Химия Инфо

Водород

Водород входит в состав воды, кислот и огромного числа органических веществ. Однако атомы H в соединении и газ H2 — разные формы существования элемента. Газообразный водород используют как химическое сырьё, восстановитель и энергоноситель. Чтобы понимать его свойства, нужно различать состав молекулы, условия реакций и источник энергии при получении газа.

Элемент H и простое вещество H2

Водород H — элемент с атомным номером 1. Обычное простое вещество водород H2 состоит из двухатомных молекул. Наличие H в воде не означает присутствия в ней готового газообразного H2.

В ядре любого атома водорода один протон. Нейтральный атом имеет один электрон. Самый распространённый изотоп, протий, не содержит нейтронов; дейтерий содержит один, а радиоактивный тритий — два. Разное число нейтронов не меняет принадлежность к элементу.

При обычных условиях H2 — бесцветный газ без запаха, очень лёгкий по сравнению с воздухом и малорастворимый в воде. В школьных расчётах часто принимают Ar(H) = 1 и M(H2) = 2 г/моль. Это округление; точные значения зависят от изотопного состава и нужной точности.

Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На Земле он широко представлен в соединениях, тогда как свободный H2 составляет лишь малую часть обычного воздуха. Вода является источником атомов водорода, но для выделения из неё H2 требуется энергия.

Горение и восстановительные свойства

При реакции с кислородом образуется вода и выделяется теплота. Реакцию требуется инициировать, а её скорость существенно зависит от условий:

2H2 + O2 → 2H2O.

В пламени образуется водяной пар; после охлаждения он может конденсироваться. Водород изменяет степень окисления с 0 до +I, кислород — с 0 до −II. Поэтому H2 служит восстановителем, O2 — окислителем.

Водород горюч, а его смеси с воздухом или кислородом пожаро- и взрывоопасны. Отсутствие цвета и запаха не позволяет распознавать утечку органами чувств. Лабораторные действия с газом выполняют под руководством учителя с установленными средствами контроля.

Водород способен восстанавливать некоторые оксиды металлов при нагревании. Например, чёрный CuO превращается в медь:

CuO + H2 → Cu + H2O, нагревание.

H повышает степень окисления с 0 до +I, Cu понижает с +II до 0. Присоединение водорода к кислороду оксида и образование воды связаны с восстановлением меди. Правило не универсально: H2 не восстанавливает до металла любой оксид в любых условиях, например обычная школьная реакция с Al2O3 так не идёт.

С азотом водород образует аммиак. Для промышленного синтеза нужны подходящие температура, давление и катализатор:

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3.

Это обратимое превращение. Водород применяют также в химической переработке нефтяного сырья и гидрировании некоторых органических соединений; конкретные условия зависят от состава вещества и катализатора.

Когда водород является окислителем

В соединениях с очень активными металлами водород может иметь степень окисления −I. Такие соединения называют гидридами. Например, при нагревании натрий и H2 образуют гидрид натрия:

2Na + H2 → 2NaH.

Na меняет значение с 0 до +I, H — с 0 до −I. В этой реакции H2 принимает электроны в формальном балансе и является окислителем. Поэтому название вещества не задаёт его роль раз и навсегда: её определяют по конкретной реакции.

Как получают водород

В учебных уравнениях часто рассматривают реакцию цинка с разбавленной соляной кислотой:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑.

Металл вытесняет водород из этой кислоты. Однако заменять HCl любой другой кислотой нельзя: азотная кислота и концентрированная серная обычно восстанавливаются иначе, без выделения H2.

Промышленный водород получают разными путями. При паровой конверсии метана с подводом теплоты и катализатором используют суммарное равновесие:

CH4 + H2O(г.) ⇌ CO + 3H2.

Дополнительная реакция с водяным паром позволяет получить ещё водород:

CO + H2O(г.) ⇌ CO2 + H2.

При электролизе воды расходуется электрическая энергия; водород и кислород получают раздельно:

2H2O → 2H2↑ + O2↑, электрический ток.

