Номер 3, страница 245 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 34. Водород - номер 3, страница 245.

Условие.

3. Охарактеризуйте получение, свойства и применение водорода. Ответ проиллюстрируйте уравнениями реакций.

Решение.

Решение 2.

Получение
Водород ($H_2$) — самый распространённый элемент во Вселенной, но на Земле в свободном виде он встречается редко. Его получают различными методами в лаборатории и промышленности.
Лабораторные методы:
1. Взаимодействие активных металлов (стоящих в ряду напряжений до водорода) с кислотами. Чаще всего используют цинк и соляную или серную кислоту:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$
2. Взаимодействие щелочных или щёлочноземельных металлов с водой:
$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$
3. Взаимодействие амфотерных металлов (цинк, алюминий) с растворами щелочей:
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$
4. Электролиз воды (в присутствии щёлочи или кислоты для увеличения электропроводности):
$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$
Промышленные методы:
1. Паровая конверсия метана (основной компонент природного газа). Это основной промышленный способ:
$CH_4 + H_2O \xrightarrow{t, p, кат.} CO + 3H_2$
2. Газификация угля: взаимодействие раскалённого угля с водяным паром:
$C + H_2O \xrightarrow{t} CO + H_2$
3. Электролиз водных растворов солей (например, хлорида натрия) как побочный продукт:
$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2 \uparrow + Cl_2 \uparrow$

Ответ: В лаборатории водород получают реакцией металлов с кислотами, щелочами или водой. В промышленности основные методы — паровая конверсия метана и электролиз воды или водных растворов солей.

Свойства
Физические свойства:
Водород — это газ без цвета, вкуса и запаха. Он является самым лёгким веществом, его плотность примерно в 14,5 раз меньше плотности воздуха. Очень плохо растворяется в воде. Имеет очень низкие температуры кипения ($-252,8^\circ C$) и плавления ($-259,1^\circ C$).
Химические свойства:
Молекула водорода ($H_2$) двухатомна, связь $H-H$ очень прочная, поэтому при обычных условиях водород малоактивен. Реакции обычно протекают при нагревании, под давлением или с участием катализаторов. В соединениях водород проявляет степени окисления +1 (чаще всего) и -1.
1. Взаимодействие с неметаллами. Водород выступает как восстановитель.
- С кислородом: горит с образованием воды. Смесь водорода и кислорода в соотношении 2:1 (по объёму) называется «гремучим газом» и взрывается при поджигании.
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$
- С галогенами: с фтором реагирует со взрывом даже в темноте, с хлором — на свету.
$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$
- С азотом: реакция обратима, протекает при высоком давлении, температуре и с катализатором (промышленный синтез аммиака).
$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$
2. Взаимодействие с активными металлами (щелочными и щёлочноземельными). Водород выступает как окислитель, образуя гидриды, где он имеет степень окисления -1.
$2Na + H_2 \xrightarrow{t} 2NaH$
3. Взаимодействие с оксидами металлов. Водород является сильным восстановителем и используется для получения металлов из их оксидов.
$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$
$Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

Ответ: Водород — самый лёгкий газ, без цвета и запаха. При нагревании проявляет высокую химическую активность, являясь сильным восстановителем (в реакциях с неметаллами, оксидами металлов), но может быть и окислителем (с активными металлами с образованием гидридов).

Применение
Свойства водорода определяют его широкое применение в различных сферах:
1. Химическая промышленность:
- Производство аммиака для получения азотных удобрений.
- Синтез метанола ($CH_3OH$), соляной кислоты ($HCl$), пластмасс и других органических веществ.
- Гидрогенизация растительных масел для получения твёрдых жиров (маргарина).
2. Металлургия:
- Восстановление металлов (например, вольфрама, молибдена) из их оксидов для получения чистых металлов.
- В кислородно-водородных горелках для сварки и резки тугоплавких металлов (температура пламени достигает $2800^\circ C$).
3. Энергетика и транспорт:
- Жидкий водород используется как высокоэффективное ракетное топливо.
- Водород рассматривается как экологически чистое топливо будущего (водородная энергетика), так как при его сгорании образуется только вода. Ведутся разработки автомобилей на водородных топливных элементах.
4. Другие области:
- В прошлом использовался для наполнения дирижаблей и аэростатов, но из-за высокой горючести был заменён на гелий.
- В электротехнике для охлаждения мощных генераторов из-за высокой теплопроводности.

Ответ: Основные области применения водорода — химический синтез (аммиак, метанол), металлургия (восстановление металлов), пищевая промышленность (производство маргарина), а также он является перспективным экологически чистым топливом.