Энергия реакции
H₂ + O₂ → вода. Выделение энергии можно использовать технически.
Исследуем вместе
Проследим за атомом кислорода
Переключай этапы реакции CuO с водородом. Выделенный красный атом показывает переход кислорода в воду.
Показан условный фрагмент состава твёрдого CuO, а не отдельная молекула оксида. Стрелки помогают проследить атомы и не изображают реальный механизм реакции. Размеры и расстояния условны.
01
Водород как химический элемент
Водород обозначают символом H, который читают «аш». Его округлённая относительная атомная масса равна 1 — это самый лёгкий химический элемент. Атомы H входят в воду, природный газ, многие органические соединения и вещества живых организмов.
| Признак / объект | Что означает | Пояснение |
|---|---|---|
| H | Атом или химический элемент | Aᵣ(H) ≈ 1 |
| H в воде | Часть молекулы H₂O | Химически связан с кислородом |
| H₂ | Простое вещество водород | Газ из двухатомных молекул |
Элемент водород распространён во Вселенной и присутствует в звёздах. На Земле значительная его часть связана в соединениях. Наличие H в воде не означает, что в ней находятся готовые молекулы горючего газа: элемент и простое вещество нужно различать. Изотопы протий и дейтерий имеют по одному протону, но различаются числом нейтронов. В соединениях с активными металлами водород может иметь степень окисления −1, например в NaH.
Водород — самый лёгкий химический элемент. В природе он часто входит в состав сложных веществ.
02
Молекула простого вещества
Простое вещество водород имеет формулу H₂: два атома H соединены в одну молекулу. Его относительная молекулярная масса Mᵣ(H₂) = 2 · 1 = 2. Это в 16 раз меньше, чем Mᵣ(O₂) = 32.
| Признак | Описание |
|---|---|
| Формула | H₂ |
| Связь | Ковалентная неполярная |
| Молярная масса | Около 2 г/моль |
| Плотность | Меньше плотности воздуха |
Название элемента и простого вещества совпадает, но обозначения и смысл различаются. В выражении «водород горит» имеется в виду H₂; в выражении «в состав воды входит водород» — элемент H. Коэффициент 3 в 3H₂ обозначает три молекулы и шесть атомов.
Молекула водорода состоит из двух атомов H. Формула H₂ и символ H не являются взаимозаменяемыми.
Модель молекулы водорода H₂
Простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂.
Hoa112008 · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
Модель молекулы воды H₂O
В модели молекулы воды два атома H соединены с одним O; цвета и размеры условны.
Ben Mills · Wikimedia Commons · Public domain. Без изменений.
Не удалось загрузить изображение. Открыть источник
03
Водород забирает кислород у оксида
При нагревании H₂ взаимодействует с оксидом меди(II): CuO + H₂ → Cu + H₂O. Чёрный оксид превращается в красноватую медь, а кислород переходит в состав воды. Число атомов каждого элемента сохраняется.
Восстановление оксида меди водородом
CuO + H₂ → Cu + H₂O
Реакцию проводят при нагревании. Кислород из оксида входит в воду, а медь переходит в простое вещество.
В школьной классификации это реакция замещения: простое вещество реагирует со сложным, образуются другое простое и другое сложное. Получение металла из его оксида называют восстановлением. Водород восстанавливает некоторые оксиды, но нельзя утверждать, что он действует так на любой оксид при любых условиях.
Подробности: понятия и примеры
- До реакции
CuO: кислород связан с медью
- Взаимодействие с H₂
Кислород переходит к водороду
- После реакции
Cu и H₂O
- Наблюдение
Чёрный порошок → красноватая медь
Водород может восстанавливать некоторые металлы из их оксидов. При этом кислород входит в состав воды.
04
Применение следует из свойств
Способность водорода выделять энергию при окислении используют в энергетических устройствах и некоторых ракетных двигателях. Его химическую активность применяют при получении других веществ, в том числе аммиака, и в процессах переработки сырья.
Оценивать технологию только по продукту реакции недостаточно. Хотя при реакции чистого H₂ с O₂ получается вода, сам водород сначала нужно получить, затратив энергию и сырьё. Поэтому экологические последствия зависят и от способа производства водорода. В H₂ водород имеет степень 0; в H₂O — +1, а в гидриде натрия NaH — −1. Следовательно, H₂ может выступать восстановителем по отношению к CuO и окислителем при взаимодействии с активным металлом. Для CuO + H₂ → Cu + H₂O при нагревании из 8,0 г CuO (M ≈ 80) теоретически получается 6,4 г Cu и расходуется 0,10 моль H₂.
Получение веществ
H₂ служит реагентом. Важны условия процесса и происхождение сырья.
Применение водорода связано с его химическими свойствами. Полную технологию оценивают вместе с этапом получения H₂.
Соберём главное
Шесть выводов
01Водород — самый лёгкий химический элемент. В природе он часто входит в состав сложных веществ.
02Молекула водорода состоит из двух атомов H. Формула H₂ и символ H не являются взаимозаменяемыми.
03Водород может восстанавливать некоторые металлы из их оксидов. При этом кислород входит в состав воды.
04Применение водорода связано с его химическими свойствами. Полную технологию оценивают вместе с этапом получения H₂.
05Название элемента и простого вещества совпадает, но обозначения и смысл различаются. В выражении «водород горит» имеется в виду H₂; в выражении «в состав воды входит водород» — элемент H.
06Оценивать технологию только по продукту реакции недостаточно. Хотя при реакции чистого H₂ с O₂ получается вода, сам водород сначала нужно получить, затратив энергию и сырьё.
Тест по параграфу10 вопросов · 4 варианта · один правильный · 0,5 балла за ответ · максимум 5
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Химия, 11 класс», § 29. Материал переработан и дополнен разъяснениями; источник: 11 класс. Химия — § 29. Водород.pdf. Указаны условия реакций, единицы величин и границы применимости моделей. Числовые примеры решены по шагам.
Иллюстрации загружаются непосредственно с Wikimedia Commons; авторы и лицензии указаны под изображениями. Схемы и обучающие модели созданы для этого конспекта.
OpenStax: Chemistry 2e