Водород

На этой странице вы узнаете 

• Что водород забыл в лампочках?
• Взрываем натрий: как можно получить водород? 
• Почему ученые хотят сделать водород топливом будущего?

Победитель во всем! Самый легкий газ, самый распространенный элемент, первый элемент в Периодической системе — это все про водород. В этой статье подробнее разберем все его особенности и характеристики. 

Строение атома водорода

Водород — самый первый элемент таблицы Менделеева. Латинское название водорода означает «рождающий воду». Это двухатомная молекула H₂, которая является самым легким газом без цвета, запаха и вкуса. 

Он находится в IA-группе первого периода и имеют электронную конфигурацию 1s¹. Свой единственный электрон он может щедро отдать и приобрести степень окисления (с.о.) +1, а может, наоборот, с жадностью принять еще один, проявляя при этом с.о. –1.

Физические свойства водорода

Скрытности водорода могут позавидовать лучшие спецагенты и шпионы из боевиков, даже сам Агент 007. Водород не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. 

Благодаря своей маленькой массе, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее передают тепло от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает высокой теплопроводностью.

Что водород забыл в лампочках? Вошедшие в моду в наши дни ретро-лампочки в стиле лофт называются филаментные LED-лампочки. Для заполнения их стеклянных колб применяется водород с его высокой теплопроводностью.

Химические свойства водорода

На самом деле, водород очень «ленивый», поэтому будет мало с кем вступать в реакции соединения, а если все же будет, то, как правило, при очень высоких температурах или при наличии катализатора.

1. Реакции с металлами. 

Водород — неметалл, поэтому способен вступать в реакции со своими противоположностями — металлами, но только с самыми активными из них — металлами IA- и IIA-групп (щелочными и щелочно-земельными). В ходе реакции образуются гидриды соответствующих металлов.

	Na, t	Cs, t	Ca, t	Fe
H2	NaH	CsH	CaH2	реакция не идет

В гидридах металлов водород проявляет с.о. –1 из-за большей, чем у металлов, электроотрицательности.

Разберем химические свойства гидридов:

• Реакции гидролиза

Гидриды металлов способны гидролизоваться водой или кислотами. В обоих типах гидролиза происходит выделение водорода (H₂), однако при взаимодействии с водой также образуется щелочь, а при взаимодействии с кислотой — соль.

NaH + H₂O = NaOH + H₂

CaH₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂

• Реакции разложения

Гидриды вступают в реакции разложения при нагревании, в ходе которых образуются металл и водород.

  2КН = 2К + Н₂

• Взаимодействие с кислородом

Гидриды бурно взаимодействуют с кислородом в составе воздуха, образуются оксид металла и вода.

CaH₂ + O₂ = CaO + H₂O

Если полученный оксид реагирует с водой (для этого нужно, чтобы его гидроксид был растворим), то вместо оксида и воды можем записать в продукты сразу гидроксид.

 CaO + H₂O = Ca(OH)₂ 

CaH₂ + O₂ = Ca(OH)₂ 

• Реакции электролиза

Гидриды вступают в реакции электролиза, как и при реакции разложения, образуются металл и водород.

2KH = 2K + H₂

Вернемся к свойствам водорода.

2. Реакции с неметаллами. 

Водород реагирует практически со всеми неметаллами, кроме тех, с кем он имеет очень близкие значения электроотрицательностей: 

Рядом с водородом стоит кремний с фосфором. Из этого следует следующее: 

• Они имеют схожие значения электроотрицательностей.
• Из-за этого они «не могут определиться» с тем, кто в реакции будет восстановителем, а кто — окислителем.
• Как итог, реакция между ними не протекает.

Водород (H) не реагирует с кремнием (Si) и фосфором(P). Запоминалка — PSiH.

	F2	Cl2, hv	I2, t	O2, t	N2, Pt, t	C, Ni, t
H2	HF	HCl	HI	H2O	NH3	CH4

В образующихся бинарных соединениях водород находится в своей почти постоянной степени окисления +1, а атом более электроотрицательного неметалла — в своей низшей с.о. (она определяется по формуле «номер группы-8»).

3. Реакции с оксидами. 

Из-за своей низкой электроотрицательности, атом водорода легко «ограбить» — отнять у него электрон. Именно поэтому в окислительно-восстановительных реакциях он выступает в роли «жертвы», то есть восстановителя. 

При этом водород является настолько сильным восстановителем, что способен восстанавливать даже металлы и неметаллы из их оксидов при сплавлении (t)!

Запомним: активные (щелочные и щелочноземельные) металлы из оксидов не восстанавливают — их получают только электролизом расплавов их соединений.

