Водород
EL Учебник по ЕГЭ

Наш учебник поможет готовится к контрошам, решать домашки, а также подготовиться
к ЕГЭ на 90+ без дополнительного поиска информации.

Вернуться ко всем темам
47

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 окисленияПример вещества
-1Гидрид натрия NaH (вещество с ионной решёткой и ионной связью между катионом натрия и гидрид-анионом)
0Молекулярный водород H2 (двухатомная гомоядерная молекула с ковалентной неполярной связью H-H)
+1Вода 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:

Реклама

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
Ответ

15

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
  1. 2Na + H2 ⟶ 2NaH
  2. 2Na + 2H2O ⟶ 2NaOH + H2
  3. NaH + H2O ⟶ NaOH + H2
  4. Mg(NO3)2 + 2NaOH ⟶ Mg(OH)2 + 2NaNO3

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.

Обратная связь

Была ли эта статья тебе полезной?
Всё ли было понятно? Оставляй обратную связь, мы это ценим

Главная / Химия / Переходные элементы

Начните подготовку к ЕГЭ на 90+ с нами

Обязательно заполните все поля, иначе мы не сможем точно подобрать подготовкуу



    Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь на условия обработки данных