1091

Водород

Химия неметаллов открывается с водорода – элемента первой главной группы. Это самый лёгкий атом во всей вселенной, что обуславливает его огромную распространённость в космосе, межзвёздном пространстве и так далее. У атома водорода очень интересная электронная конфигурация:

В основном состоянии он имеет единственный электрон на 1s-уровне, что открывает две возможности:

Оторвать электрон, получив стабильную электронную конфигурацию 1s⁰ (катион атома водорода H⁺ или протон), это обуславливает характерную степень окисления +1;
Добавить электрон, получив стабильную электронную конфигурацию 1s² (анион атома водорода H^— или гидрид-анион), это обуславливает характерную степень окисления -1.

Итак, водород может встретиться в степенях окисления -1, 0, +1. Примеры представлены в таблице:

Степень окисления	Пример вещества
-1	Гидрид натрия NaH (вещество с ионной решёткой и ионной связью между катионом натрия и гидрид-анионом)
0	Молекулярный водород H₂ (двухатомная гомоядерная молекула с ковалентной неполярной связью H-H)
+1	Вода H₂O (вещество молекулярного строения с ковалентной полярной связью O-H)

Для водорода также характерно наличие трёх изотопов, в ядрах атома водорода может быть:

0 нейтронов – этот изотоп называется протием;
1 нейтрон – дейтерий;
2 нейтрона – тритий (он радиоактивен!)

Заключительная особенность водорода – это ключевой атом в образовании водородных связей, определяющих, например, активность ферментов, нуклеиновых кислот, белков и некоторых катализаторов.

Химические свойства

Водород в качестве окислителя: реакции с металлами

Водород более электроотрицательный чем атомы металлов, поэтому в реакции с ними образуются гидриды:

2Na + H₂ → 2NaH

Ca + H₂ → CaH₂

Водород реагирует только с металлами первой и второй групп (главных подгрупп).

Водород в качестве восстановителя: реакции с неметаллами и оксидами

Водород – прекрасный восстановитель за счёт своей способности повышать свою степень окисления до +1. Реагирует практически со всеми неметаллами, кроме кремния и фосфора, например:

H₂ + S → H₂S

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

Последняя реакция – обратимая каталитическая реакция синтеза аммиака, на ней основано многотоннажное промышленное производство аммиака по схеме Габера-Боша. Формула водородного соединения определяется по стандартным правилам.

Водород также может восстанавливать оксиды металлов до металлов или до оксидов металлов в более низкой степени окисления:

FeO + H₂ → Fe + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂(избыток) → 2Fe + 3H₂O

Fe₂O₃ + H₂ → 2FeO (или Fe₃O₄ в недостатке H₂) + H₂O

Также можно восстанавливать оксиды неметаллов, классический пример, реакция каталитического получения метанола:

CO + 2H₂ → CH₃OH

Получение водорода

Лучший лабораторный способ – взаимодействие активного металла (но не слишком активного типа щелочных металлов, это приведёт к взрыву) с кислотой-неокислителем, например:

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H2

В случае щелочных металлов, возможно получение водорода реакцией с водой:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Реакция очень экзотермична, поэтому проводить её стоит крайне осторожно. Также подойдут реакции амфотерных металлов или кремния с растворами щёлочей:

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂

Si + 2KOH + H₂O → K₂SiO₃ + 2H₂

В качестве промышленных методов получения водорода подойдут:

Разложение воды, при протекании через неё электрического тока: 2H₂O → 2H₂ + O₂ (реакция электролиза);
Окисление водой углерода (угля): C + H₂O → CO + H₂;
Окисление водой метана: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

Можно использовать реакции электролиза водных растворов других веществ, например солей:

Na₂S + 2H₂O ⟶ H₂ + 2NaOH + S

Резюме:

Водород – элемент первой группы главной подгруппы, для которого характерны степени окисления +1, 0, -1;
Водород проявляет как окислительные свойства, так и восстановительные свойства;
Водород – самый лёгкий атом, имеет три изотопа и является ключевым атомом в образовании водородной связи.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №9 (задание из первой части)

Задана следующая схема превращений:

Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y:

разбавленная серная кислота
концентрированная серная кислота
хлор
бромная вода
кислород

Ответ

Задание 2. Задача № 28 (задание из первой части)

Чему равен объём водорода (при н.у.), который выделился при взаимодействии 65 г цинка с избытком разбавленной серной кислоты?

Ответ

22,4 л

Задание 3. Задача №31 (задание из второй части)

Металлический натрий оставили в атмосфере водорода, причём водород был взят в недостатке. Полученный твёрдый остаток растворили в воде. Образованный раствор прилили к раствору нитрата магния, наблюдая образование осадка. Напишите молекулярные уравнения четырёх описанных реакций.

Ответ

2Na + H₂ ⟶ 2NaH
2Na + 2H₂O ⟶ 2NaOH + H₂
NaH + H₂O ⟶ NaOH + H₂
Mg(NO₃)₂ + 2NaOH ⟶ Mg(OH)₂ + 2NaNO₃

Определения:

Атом водорода – самый лёгкий, потому что имеет наименьшую молярную массу 1 г/моль.
Изотопы – атомы, имеющие в своём ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Радиоактивность – явление выделения высокоэнергетических частиц (например, альфа-частиц или света) при распаде нестабильных ядер.
Водородная связь – химическая связь, возникающая между электроотрицательным атомом (N, O, F) и водородом, связанным напрямую с электроотрицательным атомом (N, O, F).
С кремнием и фосфором реакция не идёт, так как они обладают схожей с водородом электроотрицательностью.
Для расчёта формулы водородного соединения воспользуемся формулой расчёта наинизшей степени окисления: номер группы – 8, например, для серы получаем 6 – 8 = -2, откуда H₂S.
Кислоты-неокислители – кислоты, которые могут ярко проявлять окислительные свойства только за счёт H⁺¹ в своём составе.