Страница 73 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какими физическими свойствами характеризуется водород? Как его собирают? Почему водородом опасно заполнять воздушные шары и дирижабли?

Какими физическими свойствами характеризуется водород?

Водород ($H_2$) — это химический элемент, который при нормальных условиях представляет собой газ. К его основным физическим свойствам относятся:

• Агрегатное состояние: газ (при нормальных условиях).
• Цвет, вкус, запах: не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
• Плотность: это самый лёгкий из всех известных газов. Его плотность при 0 °C и давлении 1 атм составляет около 0,0899 г/л. Он примерно в 14,5 раз легче воздуха, благодаря чему обладает высокой летучестью.
• Растворимость: очень плохо растворяется в воде (при 20 °C в 100 объёмах воды растворяется всего около 1,6 объёма водорода). Также плохо растворим в большинстве органических растворителей.
• Температуры фазовых переходов: имеет чрезвычайно низкие температуры сжижения и замерзания. Температура кипения водорода составляет –252,87 °C (20,28 K), а температура плавления –259,14 °C (14,01 K).
• Тепло- и электропроводность: является плохим проводником электричества и обладает самой высокой теплопроводностью среди всех газов.

Ответ: Водород — это бесцветный, не имеющий запаха и вкуса газ, который является самым лёгким веществом, очень плохо растворим в воде и обладает крайне низкими температурами кипения и плавления.

Как его собирают?

В лабораторных условиях, основываясь на физических свойствах водорода, его можно собирать двумя основными способами:

1. Метод вытеснения воздуха. Так как водород значительно легче воздуха, его можно собрать, перевернув сосуд (пробирку или колбу) вверх дном. Газоотводную трубку, из которой поступает водород, вводят в сосуд до самого верха. Легкий водород скапливается в верхней части, постепенно вытесняя более тяжелый воздух из сосуда вниз.

2. Метод вытеснения воды. Этот метод основан на плохой растворимости водорода в воде. Сосуд, предназначенный для сбора газа, полностью заполняют водой и, закрыв отверстие, переворачивают в ванну (кристаллизатор) с водой. Затем под отверстие сосуда подводят газоотводную трубку. Выделяющийся водород в виде пузырьков поднимается вверх, скапливается в сосуде и вытесняет из него воду. Этот способ предпочтительнее, так как позволяет получить более чистый образец газа, не смешанный с воздухом.

Ответ: Водород собирают методом вытеснения воздуха (направляя его в перевёрнутый сосуд) или методом вытеснения воды, так как он легче воздуха и плохо в воде растворяется.

Почему водородом опасно заполнять воздушные шары и дирижабли?

Заполнять воздушные шары и дирижабли водородом опасно из-за его химического свойства — высокой горючести и взрывоопасности при контакте с воздухом. Водород в смеси с кислородом (который содержится в воздухе) образует так называемый "гремучий газ". Эта смесь является чрезвычайно взрывоопасной в широком диапазоне концентраций (от 4% до 75% водорода в воздухе). Для инициирования взрыва или бурного горения достаточно малейшей искры, которая может возникнуть от статического электричества, работы мотора или любого другого источника огня. Реакция горения водорода протекает с выделением огромного количества энергии: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{энергия}$.

Ярчайшим трагическим примером этой опасности служит катастрофа немецкого дирижабля "Гинденбург" в 1937 году. Огромный летательный аппарат, наполненный водородом, загорелся и был полностью уничтожен всего за 34 секунды. Именно из-за этой опасности в современной авиации и воздухоплавании вместо водорода используют инертный (негорючий) газ гелий, хотя он дороже и обладает немного меньшей подъёмной силой.

Ответ: Использование водорода в воздушных шарах и дирижаблях опасно, потому что он чрезвычайно горюч и образует с воздухом взрывоопасную смесь, которая может воспламениться от малейшей искры.

2. Сравните получение, собирание и распознавание кислорода и водорода.

Получение

Сравнение способов получения кислорода и водорода в лабораторных и промышленных условиях.

