ХИМИЯ 7 ЧАСТЬ 2

Водород является самым распространенным химическим элементом во Вселенной. Он составляет более 70 % массы Солнца и большинства других звезд.

Эта глава познакомит вас с химическим элементом водородом и с наиболее важными неорганическими веществами, содержащими его атомы.

§ 25. Водород как химический элемент и как простое вещество

Название водорода происходит от латинского слова Hydrohenium, что означает «воду родящий». Химический символ (знак) Н — это первая буква латинского названия. И действительно, атомы водорода входят в состав молекулы воды Н2О.

Атомы водорода образуют двухатомные молекулы простого вещества водорода, формула которого Н2. Рассмотрим, что имеют в виду, когда говорят о химическом элементе водороде.

Водород как химический элемент

Атом водорода самый легкий, самый простой по строению и один из самых маленьких по размерам. Относительная атомная масса водорода равна:

Аr(H) = 1.

Сравните ее с относительной атомной массой кислорода и убедитесь, что атомы водорода во много раз легче.

Атомы водорода соединяются с атомами других химических элементов, образуя сложные вещества. Как химический элемент водород входит в состав воды, кислот, природного газа, нефти, глюкозы и мно-

гих других веществ. В растительных и животных организмах, включая и человеческий, химический элемент водород содержится главным образом в составе воды и самых разнообразных органических веществ.

Водород как простое вещество

Молекулы водорода образованы двумя атомами химического элемента водорода. Формула его Н2.

Относительная молекулярная масса простого вещества водорода равна:

Mr(H2) = Ar(H) 2 = 1 2 = 2.

Следовательно, молярная масса водорода равна:

M(H2) = 2 г/моль.

Молярный объем водорода, как кислорода и других газов при нормальных условиях, равен:

Vm (Н2) = 22,4 дм3/моль.

В виде простого вещества водород встречается на Земле лишь в небольшом количестве в вулканических и некоторых других природных газах. Молекулы водорода Н2 обнаружены в верхних слоях земной атмосферы. В Солнечной системе простое вещество водород входит в состав атмосферы планет — Юпитера, Сатурна, Урана.

Недавние исследования Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы, позволили ученым высказать предположение, что под водородной атмосферой этой планеты находится океан жидкого водорода. Глубина этого океана — десятки тысяч километров. Ядро планеты составляет оболочка, состоящая из твердого водорода.

История открытия водорода

Еще в XVI в. Парацельсом было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Спустя примерно 100 лет горение водорода на воздухе описал Р. Бойль и этот газ научились собирать. Во второй половине XVIII в. английский ученый Г. Кавендиш подробно исследовал свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ

дом быстро поднимется к потолку, а шарики с углекислым газом и кислородом опустятся на пол. Быстрее окажется на полу шарик с углекислым газом.

Поскольку водород, как мы знаем, в 14,5 раза легче воздуха, им заполняли воздушные шары и дирижабли. Первыми поднялись на воздушном шаре французские физики Ф. Робер и Ж. Шарль (1783). В августе 1887 г. полет на воздушном шаре, наполненном водородом, с научной целью совершил Д. И. Менделеев.

Из-за своей малой массы и размеров молекулы водорода способны проникать через стенки сосуда, в котором содержится этот газ. Убедимся в этом на примере того же шарика с водородом. Даже если тщательно завязать его ниткой, спустя некоторое время шарик «сдуется». При повышенной температуре и давлении водород способен проникать и через стенки металлических сосудов.

Некоторые металлы при повышенной температуре поглощают водород, впитывая его, как губка воду. Например, в образце металла палладия объемом 1 дм3 растворяется свыше 800 дм3 водорода. При нагревании насыщенного водородом палладия этот газ легко выделяется обратно. Палладий и некоторые другие металлы могут служить как бы аккумуляторами водорода.

При нормальных условиях растворимость водорода в воде меньше, чем кислорода, — 0,0016 г водорода на 1 дм3 воды. Поскольку водород малорастворим, в лаборатории его собирают методом вытеснения воды (см. рис. 68) или воздуха.

У водорода самые низкие после благородного газа гелия температуры кипения (−252,8 °С) и плавления (−259,2 °С).

Водород — наиболее распространенный элемент во Вселенной.

Простое вещество водород Н2 — самый легкий газ, у которого нет запаха, цвета, вкуса.

