Print bookPrint book

§ 29. Водород

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 29. Водород
Printed by: Guest user
Date: Sunday, 26 May 2024, 8:42 AM

Водород как химический элемент

img

Имея самую малую массу атома, атом водорода straight H presubscript 1 presuperscript 1 имеет и самое простое строение: ядро, представляющее собой протон, и один электрон, который размещается на 1s-орбитали. Электронная конфигурация 1Н 1s1, электронно-графическая схема: straight H presubscript 1 stack box enclose upwards arrow with 1 s on top.

Электроотрицательность водорода равна 2,2. Это выше, чем у металлов, кремния, но меньше электроотрицательности кислорода и других халькогенов, галогенов. Поэтому для водорода характерны степени окисления –1, 0 и +1, например, Li straight H with negative 1 on top (гидрид лития), Si straight H with negative 1 on top subscript 4 (силан), straight C straight H with plus 1 on top subscript 4 (метан), straight H with plus 1 on top subscript 2 straight O (оксид водорода, вода).

Как вы уже знаете, природный водород состоит из двух стабильных изотопов — straight H presubscript 1 presuperscript 1 (протий — 99,98 % от общего числа атомов), straight H presubscript 1 presuperscript 2 (дейтерий D — 0,015 %) и радиоактивного straight H presubscript 1 presuperscript 3 (тритий Т — следовые количества) (§ 7, рис. 12).

Водород является самым распространённым элементом во Вселенной. На Земле на долю водорода по массе, считая воду и воздух, приходится около 1 %, а при пересчёте от общего числа атомов — около 17 %. Водород преимущественно находится в связанном состоянии. Он входит в состав воды, нефти, природного газа, живых организмов. В виде простого вещества водород почти не встречается. Следовые количества его обнаружены в верхних слоях атмосферы, вулканических газах и продуктах разложения бактериями органических веществ в условиях недостатка воздуха.

Водород как простое вещество

Водород как простое вещество состоит из двухатомных молекул Н2, в которых атомы связаны ковалентной одинарной σ-связью, образующейся при перекрывании 1s-орбиталей:

img или img

Электронная и графическая формулы молекулы имеют вид: Н:Н и Н—Н.

Физические свойства. Водород при нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса, плотностью 0,089 г/дм3. Имеет очень низкие температуры кипения (–252,6 °С) и плавления (–259,2 °С). Растворимость водорода в воде как полярном растворителе мала, поэтому его можно собирать в сосуд методом вытеснения воды. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.).

Химические свойства. Химическая активность водорода при комнатной температуре небольшая, так как высока прочность ковалентной связи в молекуле. В химических реакциях водород может быть как восстановителем (что более характерно), так и окислителем.

1. Реакции с простыми веществами:

а) реагирует как восстановитель с неметаллами, атомы которых имеют по сравнению с водородом более высокую электроотрицательность — галогенами, азотом, серой, кислородом:

straight H with 0 on top subscript 2 space end subscript plus space Сl subscript 2 stack space equals space with h v on top 2 straight H with plus 1 on top Cl semicolon
3 straight H with 0 on top subscript 2 space plus space straight N subscript 2 not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with italic space t comma space p comma space кат. space on top 2 straight N straight H with plus 1 on top subscript 3 semicolon
straight H with 0 on top subscript 2 space plus space straight S stack space equals with t on top space straight H with plus 1 on top subscript 2 straight S semicolon
2 straight H with 0 on top subscript 2 space plus space straight О subscript 2 stack space equals with t on top space 2 straight H with plus 1 on top subscript 2 straight О.

Следует отметить, что водород не взаимодействует с фосфором и кремнием;

б) реагирует как окислитель со щелочными и щёлочноземельными металлами, образуя гидриды:

2 Na space plus stack space straight H with 0 on top subscript 2 space equals with t on top space 2 Na straight H with negative 1 on top semicolon
Ca space plus stack space straight H with 0 on top subscript 2 stack space equals space with t on top Ca straight H with negative 1 on top subscript 2.

Гидриды легко разлагаются водой с выделением водорода:

Ca straight H with negative 1 on top subscript 2 space plus space 2 straight H subscript 2 straight О space equals space 2 straight H with 0 on top subscript 2 upwards arrow plus space Са left parenthesis ОН right parenthesis subscript 2 downwards arrow.