• Кислород ($O_2$) в лаборатории чаще всего получают реакциями разложения сложных веществ, богатых кислородом. Наиболее распространены:
  • Разложение пероксида водорода ($H_2O_2$) в присутствии катализатора (оксида марганца(IV)):
    $2H_2O_2 \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O + O_2\uparrow$
  • Термическое разложение перманганата калия ($KMnO_4$):
    $2KMnO_4 \xrightarrow{t} K_2MnO_4 + MnO_2 + O_2\uparrow$
  В промышленности кислород получают в основном из сжиженного воздуха методом фракционной перегонки.
• Водород ($H_2$) в лаборатории получают реакциями замещения, в которых более активные металлы вытесняют водород из кислот или воды. Типичный пример (в аппарате Киппа):
  • Взаимодействие цинка ($Zn$) с соляной кислотой ($HCl$):
    $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$
  В промышленности водород получают конверсией метана с водяным паром или электролизом воды.

Сходство: И кислород, и водород можно получить одним и тем же методом — электролизом воды. При этом кислород выделяется на аноде, а водород — на катоде.
$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

Различие: Основные лабораторные способы получения различны по типу реакции: для кислорода — реакции разложения, для водорода — реакции замещения. Промышленные источники сырья также кардинально отличаются: воздух для кислорода и природный газ (или вода) для водорода.

Ответ: Кислород в лаборатории получают разложением (например, $H_2O_2$ или $KMnO_4$), а водород — замещением (металл + кислота). Общий метод для обоих — электролиз воды. В промышленности кислород получают из воздуха, а водород — из природного газа.

Собирание

Способы собирания газов основаны на их физических свойствах: плотности относительно воздуха и растворимости в воде.

• Кислород ($O_2$): Молярная масса кислорода ($M(O_2) \approx 32$ г/моль) больше средней молярной массы воздуха ($M_{возд.} \approx 29$ г/моль). Поэтому кислород тяжелее воздуха. Его можно собирать методом вытеснения воздуха, располагая сосуд-приемник отверстием вверх. Кислород плохо растворим в воде, поэтому его также можно собирать методом вытеснения воды.
• Водород ($H_2$): Молярная масса водорода ($M(H_2) \approx 2$ г/моль) значительно меньше молярной массы воздуха. Это самый легкий газ. Его собирают методом вытеснения воздуха, располагая сосуд-приемник отверстием вниз (дном вверх). Водород практически нерастворим в воде, что также позволяет собирать его методом вытеснения воды.

Сходство: Оба газа плохо растворимы в воде, поэтому их обоих можно собирать методом вытеснения воды.

Различие: Из-за разной плотности по отношению к воздуху их собирают методом вытеснения воздуха по-разному: сосуд для сбора кислорода (тяжелее воздуха) держат отверстием вверх, а для водорода (легче воздуха) — отверстием вниз.

Ответ: Оба газа можно собирать над водой. При собирании вытеснением воздуха сосуд для кислорода держат дном вниз (тяжелее воздуха), а для водорода — дном вверх (легче воздуха).

Распознавание

Распознавание (качественное определение) газов основано на их характерных химических свойствах.

• Кислород ($O_2$) является сильным окислителем и активно поддерживает горение. Для его распознавания в сосуд с газом вносят тлеющую лучинку. В присутствии кислорода лучинка ярко вспыхивает.
• Водород ($H_2$) — горючий газ. При смешивании с кислородом (воздухом) в определенных пропорциях образует взрывоопасную смесь, называемую "гремучим газом". Для распознавания водорода к отверстию сосуда с газом подносят горящую лучинку. Если водород чистый, слышится тихий хлопок ("пшик"), а если он смешан с воздухом — резкий "лающий" звук (взрыв). Реакция горения водорода: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Сходство: В обоих качественных реакциях используется деревянная лучинка.

Различие: Для распознавания кислорода используется тлеющая лучинка, которая в его атмосфере вспыхивает. Для распознавания водорода используется горящая лучинка, которая вызывает хлопок или взрыв. Таким образом, тесты основаны на противоположных свойствах: кислород поддерживает горение, а водород сам горит.