Водород мало растворяется в воде, его можно собирать методом вытеснения воды и воздуха.

Горение водорода продолжается, при этом на стенках банки видны капли воды, образующейся в результате реакции:

2Н2 + О2 =t 2Н2О.

При горении водорода выделяется много теплоты. Температура кислородно-водородного пламени достигает больше 2000 °С.

Химическая реакция водорода с кислородом относится к реакциям соединения. В результате реакции образуется оксид водорода (вода). Это значит, что произошло окисление водорода кислородом, т. е. эту реакцию мы можем назвать и реакцией окисления.

Если же в пробирку, опрокинутую вверх дном, собрать немного водородаметодомвытеснениявоздуха, азатемподнестикееотверстиюгорящуюспичку, тораздастсягромкий«лающий» звукнебольшоговзрыва смеси водорода с воздухом. Такую смесь называют «гремучей».

Способность водорода в смеси с воздухом образовывать «гремучий газ» часто являлась причиной катастроф на воздушных шарах, заполненных водородом. Нарушение герметичности оболочки шара приводило к пожару и даже взрыву. В наше время воздушные шары заполняют гелием или постоянно нагнетаемым горячим воздухом.

В атмосфере хлора водород сгорает с образованием сложного вещества — хлороводорода. При этом протекает реакция:

Н2 + Cl2 =t 2HCl.

Реакция водорода с азотом происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора. В результате реакции образуется аммиак NH3:

3Н2 + N2 t,=p 2NH3.

Если струю водорода направить на расплавленную в пробирке серу, то у ее отверстия ощутится запах тухлых яиц. Так пахнет газ сероводород H2S — продукт реакции водорода с серой:

Н2 + S =t H2S.

Вещество, отнимающее атомы кислорода, называют восстановителем. В реакции с оксидом меди(II) восстановитель — водород. Так же реагирует водород и с оксидами некоторых других металлов, например PbO, HgO, MoO3, WO3 и др. Окисление и восстановление всегда взаимосвязаны между собой. Если одно вещество (Н2) окисляется, то другое (CuO) — восстанавливается, и наоборот.

При нагревании водород реагирует с кислородом, хлором, азотом, серой.

Восстановление — это отдача атомов кислорода сложными веществами другим веществам.

Процессы окисления и восстановления взаимосвязаны между собой.

Вопросы и задания

1.Почему в опытах с водородом необходимо соблюдать особую осторожность?

2.К какому из известных вам типов химических реакций относятся реакции водорода с кислородом, хлором, азотом и серой?

3.Какие химические реакции называют реакциями восстановления? Приведите примеры.

4.Составьте уравнения реакций водорода со следующими ок-

сидами: а) Cu2O; б) HgO; в) MoО3.

5.Допишите уравнения, расставьте коэффициенты в уравнениях химических реакций. Какие из приведенных реакций относятся к реакциям замещения и реакциям восстановления? Укажите, какое вещество является восстановителем в реакциях:

a) H2 + ... I Pb + H2O; б) H2 + O2 I H2O; в) H2 + WO3 I ... + H2O. 6. Рассчитайте объем (н. у.) газообразного хлороводорода

HCl, который образуется в реакции хлора Cl2 массой 71 г и во-

дорода H2.

7. Вычислите массу меди, которую можно получить при восстановлении водородом Н2 оксида меди(II) массой 80 г.

Кислоты — сложные вещества, в состав которых входят атомы водорода, способные замещаться атомами металлов, и кислот-

ные остатки.

Кислотные остатки в молекулах кислот соединены с атомами водорода в соответствии со своей валентностью. Как можно ее определить? Вы знаете, что водород всегда одновалентен. Значит, если кислотный остаток в молекуле кислоты соединен с одним атомом водорода, то его валентность равна единице, если с двумя атомами — двум, а с тремя — трем.

При написании формул кислот сначала пишут атомы водорода, а потом кислотные остатки.

В таблице 8 представлены названия и формулы кислот, с которыми вы будете встречаться при изучении основ химии. Здесь же даны формулы кислотных остатков, которые входят в состав этих кислот, их валентность и названия. Названия кислотных остатков образованы на основе латинских названий неметаллов, образующих кислоты.

Таблица 8. Состав кислот и их названия