Водород: Физические и Химические Свойства

Вот ответы на вопросы, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику: Водород: физические и химические свойства План: * Строение атома водорода * Физические свойства водорода * Химические свойства водорода * Способы получения водорода * Применение водорода Строение атома водорода Водород — химический элемент с порядковым номером 1. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Такое строение обусловливает уникальные свойства водорода. В периодической системе водород занимает особое место: подобно щелочным металлам водород обладает способностью отдавать один электрон, поэтому он может быть помещён в главную подгруппу группы; однако, как и галогены, водород способен присоединять один электрон, поэтому его можно поместить в главную подгруппу группы. В соединениях водород всегда одновалентен. Существуют три изотопа водорода: протий (\(Ar(H)=1\)), дейтерий (\(Ar(H)=2\)) и тритий (\(Ar(H)=3\)). В природном водороде содержится 99,985% протия и 0,15% дейтерия. Тритий — неустойчивый радиоактивный изотоп, в природе содержится лишь в следовых количествах. Химические свойства изотопов водорода практически одинаковы, а физические свойства различны. Водород является самым распространённым элементом во Вселенной. Он составляет около 90% массы Солнца и многих звёзд и межгалактического газа. В отличие от кислорода, водорода в земной коре немного — 1% по массе, что объясняется лёгкостью его атомов. На Земле водород присутствует только в виде соединений — как неорганических (вода), так и органических (углеводороды нефти, глюкоза, сахароза, белки и др.). В виде простого вещества водород практически не встречается. В небольших количествах водород может входить в состав вулканических газов. Простое вещество водород представляет собой двухатомную молекулу \(H_2\). Физические свойства водорода При обычных условиях водород — бесцветный, не имеющий запаха газ, почти не растворяется ни в каких растворителях. При сильном сжатии и охлаждении переходит в жидкое состояние. Газообразный водород обладает рядом уникальных свойств. Благодаря маленькому радиусу атомы и молекулы водорода могут проникать через резину, стекло и даже через металлы. Некоторые металлы, такие как платина, палладий, никель способны растворять водород. Это позволило создать высокоэффективные никель-металл-гидридные аккумуляторы, которые используются в телефонах, компьютерах, плеерах. Водород — самый лёгкий газ, легче воздуха в 14,5 раз. Лёгкость водорода позволила использовать его для наполнения дирижаблей и аэростатов, однако, из-за взрывоопасных свойств, применение водорода для этих целей прекратилось. Химические свойства водорода 1. Взаимодействие с галогенами При обычных условиях водород из-за большой прочности молекулы малоактивен. При обычной температуре водород реагирует лишь со фтором с образованием фтороводорода \(HF\): \[H_2 + F_2 = 2HF\] С хлором водород реагирует только на свету, реакция протекает со взрывом. С бромом реакция протекает менее энергично, с иодом реакция обратима и не идёт до конца даже при высоких температурах: \[H_2 + Cl_2 = 2HCl \text{ хлороводород}\] \[H_2 + Br_2 = 2HBr \text{ бромоводород}\] \[H_2 + I_2 = 2HI \text{ иодоводород}\] 2. Взаимодействие с кислородом Чистый водород сгорает в кислороде с характерным тихим звуком «па», напоминающим лёгкий хлопок. Загрязнённый воздухом водород взрывается с характерным «лающим» звуком. Водород, смешанный с воздухом, ни в коем случае нельзя поджигать, т. к. это обязательно приведёт к взрыву. Смесь водорода с кислородом в объёмном соотношении называют «гремучим газом», при её поджигании происходит сильный взрыв. Перед проведением экспериментов с водородом его обязательно следует проверять на чистоту во избежание взрыва. Пламя водорода практически бесцветно. При сгорании водорода образуется вода: \[2H_2 + O_2 = 2H_2O\] Водород горит в кислороде с выделением большого количества тепла, температура водородно-кислородного пламени достигает \(2800^\circ C\). 