Химический состав H2 одинаков при разных способах получения, но энергетические затраты и выбросы всего процесса различаются. Поэтому водород называют энергоносителем: для его производства нужно использовать сырьё и источник энергии.

Расчёт по уравнению связывает количества израсходованных и образовавшихся веществ. Объёмы газов сравнивают при одинаковых температуре и давлении; жидкую воду нельзя включать в такое сравнение как газ.

Три разобранных примера

1. Восстановление CuO

Пусть полностью восстановлены 8,0 г CuO, водород в избытке. Принимаем школьные Ar(Cu) = 64, Ar(O) = 16, Ar(H) = 1. Тогда M(CuO) = 80 г/моль.

n(CuO) = 8,0/80 = 0,10 моль; n(H2) = n(Cu) = 0,10 моль.

m(H2) = 0,10 · 2 = 0,20 г; m(Cu) = 0,10 · 64 = 6,4 г.

Образуется 1,8 г воды: суммарные массы слева и справа равны 8,2 г. Избыток водорода не включают в массу израсходованного реагента.

2. Горение газа и состояние воды

Для задачи задано 2,24 л H2 при школьных нормальных условиях: 0 °C и 101,325 кПа, Vm ≈ 22,4 л/моль. Кислород в достатке, превращение полное.

n(H2) = 2,24/22,4 = 0,10 моль; n(O2) = 0,050 моль.

V(O2, н. у.) = 0,050 · 22,4 = 1,12 л.

При школьном M(H2O) = 18 г/моль получается 1,8 г воды. Нельзя объявлять её объём равным 2,24 л после охлаждения до этих нормальных условий: при обычном равновесии большая часть воды будет конденсированной.

3. Определение роли H2

В реакции с CuO водород окисляется до +I и восстанавливает медь. В реакции с Na, напротив, водород восстанавливается до −I и окисляет металл. Это один элемент и одно исходное простое вещество, но две разные роли. Критерий — направление изменения степени окисления.

Частые ошибки

  • Путать атом H, молекулу H2 и гидратированный протон H+.
  • Считать водород негорючим из-за отсутствия запаха или цвета.
  • Приписывать H всегда +I, игнорируя гидриды.
  • Ожидать восстановления любого оксида одним H2.
  • Превращать коэффициенты горения в объёмы жидкой воды.

Проверьте себя

  1. Чем различаются H и H2 в химической записи?
  2. Кто является восстановителем в реакции CuO + H2 при нагревании?
  3. Какова степень окисления H в NaH и какова роль H2 при его образовании из простых веществ?
  4. Для полного взаимодействия 6,5 г Zn с избытком разбавленной HCl найдите объём H2 при н. у. Используйте Ar(Zn) = 65 и Vm = 22,4 л/моль.
  5. Можно ли по уравнению горения сразу приравнять объёмы исходного H2 и полученной жидкой воды?

Ответы с объяснениями

  1. H — символ элемента или одного его атома в соответствующем контексте; H2 — формула двухатомного простого вещества. Индекс 2 относится к числу атомов в молекуле.

  2. H2: его H меняет степень окисления с 0 до +I и отдаёт электроны в балансе. CuO является окислителем, Cu восстанавливается до металла.

  3. В NaH H имеет −I. При образовании NaH молекулярный водород восстанавливается и служит окислителем, а натрий окисляется.

  4. На один моль Zn приходится один моль H2:

    n(Zn) = 6,5/65 = 0,10 моль; V(H2, н. у.) = 0,10 · 22,4 = 2,24 л.

  5. Нет. Отношения газовых объёмов следуют коэффициентам при одинаковых температуре и давлении и применимой газовой модели. Жидкая вода к такому сравнению не относится.

Связанные темы

Кислород и озон, вода, окисление и восстановление, закон Авогадро.

Источники

Элемент и изотопы: Royal Society of Chemistry, Hydrogen. Реакции: OpenStax, Compounds of Hydrogen. Производство: US Department of Energy, Hydrogen Production.