Строение атома, свойства и получение водорода

Почему водород ставят сразу в две группы и как его получают в лаборатории и в промышленности.

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:

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

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.

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".

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

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 + H₂SO_4(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

Вопрос 1: Получение водорода (Уравнения)

Проверка

Допишите уравнения реакций лабораторного и промышленного получения водорода:

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

Ответ:

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