Положение в периодической системе и строение атома

Порядковый номер водорода $1$ , он находится в 1-м периоде. В атоме один протон и один электрон, электронная формула $1s^1$ . Положение водорода двойственно:

как щелочные металлы, он отдаёт один электрон и проявляет степень окисления $+1$ , поэтому его помещают в главную подгруппу I группы;
как галогены, он принимает один электрон и проявляет степень окисления $-1$ (в гидридах металлов, например $\mathrm{NaH}$ ), поэтому его показывают и в главной подгруппе VII группы.

В соединениях водород всегда одновалентен. У него три изотопа: протий $^1\mathrm{H}$ , дейтерий $^2\mathrm{H}$ (D) и тритий $^3\mathrm{H}$ (T).

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной: Солнце и звёзды состоят в основном из него. На Земле свободного водорода очень мало, он встречается главным образом в соединениях: в воде, природном газе, нефти, во всех живых организмах.

Получение в лаборатории и в промышленности

В лаборатории водород получают действием разбавленной соляной или серной кислоты на цинк (например, в аппарате Киппа):

\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow},

\mathrm{Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow}.

Металлы, стоящие в ряду активности после водорода (Cu, Ag), не вытесняют водород из этих кислот. Самые активные металлы вытесняют водород из воды: $\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}$ . Водород легче воздуха, поэтому его собирают в перевёрнутый вверх дном сосуд или методом вытеснения воды.

В промышленности:

конверсия метана с водяным паром: $\mathrm{CH_4 + H_2O \xrightarrow{t,\ \text{кат.}} CO + 3H_2}$ ;
конверсия угарного газа: $\mathrm{CO + H_2O \xrightarrow{t,\ \text{кат.}} CO_2 + H_2}$ ;
электролиз воды: $\mathrm{2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2H_2 + O_2}$ ;
пропускание водяного пара над раскалённым коксом: $\mathrm{C + H_2O \xrightarrow{t} CO + H_2}$ .

Физические свойства

Водород — газ без цвета, запаха и вкуса, молекула двухатомная ( $\mathrm{H_2}$ , ковалентная неполярная связь). Это самый лёгкий газ: он легче воздуха в $\frac{29}{2} = 14{,}5$ раза. Водород очень мало растворим в воде, сжижается при $-253\,^\circ\mathrm{C}$ , хорошо проводит теплоту и очень быстро диффундирует. Некоторые металлы (например, палладий) поглощают много водорода.

Химические свойства

В большинстве реакций водород — восстановитель ( $0 \rightarrow +1$ ):

с кислородом: $\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$ . Смесь водорода с кислородом в объёмном отношении $2 : 1$ (гремучий газ) при поджигании взрывается, поэтому перед поджиганием водород проверяют на чистоту;
с галогенами: $\mathrm{H_2 + F_2 \rightarrow 2HF}$ (со взрывом даже в темноте и на холоде), $\mathrm{H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl}$ (на свету);
с серой и азотом: $\mathrm{H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S}$ , $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3}$ (температура, давление, железный катализатор);
с оксидами металлов, восстанавливая металл: $\mathrm{CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O}$ , $\mathrm{WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O}$ .

С активными металлами водород — окислитель ( $0 \rightarrow -1$ ), образуются ионные гидриды: $\mathrm{2Na + H_2 \rightarrow 2NaH}$ , $\mathrm{Ca + H_2 \rightarrow CaH_2}$ .

Применение

Водород используют для синтеза аммиака, соляной кислоты и метанола ( $\mathrm{CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH}$ ), для гидрирования жидких растительных масел (производство маргарина), для получения металлов, например вольфрама и молибдена, из их оксидов, для сварки и резки металлов кислородно-водородным пламенем. Жидкий водород служит ракетным топливом. Поскольку при его сгорании образуется только вода, водород считают экологически чистым топливом.

Запомните

$1s^1$ ; степени окисления $+1$ , $0$ , $-1$ (в гидридах); валентность всегда I.
В лаборатории: $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow}$ ; в промышленности: конверсия метана и электролиз воды.
Самый лёгкий газ, легче воздуха в $14{,}5$ раза.
Восстановитель: $\mathrm{CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O}$ ; окислитель: $\mathrm{2Na + H_2 \rightarrow 2NaH}$ .
Смесь $\mathrm{H_2}$ и $\mathrm{O_2}$ в объёмном отношении $2 : 1$ — гремучий газ, она взрывается.

