Физические и химические свойства водорода, получение и применение

Билет № 14

1. Водород: положение этого химического элемента в периодической системе, строение его атома и молекулы. Физические и химические свойства водорода, получение и применение

Водород находится в 1-м периоде, I группе, главной (А) подгруппе. Химический знак водорода обычно проставляют и в VII группе.

Это связано с тем, что ядро атома водорода представляет из себя протон (элементарную частицу), заряд его равен +1. Электронная оболочка имеет один уровень, на котором расположен один электрон. Водород, как и металлы I группы, легко окисляется. Валентность водорода равна I.

В то же время водороду недостает только одного электрона, чтобы заполнить внешний электронный уровень (т. к. на I уровне может разместиться только 2 электрона). В этом он сходен с галогенами. Водород-простое вещество, как и галогены, является неметаллом. Поэтому химический знак водорода помещают также в VII группу.

Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных ковалентной неполярной связью.

Водород — газ, без цвета и запаха, легче воздуха. Растворимость в воде очень мала.

Химические свойства:

  1. Водород горит, образуется вода; смесь водорода с воздухом сгорает со взрывом:
    2H2 + O2 = 2H2O
  2. Водород продолжает гореть в атмосфере хлора (т. е. реагирует с хлором при нагревании), образуется хлороводород:
    H2 + Cl2 = 2HCl
    Сходным образом протекают реакции со многими неметаллами.
  3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов:
    H2 + CuO = Cu + H2O
    В этих трех реакциях водород является восстановителем.

Водород может выступать в роли окислителя при нагревании со щелочными металлами:
2Na + H2 = 2NaH (образуется гидрид натрия)

В лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Водород собирают в сосуд, перевернутый кверху дном.

Чтобы проверить его на чистоту, пробирку с водородом подносят к пламени спиртовки. Чистый водород сгорает со звонким хлопком. Если водород смешан с воздухом, сгорает со взрывом.

Водород можно получить взаимодействием натрия, кальция с водой:

2Na + 2HOH = 2NaOH + H2

При отсутствии этих реактивов практикуется получение водорода взаимодействием алюминиевой стружки и воды (с добавлением щелочи, чтобы разрушить оксидную пленку).

В промышленности водород получают при разложении природного газа.

Перспективным считается получение водорода при разложении воды электрическим током, но этот метод дорого обходится из-за больших затрат электроэнергии.

Применение водорода:

  1. Синтез аммиака NH3 (производство азотной кислоты и азотных удобрений), соляной кислоты
  2. Получение металлов высокой чистоты (например, порошка железа для школьной химической лаборатории)
  3. Газовая резка и сварка металлов

Водород считается перспективным экологически чистым топливом для автомобильного и воздушного транспорта. Запасы нефти и газа на Земле исчерпаемы, а водород можно получать из воды.

2. Задача. Вычисление количества вещества газа, необходимого для реакции с определенным количеством вещества другого газа.
Пример:

Какое количество вещества водорода прореагирует с 4 моль кислорода?

Решение:

  1. Записываем уравнение реакции.
  2. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением — число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
    x моль   4 моль
    2H2   +   O2   =   2H2O
    2 моль  1 моль
  3. Составляем пропорцию:
    x моль — 4 моль
    2 моль — 1 моль
  4. Находим x:
    x = 4 моль • 2 моль / 1 моль = 8 моль

Ответ: 8 моль.

автор: Владимир Соколов