§ 29. Водород

Водород как химический элемент

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,  (гидрид лития),  (силан),  (метан), (оксид водорода, вода).

Как вы уже знаете, природный водород состоит из двух стабильных изотопов — (протий — 99,98 % от общего числа атомов), (дейтерий D — 0,015 %) и радиоактивного (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:

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:

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

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

Гидриды легко разлагаются водой с выделением водорода:

2. Реакции со сложными веществами:

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

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

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).

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 (2Н_2(г) + О_2(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.

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).

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:

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

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:

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)
• б) .

8. Определите количество теплоты, выделившейся при сгорании водорода объёмом 1 м³ (н. у.), если термохимическое уравнение реакции имеет вид: 2Н_2(г) + О_2(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: . Известно, что к этому моменту прореагировало 35 % водорода и образовалось 7 моль аммиака. Определите исходную массу водорода.

*Подготовьте сообщение «Водород — топливо будущего».

*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:

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.