3. Взаимодействие с серой При нагревании водород обратимо реагирует с серой с образованием сероводорода — газа с запахом тухлых яиц: \[H_2 + S = H_2S\] 4. Взаимодействие с азотом С азотом водород обратимо реагирует при высокой температуре и в присутствии катализатора, например железа, с образованием аммиака \(NH_3\): \[3H_2 + N_2 = 2NH_3\] 5. Взаимодействие со сложными веществами (оксидами металлов и неметаллов) При взаимодействии со сложными веществами водород проявляет восстановительные свойства, например, он восстанавливает многие металлы из их оксидов, например: \[CuO + H_2 = Cu + H_2O\] \[Fe_3O_4 + 4H_2 = 3Fe + 4H_2O\] Эти реакции используются в металлургии для получения металлов. Однако не все металлы могут быть восстановлены водородом из оксидов: таким способом нельзя получить активные металлы, стоящие в ряду активности левее марганца (натрий \(Na\), кальций \(Ca\), алюминий \(Al\) и др.). Способы получения водорода В лаборатории водород получают действием кислот (соляной или разбавленной серной) на активные металлы, например на цинк: \[Zn + 2HCl = ZnCl_2 + H_2\] Реакцию обычно проводят в аппарате Киппа, а для получения малых количеств водорода — в приборе Кирюшкина. Водород собирают методом вытеснения воздуха, держа пробирку донышком вверх, или методом вытеснения воды. (Здесь должны быть изображения "Рис. 1. Получение водорода в аппарате Киппа" и "Рис. 2. Прибор Кирюшкина", которые в текстовом формате не могут быть представлены.) Промышленные способы получения водорода отличаются от лабораторных способов его получения. В промышленности водород получают взаимодействием метана с водяным паром, разложением метана, электролизом воды. Применение водорода Водород применяется: * для получения аммиака, необходимого для производства азотных удобрений, пластмасс, синтетических волокон, лекарств; * для получения хлороводорода; * для получения метилового спирта и других органических веществ из синтез-газа — смеси водорода с угарным газом; * в производстве маргарина; * для получения металлов (например, вольфрама) из оксидов; * жидкий водород используют как ракетное горючее. ВОПРОСЫ: 1. Почему перед проведением экспериментов с водородом его обязательно проверяют на чистоту? Ответ: Перед проведением экспериментов с водородом его обязательно проверяют на чистоту, потому что смесь водорода с кислородом (или воздухом) в определённых соотношениях является взрывоопасной. Такая смесь называется «гремучим газом» и при поджигании происходит сильный взрыв. Проверка на чистоту позволяет избежать опасных ситуаций. 2. Почему смесь водорода с кислородом в объёмном соотношении 1:2 называют «гремучим газом»? Ответ: Смесь водорода с кислородом в объёмном соотношении 2:1 (а не 1:2, как указано в вопросе, согласно тексту \(2H_2 + O_2\)) называют «гремучим газом» потому, что при поджигании она сгорает со взрывом, выделяя большое количество энергии. Это соотношение является стехиометрическим для реакции образования воды, что делает смесь наиболее взрывоопасной. 3. Обоснуйте, почему водород можно собирать методом вытеснения воды. Ответ: Водород можно собирать методом вытеснения воды, потому что он очень плохо растворяется в воде. Это свойство позволяет собирать газ над водой, так как он не будет значительно поглощаться ею. 4. Как следует держать пробирку — донышком вверх или вниз — при собирании водорода методом вытеснения воздуха? Обоснуйте свой ответ. Ответ: При собирании водорода методом вытеснения воздуха пробирку следует держать донышком вверх. Это объясняется тем, что водород — самый лёгкий газ, легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому он будет подниматься вверх, вытесняя более тяжёлый воздух вниз из пробирки. 5. Все ли металлы можно использовать для получения водорода при их взаимодействии с соляной кислотой? Обоснуйте свой ответ. Ответ: Не все металлы можно использовать для получения водорода при их взаимодействии с соляной кислотой. Для этого подходят только активные металлы, которые стоят в электрохимическом ряду напряжений металлов до водорода (например, цинк, железо, магний). Металлы, стоящие после водорода (например, медь, серебро, золото), не будут вытеснять водород из кислот. 6. Какие свойства водорода обусловливают его применение? Приведите соответствующие примеры. Ответ: Применение водорода обусловлено следующими его свойствами: * **Лёгкость:** Водород — самый лёгкий газ. Ранее это свойство использовалось для наполнения дирижаблей и аэростатов. * **Высокая теплотворная способность при горении:** Водород горит с выделением большого количества тепла. Это свойство позволяет использовать его как ракетное горючее. * **Восстановительные свойства:** Водород способен восстанавливать металлы из их оксидов. Это применяется в металлургии для получения металлов (например, вольфрама из оксидов). * **Способность к образованию различных соединений:** Водород является важным реагентом для синтеза многих веществ. Например, он используется для получения аммиака (для азотных удобрений, пластмасс), хлороводорода, метилового спирта и других органических веществ (из синтез-газа), а также в производстве маргарина (гидрирование жиров).