Главная / Неорганическая химия / Неметаллы / Водород

Водород

Самый легкий и самый распространенный элемент во Вселенной

🧠

Вызов для любознательных!

В самом конце страницы вас ждет уникальная олимпиадная цепочка с запутанной схемой, скрытыми реакциями и расчетом массовой доли. Бросьте вызов своим знаниям неорганической химии!

Важно для ЕГЭ

Водород — восстановитель во многих сильных ОВР (с оксидами тяжелых металлов, неметаллами), но с активными металлами он проявляет свойства окислителя, образуя гидриды (с.о. -1). Молекула водорода (H2) двухатомна (ковалентная неполярная связь).

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

₊₁H: 1s1

(имеет один неспаренный электрон)

Возможные степени окисления:

Вопрос 1: Строение атома и изотопы

Проверка

Назовите три изотопа водорода. Чем они отличаются друг от друга?

Ответ: Протий ($^1H$), дейтерий ($^2H$ или $D$), тритий ($^3H$ или $T$).

Пояснение: Они отличаются количеством нейтронов в ядре: у протия 0 нейтронов, у дейтерия 1, у трития 2.

2. Физические свойства и нахождение в природе

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

Нахождение в природе

Водород — самый распространенный элемент Вселенной! Из него на 73% состоит Солнце и другие звезды. На Земле он встречается крайне редко в свободном виде (т.к. он слишком легкий и улетучивается в космос), зато в виде соединений он повсюду — это основа воды (H2O) и всей органической жизни.

Вопрос 1: Физические свойства газа

Проверка

Почему раньше водород использовали для заполнения дирижаблей, а сейчас перешли на гелий, хотя водород легче?

Ответ: Водород образует с кислородом воздуха взрывоопасную смесь (гремучий газ), что приводило к катастрофам. Гелий абсолютно инертен и безопасен.

3. Получение водорода

МетодУравнения 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
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
Растворение Fe

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑
Na + H₂O
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
Al + NaOH

Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2↑
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑
CaH₂ + H₂O
CaH₂ + H₂O

Вопрос 1: Получение водорода (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций лабораторного и промышленного получения водорода:

  1. $Zn + HCl \rightarrow \dots + \dots\uparrow$ (в аппарате Киппа)
  2. $CH_4 + H_2O \xrightarrow{t^\circ, Ni} \dots\uparrow + \dots\uparrow$ (конверсия метана)
  3. $H_2O \xrightarrow{эл. ток} \dots\uparrow + \dots\uparrow$
  4. $Al + NaOH + H_2O \rightarrow \dots + \dots\uparrow$

Ответ:

  1. $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
  2. $CH_4 + H_2O \xrightarrow{t^\circ, Ni} CO\uparrow + 3H_2\uparrow$ (синтез-газ)
  3. $2H_2O \xrightarrow{эл. ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$
  4. $2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$

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).

СвойствоУравнения 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
Горение H₂

H2 + I2 t°⇄ 2HI (обратимо)
H₂ + I₂
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
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
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!

Вопрос 1: Химические свойства (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций водорода с простыми и сложными веществами:

  1. $H_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ} \dots$
  2. $H_2 + N_2 \xrightarrow{t^\circ, p, Fe} \dots$
  3. $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} \dots$
  4. $H_2 + CuO \xrightarrow{t^\circ} \dots + \dots$
  5. $H_2 + Na \xrightarrow{t^\circ} \dots$

Ответ:

  1. $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2H_2O$
  2. $3H_2 + N_2 \rightleftarrows 2NH_3$ (синтез аммиака Габера-Боша)
  3. $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$ (взрыв на свету)
  4. $H_2 + CuO \xrightarrow{t^\circ} Cu + H_2O$ (восстановление металлов)
  5. $H_2 + 2Na \xrightarrow{t^\circ} 2NaH$ (гидрид натрия, водород здесь окислитель)

6. Важнейшие соединения водорода

СоединениеХимические 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
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!

