворим в воде, но плотнее воздуха; он растворяется в воде достаточно, чтобы обеспечивать дыхание водных организмов. Эти особенности определяют выбор способа сбора газов.

Водород реагирует с кислородом с образованием воды: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; с хлором он образует хлороводород: H₂ + Cl₂ → 2HCl. В таких реакциях водород обычно отдаёт электроны и выступает восстановителем, но с очень активными металлами может принимать электроны: 2Na + H₂ → 2NaH. Кислород принимает электроны и обычно является окислителем, например в реакции 2Mg + O₂ → 2MgO; сам он не горит, а поддерживает горение других веществ.

В лаборатории водород получают реакцией металла с кислотой, например Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑; газ собирают вытеснением воздуха или над водой. В промышленности его производят из природного газа с водяным паром либо электролизом воды. Кислород в лаборатории получают разложением H₂O₂ в присутствии катализатора MnO₂ или нагреванием некоторых солей; его собирают над водой или вытеснением воздуха. Промышленный кислород получают разделением жидкого воздуха, используя различие температур кипения его компонентов.

Сравнение водорода и кислорода

Сравнивайте свойства в одной строке: так легче увидеть, как плотность и растворимость влияют на сбор газа, а химическая роль — на характер реакций. Указанные способы получения типичны, но конкретный выбор зависит от нужного количества и чистоты газа.

Разбор задач

Реакция водорода с кислородом

Составим уравнение реакции, найдём коэффициенты и назовём продукт. Исходные вещества — двухатомные молекулы H₂ и O₂; водород при полном сгорании образует воду H₂O. Проверка числа атомов с обеих сторон уравнения покажет, правильно ли расставлены коэффициенты.

1. Запишем схему: H₂ + O₂ → H₂O.
2. В левой части два атома O, поэтому поставим 2 перед H₂O: H₂ + O₂ → 2H₂O.
3. Справа стало четыре атома H, значит, поставим 2 перед H₂: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
4. Проверим: слева и справа по четыре атома H и два атома O.

Ответ: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; продукт реакции — вода. Уравнение также показывает, что на две молекулы водорода расходуется одна молекула кислорода.

Объём кислорода для сгорания водорода

Найти объём O₂, необходимый для полного сгорания 12 л H₂ при одинаковых температуре и давлении. Уравнение уже уравнено: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Для газов в одинаковых условиях отношение объёмов соответствует коэффициентам, поэтому вычислять количество вещества отдельно не требуется.

1. Выпишем отношение объёмов: V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1.
2. Кислорода нужно вдвое меньше, чем водорода: V(O₂) = 12 л ÷ 2.
3. Получаем V(O₂) = 6 л.

Ответ: для полного сгорания 12 л водорода требуется 6 л кислорода. Такой расчёт применим при одинаковых температуре и давлении и при условии полного протекания реакции.

Выход водорода при реакции металла с кислотой

Из 4,8 г магния получили водород действием избытка соляной кислоты; выход продукта составил 90 %. Найдём объём H₂ при нормальных условиях, где молярный объём газа равен 22,4 л/моль. Сначала расчёт ведут для теоретического выхода, затем уменьшают результат на долю, соответствующую фактическому выходу.

1. Запишем реакцию: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑. По уравнению 1 моль Mg даёт 1 моль H₂.
2. Найдём количество магния: n(Mg) = 4,8 г ÷ 24 г/моль = 0,20 моль. Значит, теоретически n(H₂) = 0,20 моль.
3. Рассчитаем теоретический объём: V(H₂) = 0,20 × 22,4 = 4,48 л.
4. Учтём выход 90 %: Vфакт = 4,48 × 0,90 = 4,032 л ≈ 4,03 л.

Ответ: получится примерно 4,03 л водорода. Перед расчётом проверьте, что кислота дана в избытке, а значит, ограничивающим реагентом является магний.

Типичные ошибки

Считать H₂ химическим элементом — значит смешивать атомы и молекулы вещества. Путаница возникает из-за общего названия «водород», хотя элемент обозначают H, а простое вещество — H₂. Проверка: спросите себя, речь идёт о виде атомов или о газе, состоящем из молекул.

Кислород иногда называют горючим, потому что без него многие вещества не горят. На самом деле горючее вещество окисляется, а O₂ поддерживает этот процесс, выступая окислителем. Проверить себя можно по смыслу реакции: кислород не служит топливом и сам не горит.

Утверждение, что водород всегда восстановитель, не учитывает реакции с активными металлами. В гидридах, например NaH, водород имеет степень окисления −1 и принимает электроны от металла. Проверяйте степени окисления до и после реакции: именно их изменение показывает роль вещества.

O₂ и O₃ порой принимают за одно вещество с разными записями. Это разные аллотропные модификации: кислород состоит из двух атомов в молекуле, озон — из трёх, и свойства у них различаются. Самопроверка проста: сверяйте индекс в формуле и не подменяйте обозначение одного вещества другим.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания о строении атома и электронных оболочках: они объясняют образование молекул и изменение степеней окисления. Валентность и правила составления формул помогают записывать вещества и уравнения реакций. Связь с окислительно-восстановительными процессами показывает, почему водород может быть восстановителем, а кислород — окислителем.

Реакции водорода и кислорода связывают тему с горением и получением неорганических веществ. А расчёты по уравнениям опираются на стехиометрию — соотношения количеств реагентов и продуктов. Для газов при одинаковых температуре и давлении это соотношение можно применять непосредственно к объёмам.

Что запомнить

• Молекулы простых веществ водорода и кислорода двухатомны: H₂ и O₂.
• Водород — самый лёгкий газ; в природе он преимущественно входит в состав соединений.
• Кислород поддерживает горение, но сам не является горючим веществом.
• В реакциях с кислородом водород образует воду.
• Кислород O₂ и озон O₃ — аллотропные модификации одного химического элемента.
• Способ получения и собирания газа выбирают с учётом его свойств и растворимости.