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:

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:

1. разбавленная серная кислота
2. концентрированная серная кислота
3. хлор
4. бромная вода
5. кислород

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?

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.

Определения:

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