Разобранные примеры

Пример 1
$13$ г цинка прореагировали с избытком соляной кислоты. Найдите объём выделившегося водорода (н. у.) и массу образовавшегося хлорида цинка. ( $A_r$ : Zn $65$ , Cl $35{,}5$ )
Решение
1. Уравнение: $\mathrm{Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow}$ .
2. $n(\mathrm{Zn}) = \frac{13}{65} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{H_2}) = n(\mathrm{ZnCl_2}) = n(\mathrm{Zn}) = 0{,}2$ моль.
3. $V(\mathrm{H_2}) = 0{,}2 \cdot 22{,}4 = 4{,}48$ л.
4. $M(\mathrm{ZnCl_2}) = 65 + 2 \cdot 35{,}5 = 136$ г/моль, $m(\mathrm{ZnCl_2}) = 0{,}2 \cdot 136 = 27{,}2$ г.
Ответ: $4{,}48$ л; $27{,}2$ г.
Пример 2
$24$ г оксида меди(II) при нагревании полностью восстановили водородом. Найдите массу полученной меди и объём израсходованного водорода (н. у.). ( $A_r$ : Cu $64$ , O $16$ )
Решение
1. Уравнение: $\mathrm{CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O}$ .
2. $M(\mathrm{CuO}) = 64 + 16 = 80$ г/моль, $n(\mathrm{CuO}) = \frac{24}{80} = 0{,}3$ моль.
3. Все коэффициенты равны $1$ : $n(\mathrm{Cu}) = n(\mathrm{H_2}) = 0{,}3$ моль.
4. $m(\mathrm{Cu}) = 0{,}3 \cdot 64 = 19{,}2$ г; $V(\mathrm{H_2}) = 0{,}3 \cdot 22{,}4 = 6{,}72$ л.
5. Проверка по закону сохранения массы: $m(\mathrm{H_2}) = 0{,}6$ г, $m(\mathrm{H_2O}) = 0{,}3 \cdot 18 = 5{,}4$ г; $24 + 0{,}6 = 19{,}2 + 5{,}4 = 24{,}6$ г.
Ответ: $19{,}2$ г; $6{,}72$ л.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Смесь $10$ л водорода и $10$ л кислорода взорвали и охладили до исходных условий, вода при этом стала жидкой. Какой газ и в каком объёме остался?
1. $5$ л $\mathrm{H_2}$
2. $5$ л $\mathrm{O_2}$
3. $10$ л $\mathrm{O_2}$
4. $2{,}5$ л $\mathrm{O_2}$
5. газа не осталось
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B $5$ л $\mathrm{O_2}$
$\mathrm{2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O}$ : газы реагируют в объёмном отношении $2 : 1$ . $10$ л водорода расходуют $5$ л кислорода, в избытке остаётся $10 - 5 = 5$ л кислорода. Вода жидкая, поэтому как газ не учитывается.
В какой реакции водород является окислителем?
1. $\mathrm{H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl}$
2. $\mathrm{CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O}$
3. $\mathrm{2Na + H_2 \rightarrow 2NaH}$
4. $\mathrm{N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3}$
5. $\mathrm{H_2 + S \rightarrow H_2S}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C $\mathrm{2Na + H_2 \rightarrow 2NaH}$
В гидриде натрия степень окисления водорода $-1$ : водород принимает электрон от натрия ( $0 \rightarrow -1$ ), то есть является окислителем. Во всех остальных реакциях водород переходит $0 \rightarrow +1$ и является восстановителем.
$4{,}6$ г натрия полностью прореагировали с водой. Каков объём выделившегося водорода (н. у.)? ( $A_r$ : Na $23$ )
1. $1{,}12$ л
2. $4{,}48$ л
3. $0{,}224$ л
4. $2{,}24$ л
5. $22{,}4$ л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $2{,}24$ л
$\mathrm{2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow}$ . $n(\mathrm{Na}) = \frac{4{,}6}{23} = 0{,}2$ моль, $n(\mathrm{H_2}) = \frac{0{,}2}{2} = 0{,}1$ моль, $V = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24$ л. $4{,}48$ л получается, если не учесть коэффициенты.

Типичные ошибки

Считать, что водород всегда имеет степень окисления $+1$ : в гидридах металлов ( $\mathrm{NaH}$ , $\mathrm{CaH_2}$ ) она равна $-1$ , и в реакциях с активными металлами водород — окислитель.
Забывать коэффициенты в расчётах: $2$ моль $\mathrm{Na}$ дают только $1$ моль $\mathrm{H_2}$ , а $1$ моль $\mathrm{Zn}$ — $1$ моль $\mathrm{H_2}$ .
Писать получение водорода из металла и концентрированной серной или азотной кислоты: в лаборатории берут цинк и разбавленную $\mathrm{HCl}$ или разбавленную $\mathrm{H_2SO_4}$ .

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото