Водород

Самый легкий и самый распространенный элемент во Вселенной

1. Строение атома и положение в ПС

Водород (лат. hydrogenium, сокращенно H) — самый первый элемент таблицы Менделеева. Находится в 1 периоде. Традиционно его помещают либо в IA группу (т.к. у него 1 электрон на внешнем уровне, как у щелочных металлов), либо в VIIA группу (т.к. ему не хватает 1 электрона до завершения уровня, как галогенам).

Электронная конфигурация

Возможные степени окисления:

• -1 (в гидридах активных металлов: NaH, CaH₂)
• 0 (в простом веществе H₂)
• +1 (во всех остальных соединениях: H₂O, HCl, органических веществах)

2. Физические свойства и нахождение в природе

Водород — самый легкий газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 14,5 раз легче воздуха.

• Высокая теплопроводность: Благодаря своей крошечной массе, молекулы водорода движутся невероятно быстро, из-за чего он обладает крайне высокой теплопроводностью (в 7 раз выше, чем у воздуха).
• Малая растворимость в воде. Благодаря этому в лаборатории водород можно собирать "методом вытеснения воды".

3. Получение водорода

Метод	Уравнения реакций и особенности
В промышленности Конверсия метана и угля, электролиз	Паровая конверсия метана — основной промышленный способ. Также используется газификация угля (получается синтез-газ CO + H₂) и электролиз: CH4 + H2O(пар) t, Ni→ CO + 3H2 C + H2O(пар) 1000°C→ CO + H2 2H2O электроток→ 2H2↑ + O2↑ Электролиз воды
В лаборатории Из кислот и воды	В аппарате Киппа используют взаимодействие металлов до водорода с неокисляющими кислотами. Также применяют активные металлы с водой: Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑ Fe + H2SO4(разб.) → FeSO4 + H2↑ Растворение Fe 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ Na + H₂O
В лаборатории Специфические методы	Растворение амфотерных металлов в щелочах и гидролиз солеобразных гидридов: 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Al + NaOH Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑ CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑ CaH₂ + H₂O

4. Химические свойства водорода

Водород реагирует с неметаллами и сложными веществами преимущественно как восстановитель (повышая с.о. от 0 до +1). Но в реакциях с самыми активными металлами он выступает окислителем, образуя гидриды (с.о. -1).

Свойство	Уравнения реакций и особенности
С галогенами и кислородом Восстановитель	С фтором реагирует со взрывом в темноте, с хлором — на свету, с кислородом образует "гремучий газ": H2 + F2 → 2HF H2 + Cl2 hν→ 2HCl 2H2 + O2 t°→ 2H2O Горение H₂ H2 + I2 t°⇄ 2HI (обратимо) H₂ + I₂
С серой, азотом и углеродом Восстановитель	Реакции протекают при нагревании. Синтез аммиака (процесс Габера) — обратимый процесс под давлением и с катализатором: H2 + S t°→ H2S H₂ + S 3H2 + N2 t°, p, Fe⇄ 2NH3 2H2 + C t°, p, Ni→ CH4
С оксидами металлов Восстановитель	Восстанавливает металлы средней активности и малоактивные (правее железа, иногда до цинка) из их оксидов. Оксиды активных металлов не восстанавливаются! CuO + H2 t°→ Cu + H2O Восстановление CuO Fe3O4 + 4H2 t°→ 3Fe + 4H2O
С активными металлами Окислитель (с.о. -1)	С щелочными (IA) и щелочноземельными (IIA) металлами образует солеобразные бинарные соединения — гидриды: 2Na + H2 t°→ 2NaH Ca + H2 t°→ CaH2
Важный лайфхак (PSiH): Водород НЕ реагирует ни с фосфором (P), ни с кремнием (Si). Значения их электроотрицательностей очень близки. Запомните: "ПСИХ" (P-Si-H) — они между собой не дружат!

6. Важнейшие соединения водорода

Соединение	Химические свойства и особенности
Гидриды (MeHx) Сильные восстановители, с.о. -1	Гидриды активных металлов мгновенно и бурно гидролизуются водой и кислотами с выделением водорода. Также они окисляются кислородом при нагревании: 1. Гидролиз (разрушение водой): выделяется щёлочь и водород NaH + H2O → NaOH + H2↑ 2. Растворение в кислотах: образуется соль и водород CaH2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2↑ 3. Окисление кислородом: 2NaH + O2 t°→ 2NaOH (или Na2O + H2O) CaH2 + O2 t°→ CaO + H2O
Вода (H2O) Амфотерный растворитель, с.о. +1	Вода проявляет свойства и кислот, и оснований: С металлами (до H₂): вытеснение водорода 2K + 2H2O → 2KOH + H2↑ K + H₂O С основными оксидами активных металлов: CaO + H2O → Ca(OH)2 С кислотными оксидами: SO3 + H2O → H2SO4 С галогенами: реакция диспропорционирования Cl2 + H2O → HCl + HClO
Кристаллогидраты: Это кристаллические соли, содержащие молекулы воды. Пример: медный купорос CuSO4·5H2O. Кристаллическую воду нужно всегда учитывать при решении задач на массы осадков и растворов!

7. Применение водорода

• Синтез химических веществ: производство огромных объемов аммиака (удобрения), получение хлороводорода, метанола.
• Топливо будущего: водород — сверхэкологичное топливо для автомобилей и ракет. Продукт его сгорания — чистая вода.
• Металлургия: водородом восстанавливают чистые тугоплавкие металлы из их оксидов (W, Mo, Re).
• Пищевая промышленность: гидрирование (насыщение водородом) жидких растительных масел позволяет получать твёрдые жиры (маргарин).
• Резка и сварка металлов: кислородно-водородное пламя дает очень высокую температуру (до 2800 °C).

8. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с водородом на канале Thoisoi:

• Водород — Элемент, Рождающий Воду! (Thoisoi)