Получение водорода 

Водород можно получить несколькими способами. Например, при взаимодействии металлов с водой/кислотами/щелочами (но все зависит от того, какой металл мы берем).

Взрываем натрий: как можно получить водород? Активные металлы достаточно бурно реагируют с водой, некоторые даже со взрывом! Если кинуть кусочек щелочного металла в воду, то можно увидеть небольшое «шипение» металла в воде и выделение газообразного водорода на поверхности.  Красиво реагирует с водой калий. Здесь и яркий розовый оттенок, и вспышки света, и бурное шипение выделяемого водорода — буйство спецэффектов!

В лаборатории водород часто получают с помощью этих реакций:

Взаимодействие металлов до водорода в ряду активности с водой	2H2O + 2Na = 2NaOH + H2 \(\uparrow\) Zn + H2O (пар) = ZnO + H2 [600—800° C]
Взаимодействие металлов до водорода в ряду активности с растворами кислот-неокислителей	2HCl + Fe = FeCl2 + H2 (\uparrow\) 2Al + 3H2SO4 (разб.) = Al2(SO4)3+ 3H2
Взаимодействие амфотерных металлов (Be, Zn, Al), а также кремния, со щелочами	Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2 Si + 2KOH + H2O = K2SiO3 + 2H2

Важными промышленными способами получения водорода являются:

• Паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород.

СН₄ + Н₂O \(\rightarrow\) СО + 3Н₂

• Паровая конверсия угля. 

C + H₂O \(\rightarrow\) CO + H₂

• Электролиз воды.

2H₂O (эл.ток) = 2H₂ + O₂

Такой способ получения водорода является очень энергозатратным, но зато экологически чистым, ведь не выделяется угарный газ, как при паровой конверсии метана или угля. 

Получение водорода электролизом воды лежит в основе домашней станции от компании Honda, которая позволяет заправлять автомобили, работающие на водородном топливе. Конечно, таких автомобилей сейчас очень мало, да и станция не получила широкого признания. Но инженеры активно продолжают вести свои разработки. Возможно, уже через несколько десятков лет мы будем наслаждаться автомобилями, работающими без выхлопных газов и не загрязняющими окружающую среду!

• Крекинг нефти.

Крекинг — это разложение нефти и ее фракций с целью получения более ценных продуктов (бензин и т.п.).

Оставшийся после этого процесса водород можно использовать в качестве водородного топлива.

Почему ученые хотят сделать водород топливом будущего? В мировых лабораториях ученые активно занимаются разработкой топлива будущего. И на эту роль хорошо может подойти водород. Ведь отходом при использовании этого топлива является не угарный газ, загрязняющий атмосферу, а вода, которую можно использовать снова и снова. Фантастика!

Набирает популярность и получение биоводорода. Существует несколько способов такой добычи водорода:

• Термохимический, при котором биомасса — например, отходы древесины — нагревается без доступа кислорода до 500—800 °C. В результате выделяется метан, угарный газ и водород.
• Биохимический. Водород выделяют различные бактерии.
• Биофотолиз. Этот способ основан на том, что у водорослей при недостатке кислорода и серы ослабевает процесс фотосинтеза, но при этом бурно выделяется водород. 

Преимуществом всех этих способов является экономичность.

Применение водорода

Водород активно применяется в промышленности, например:

• Жидкий водород используется в ракетном топливе.
• Его сильные восстановительные свойства используются для получения необходимых металлов из их оксидов.
• В производстве маргарина, превращая жидкие растительные жиры в твердые.
• Для синтеза аммиака, необходимого для производства удобрений.

Фактчек

• Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, существует в виде двухатомной молекулы H₂.
• Водород имеет один единственный электрон, его электронная конфигурация 1s¹.
• Возможные степени окисления водорода: –1, 0, +1.
• Водород крайне малоактивен, он реагирует с некоторыми неметаллами и щелочными/щелочноземельными металлами.

Проверь себя 

Задание 1.
Соединения металлов с водородом называются: 

1. оксиды
2. гидраты
3. гидриды
4. гидроксиды

Задание 2.
С каким металлом будет реагировать водород? 

1. кальций
2. железо
3. кадмий
4. никель

Задание 3.
Сколько электронов у атома водорода на внешнем энергетическом уровне? 

1. 4 электрона
2. 3 электрона
3. 2 электрона
4. 1 электрон

Задание 4.
С каким оксидом будет реагировать водород? 

1. оксид серы (IV)
2. оксид меди
3. оксид кремния (IV)
4. оксид рубидия

Ответы: 1. — 3; 2. — 1; 3. — 4; 4. — 2.