2. Реакции со сложными веществами:

а) взаимодействует с некоторыми оксидами металлов В-групп как восстановитель:

WO subscript 3 space plus space 3 straight H with 0 on top subscript 2 space end subscript stack equals space with t on top straight W space plus space 3 straight H with plus 1 on top subscript 2 straight О semicolon
CuO space plus stack space straight H with 0 on top subscript 2 space end subscript stack equals space with t on top Cu space plus space straight H with plus 1 on top subscript 2 straight О semicolon

б) реагирует с органическими веществами, содержащими кратные связи (реакция гидрирования) — алкенами, алкинами, диенами, аренами, а также альдегидами. Например:

stack СН subscript 2 with этен below equals СН subscript 2 space plus space straight Н subscript 2 space end subscript not stretchy rightwards arrow with Ni comma space t on top stack space СН subscript 3 with этан below minus СН subscript 3.

ul

Реагирует с триглицеридами, содержащими остатки ненасыщенных карбоновых кислот:

Получение. Для получения водорода в лаборатории применяют металлы cредней активности (цинк, алюминий, железо) и кислоты (хлороводородную или серную):

Zn + 2НCl = ZnCl2 + Н2↑.

При этом часто используют аппарат Киппа — устройство, позволяющее получать газообразные вещества и регулировать их ток (рис. 63).

img
Рис. 63. Аппарат Киппа.
Получение водорода
в лаборатории
img

Важнейшими способами получения водорода в промышленности являются:

1) взаимодействие паров воды с метаном:

begin mathsize 14px style СН subscript 4 space plus space straight Н subscript 2 straight О equals with 1000 space degree straight С on top 3 straight Н subscript 2 space plus space СО semicolon end style

2) взаимодействие паров воды с раскалённым коксом:

begin mathsize 14px style straight С space plus space straight Н subscript 2 straight О equals with 1000 space degree straight C on top straight Н subscript 2 space plus space СО semicolon end style

3) электролиз воды (в присутствии электролита):

begin mathsize 14px style 2 straight Н subscript 2 straight О space stack equals space with ⚡ on top 2 straight Н subscript 2 space end subscript plus space straight О subscript 2. end style

Применение. Одно из важнейших физических свойств водорода — малая плотность, поэтому его используют для наполнения зондов, исследующих верхние слои атмосферы.

В химической промышленности водород используют для получения аммиака NH3, хлороводорода НСl, метанола (СО + 2Н2 = СН3ОН), многих металлов из их оксидов, например тугоплавких молибдена и вольфрама. Уже сейчас работают заводы, на которых для восстановления оксидов железа до металла вместо углерода (кокса) используют водород. Водород находит применение в производстве маргарина из растительных масел.

Реакция горения водорода в кислороде (2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж) используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты (рис. 64). Например, мощная космическая ракета «Энергия» потребляет более 2000 тонн топлива, большую часть которого составляют жидкие водород и кислород. В настоящее время начато производство автомобилей, топливом в которых служит водород (рис. 65).

Эту же реакцию применяют и для сварочных работ (рис. 66). При использовании специальных горелок достигают температуры пламени около 4000 °C, что позволяет проводить сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

#
Рис. 64. Старт космической
ракеты
#
Рис. 65. Автозаправка водородом
#
Рис. 66. Сварка ювелирных изделий
кислородно-водородным пламенем

Учёные разных стран ведут поиски путей замены на водород нефти, газа и угля как топлива. При сгорании последних образуются вещества, загрязняющие и разрушающие окружающую среду (СО2, СО, SO2 и др.), в то время как продуктом сгорания водорода является экологически чистое вещество — вода.

Летучие водородные соединения

Летучие водородные соединения являются веществами молекулярного строения, которые при нормальных условиях представляют собой газы (НСl, NH3, H2S) или жидкости (Н2O, НF) (рис. 67).

img
Рис. 67. Летучие водородные соединения неметаллов

Кислотно-основные свойства водных растворов летучих водородных соединений изменяются в зависимости от положения элемента в периодической системе. Известно, что СН4 не растворяется в воде, NH3 образует слабое основание NH3 · Н2O, раствор НF — слабая, а раствор HCl — сильная кислота:

NH subscript 3 space bold times bold space straight Н subscript 2 straight O space rightwards arrow over leftwards arrow space NH subscript 4 superscript plus space plus space OН to the power of – semicolon
straight Н subscript 2 straight О space rightwards arrow over leftwards arrow space straight Н to the power of plus space plus space ОН to the power of – semicolon
HF space rightwards arrow over leftwards arrow space straight H to the power of plus space end exponent plus space straight F to the power of – semicolon
HCl space rightwards arrow space straight H to the power of plus space plus space Cl to the power of –.

Значит, кислотные свойства водородных соединений неметаллов в периоде и в группе усиливаются.

Для атома водорода характерны степени окисления –1, 0, +1. Простое вещество водород может быть как окислителем, так и восстановителем.

Водные растворы летучих водородных соединений могут проявлять свойства кислот, оснований.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите:

  • а) изотопы водорода;
  • б) возможные степени окисления атома водорода;
  • в) группы веществ, с которыми может реагировать водород;
  • г) реагенты для получения водорода в лаборатории.