Ответ: Кислород распознают по вспыхиванию тлеющей лучинки. Водород распознают по характерному хлопку или "лающему" звуку при поднесении горящей лучинки.

3. Охарактеризуйте применение водорода на основе его свойств.

Применение водорода тесно связано с его уникальными физическими и химическими свойствами. Рассмотрим основные из них.

1. Водород как восстановитель

Одним из ключевых химических свойств водорода является его способность выступать в роли сильного восстановителя, особенно при повышенных температурах. Он способен отнимать кислород у многих металлов из их оксидов.
Пример реакции восстановления оксида меди (II):
$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$
Это свойство широко используется в металлургии для получения чистых тугоплавких металлов, таких как вольфрам ($W$), молибден ($Mo$), рений ($Re$) и другие, из их оксидов.

Ответ: Благодаря своим восстановительным свойствам водород применяется в металлургии для получения чистых металлов из их оксидов.

2. Высокая теплота сгорания

Водород горит в кислороде или на воздухе с выделением большого количества теплоты (286 кДж/моль). Продуктом этой реакции является только вода, что делает водород экологически чистым топливом.
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + Q$
Это свойство определяет его применение в нескольких областях:

- Ракетное топливо: Жидкий водород в паре с жидким кислородом является одним из самых эффективных видов ракетного топлива по удельному импульсу.

- Водородная энергетика: Водород рассматривается как перспективное топливо будущего. Его можно сжигать в двигателях внутреннего сгорания или использовать в топливных элементах для прямого преобразования химической энергии в электрическую.

- Сварка и резка металлов: В кислородно-водородных горелках достигается температура до 2800 °C, что позволяет сваривать и резать тугоплавкие металлы.

Ответ: Высокая теплота сгорания и экологическая чистота продукта (воды) позволяют использовать водород как ракетное топливо, топливо для энергетики, а также для высокотемпературной сварки и резки металлов.

3. Взаимодействие с простыми веществами (неметаллами)

Водород вступает в реакции со многими неметаллами, образуя важные для промышленности соединения.

- Синтез аммиака: Реакция водорода с азотом при высоком давлении, температуре и в присутствии катализатора (процесс Габера-Боша) является основой для производства аммиака.
$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$
Аммиак, в свою очередь, используется для производства азотных удобрений, азотной кислоты и взрывчатых веществ.

- Синтез хлороводорода: Реакция с хлором приводит к образованию хлороводорода, водный раствор которого — соляная кислота.
$H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$

- Синтез метанола: Водород используется в синтезе метилового спирта из оксида углерода(II).
$CO + 2H_2 \rightarrow CH_3OH$

Ответ: Способность водорода реагировать с азотом, хлором и оксидом углерода лежит в основе крупнотоннажных химических производств аммиака, соляной кислоты и метанола.

4. Реакции гидрирования (гидрогенизации)

Водород способен присоединяться по кратным (двойным и тройным) связям в молекулах ненасыщенных органических соединений. Этот процесс называется гидрированием.
Важнейший пример — гидрирование жидких растительных масел (ненасыщенных жиров) для получения твердых жиров (маргарина).
Это свойство также используется в нефтеперерабатывающей промышленности для гидрокрекинга и гидроочистки нефтепродуктов (удаления серы).

Ответ: В пищевой промышленности водород используется для гидрирования масел при производстве маргарина, а в нефтехимии — для улучшения качества топлива.

5. Низкая плотность (лёгкость)

Водород — самое лёгкое из всех известных веществ. Его плотность при нормальных условиях примерно в 14.5 раз меньше плотности воздуха.
Ранее это свойство использовалось для наполнения воздухоплавательных аппаратов — дирижаблей и аэростатов. Однако из-за высокой горючести и взрывоопасности в смеси с воздухом (гремучий газ) его применение в этой области было прекращено после ряда катастроф (например, крушение дирижабля «Гинденбург»). В настоящее время для этих целей используют инертный и негорючий, хотя и более дорогой, гелий.

Ответ: Благодаря своей чрезвычайно низкой плотности водород исторически применялся для наполнения дирижаблей и аэростатов, но из-за взрывоопасности был заменен гелием.