Вопрос 1: Соединения водорода (Гидриды)

Проверка

Напишите уравнения реакций гидрида кальция ($CaH_2$) с водой и соляной кислотой.

Ответ:

  1. $CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2\uparrow$
  2. $CaH_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2\uparrow$

Пояснение: В ионных гидридах водород имеет степень окисления -1. При реакции с водой или кислотами он окисляется до простого вещества $H_2^0$.

7. Применение водорода

Вопрос 1: Применение

Проверка

Для чего водород применяют в пищевой промышленности и в металлургии?

Ответ: В металлургии — для восстановления металлов из оксидов (экологически чистый метод). В пищевой промышленности — для гидрирования жидких растительных жиров (производство маргарина).

8. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с водородом на канале Thoisoi:

Олимпиадная задача (Водород)

Легчайший газ X образует с неметаллами летучие водородные соединения. С хлором на свету он дает резкий газ A (реакция 1), а с азотом при давлении и нагревании — газ с характерным запахом B (реакция 2). Массовая доля легчайшего элемента в B составляет $17,65\%$. Газы A и B при смешивании образуют густой белый дым соли C (реакция 3).

При горении газа X в кислороде образуется жидкость D (реакция 4), которую можно разложить обратно на элементы электролизом (реакция 9). Если сжечь газ B в кислороде без катализатора, также образуется D и выделяется свободный азот (реакция 10).

Газ X способен реагировать с щелочноземельными металлами: при нагревании с кальцием образуется твердое ионное соединение E (реакция 5) с массовой долей легчайшего элемента $4,76\%$. При добавлении к E воды происходит бурное выделение газа X и образование суспензии F (гашеной извести) (реакция 6).

В промышленности X часто получают паровой конверсией метана G при нагревании с никелевым катализатором. При этом образуется смесь X и угарного газа H (синтез-газ) (реакция 7). Эта смесь при высоком давлении реагирует с образованием ценного жидкого спирта I (метанола) (реакция 8).

Схема превращений (10 веществ):

+ NH₃ + HCl + Cl₂, hν + N₂, t°, p + O₂, t° электролиз + H₂O, t°, Ni + Ca, t° + H₂O + H₂O + O₂, t° t°, p X A B C D E F G H I

Показать решение и уравнения реакций

Ответ

Шаг 1: Расшифровка веществ.
Газ B с $17,65\%$ легчайшего элемента (H): это аммиак $NH_3$. $M = 14 + 3 = 17$. $\omega(H) = 3/17 \approx 0.1765$.
Твердое соединение E с $4,76\%$ H: это гидрид кальция $CaH_2$. $M = 40 + 2 = 42$. $\omega(H) = 2/42 \approx 0.0476$.
Следовательно, X — Водород ($H_2$).

Вещества: X = $H_2$, A = $HCl$, B = $NH_3$, C = $NH_4Cl$, D = $H_2O$, E = $CaH_2$, F = $Ca(OH)_2$, G = $CH_4$, H = $CO$, I = $CH_3OH$.

Реакции (10 уравнений):
1. $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
2. $3H_2 + N_2 \xrightarrow{t^\circ, p, kat} 2NH_3$
3. $HCl + NH_3 \rightarrow NH_4Cl$
4. $2H_2 + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2H_2O$
5. $H_2 + Ca \xrightarrow{t^\circ} CaH_2$
6. $CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2\uparrow$
7. $CH_4 + H_2O \xrightarrow{t^\circ, Ni} CO + 3H_2$
8. $CO + 2H_2 \xrightarrow{t^\circ, p, kat} CH_3OH$
9. $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$
10. $4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2N_2 + 6H_2O$

📝
Практика по неорганической химии
Проверь свои знания. Задания в формате ЕГЭ с подробными решениями.
📋 Зад. 5 — Классификация ⚗️ Зад. 6 — Свойства 🔬 Зад. 7 — Свойства (2) 🧪 Зад. 8 — Свойства (3) 🔗 Зад. 9 — Цепочки ✍️ Зад. 31 — Уравнения