Химия. 11 класс

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:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle indentalign=¨center¨»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»§#1057;l«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mrow»«mi»h«/mi»«mi»v«/mi»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mi»Cl«/mi»«mo»;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mn»3«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mo stretchy=¨false¨»§#8644;«/mo»«mrow»«mo mathvariant=¨italic¨»§#160;«/mo»«mi»t«/mi»«mo»,«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»p«/mi»«mo»,«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1082;§#1072;§#1090;«/mi»«mo».«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«mi mathvariant=¨normal¨»N«/mi»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»S«/mi»«mo»;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mn»2«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mrow»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«mo».«/mo»«/mstyle»«/math»

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

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

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle indentalign=¨center¨»«mn»2«/mn»«mi»Na«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mrow»«msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«/mrow»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mover»«mo»=«/mo»«mi»t«/mi»«/mover»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«mi»Na«/mi»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mo»;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mi»Ca«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«/mrow»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mi»Ca«/mi»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo».«/mo»«/mstyle»«/math»

Гидриды легко разлагаются водой с выделением водорода:

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»Ca«/mi»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»-«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»2«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8593;«/mo»«/mpadded»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»§#1057;§#1072;«/mi»«msub»«mrow»«mo»(«/mo»«mi»§#1054;§#1053;«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«mn»2«/mn»«/msub»«mpadded voffset=¨+1px¨»«mo»§#8595;«/mo»«/mpadded»«mo».«/mo»«/math»

2. Реакции со сложными веществами:

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

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mstyle indentalign=¨center¨»«msub»«mi»WO«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mn»0«/mn»«/mover»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mi mathvariant=¨normal¨»W«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mn»3«/mn»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«mo»;«/mo»«mspace linebreak=¨newline¨/»«mi»CuO«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«msub»«mover»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«/mrow»«mn»0«/mn»«/mover»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mrow»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«mi»t«/mi»«/mover»«mi»Cu«/mi»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mover»«mi mathvariant=¨normal¨»H«/mi»«mrow»«mo»+«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/mover»«mn»2«/mn»«/msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1054;«/mi»«mo»;«/mo»«/mstyle»«/math»

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

«math class=¨wrs_chemistry¨ xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«munder»«msub»«mi»§#1057;§#1053;«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mi»§#1101;§#1090;§#1077;§#1085;«/mi»«/munder»«mo»=«/mo»«msub»«mi»§#1057;§#1053;«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1053;«/mi»«mrow»«mn»2«/mn»«mo»§#160;«/mo»«/mrow»«/msub»«mover»«mo stretchy=¨false¨»§#8594;«/mo»«mrow»«mi»Ni«/mi»«mo»,«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mi»t«/mi»«/mrow»«/mover»«munder»«mrow»«mo»§#160;«/mo»«msub»«mi»§#1057;§#1053;«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«/mrow»«mi»§#1101;§#1090;§#1072;§#1085;«/mi»«/munder»«mo»-«/mo»«msub»«mi»§#1057;§#1053;«/mi»«mn»3«/mn»«/msub»«mo».«/mo»«/math»

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.