2. Из предложенного перечня уравнений реакций выпишите те, которые характеризуют:

  • а) свойства водорода;
  • б) способы получения водорода:

begin mathsize 14px style Fe subscript 2 straight O subscript 3 space plus space 3 straight H subscript 2 stack space equals space with t on top 2 Fe space plus space 3 straight Н subscript 2 straight О semicolon
2 straight Н subscript 2 straight О stack space equals with ⚡ on top space 2 straight H subscript 2 space plus space straight O subscript 2 semicolon
straight H subscript 2 space plus space Cl subscript 2 stack space equals with h v on top space space 2 HCl semicolon
Zn space plus space 2 HCl space equals space ZnCl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 upwards arrow semicolon
straight H subscript 2 space plus space НСНО equals with Ni comma space t on top space СН subscript 3 ОН semicolon
Zn space plus space 2 straight H subscript 2 straight O space plus space 2 NaOH space equals space Na subscript 2 left square bracket Zn left parenthesis OH right parenthesis subscript 4 right square bracket space plus space straight H subscript 2 upwards arrow. end style

3. Заполните таблицу «Применение водорода».

Свойства водорода Области применения Уравнение реакции
Реакция с кислородом

Взаимодействие с азотом

Взаимодействие с хлором

Взаимодействие с оксидами тугоплавких металлов

Гидрирование бензола

4. Составьте уравнения реакций образования водорода (металлы олово Sn и никель Ni окисляются до степени окисления +2):

  • а) Мg + Н2SO4 →; Sn + HCl →; НCl + Zn →;
  • б) Аl + Н2SO4 →; Ni + HCl →.

5. Определите максимальный объём водорода (н. у.), который может быть получен в аппарате Киппа при загрузке цинка массой 0,39 кг.

6. Сравните:

  • а) состав ядер протия, дейтерия, трития;
  • б) кислотно-основные свойства водных растворов сероводорода и хлороводорода.

7. Составьте уравнения реакций согласно схеме:

  • а) begin mathsize 14px style straight Н subscript 2 SO subscript 4 stack space not stretchy rightwards arrow with 1 on top space straight Н subscript 2 stack space not stretchy rightwards arrow space with 2 on top NaH space stack space not stretchy rightwards arrow space with 3 on top space straight Н subscript 2 stack space not stretchy rightwards arrow space with 4 on top CН subscript 3 minus CН subscript 3 semicolon end style
  • б) begin mathsize 14px style Cl subscript 2 stack space not stretchy rightwards arrow space with 1 on top НСl space stack space not stretchy rightwards arrow space with 2 on top space straight Н subscript 2 space stack not stretchy rightwards arrow space with 3 on top Fe space stack not stretchy rightwards arrow space with 4 on top straight Н subscript 2 end style.

8. Определите количество теплоты, выделившейся при сгорании водорода объёмом 1 м3 (н. у.), если термохимическое уравнение реакции имеет вид: 2(г) + О2(г) = 2Н2О(г) + 484 кДж.

9. К гидриду неизвестного двухвалентного металла массой 1,05 г добавили воду в избытке. При этом выделился водород объёмом 1,12 дм3 (н. у.). Определите металл.

10. В системе установилось равновесие: begin mathsize 14px style 3 straight H subscript 2 space plus space straight N subscript 2 space rightwards arrow over leftwards arrow space 2 NH subscript 3 end style. Известно, что к этому моменту прореагировало 35 % водорода и образовалось 7 моль аммиака. Определите исходную массу водорода.

*Подготовьте сообщение «Водород — топливо будущего».

Повышенный уровень
§ 29.1
Повышенный уровень
§ 29.2

*Самоконтроль

1. Для получения водорода в лаборатории используют металлы:

  • а) Сu;
  • б) Ca;
  • в) Fe;
  • г) Zn.

2. Для собирания водорода без значительных потерь можно использовать сосуды:

а) Вариант <i>а</i>
б) Вариант <i>б</i>
в) Вариант <i>в</i>
г) Вариант <i>г</i>

3. Водород является окислителем в реакциях с:

  • а) Вa и Na;
  • б) Ca и K;
  • в) Fe3O4 и WO3;
  • г) Li и CН2=CН2.

4. Неблагоприятные последствия для окружающей среды создаёт попадание в атмосферу:

  • а) СО2;
  • б) Н2О;
  • в) SO2;
  • г) Н2S.

5. Сумма коэффициентов в уравнении реакции полного восстановления водородом оксида железа(II,III):

  • а) 4;
  • б) 8;
  • в) 10;
  • г) 12.