Номер 1, страница 89 - гдз по химии 8 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Дайте общую характеристику элемента водорода.

Водород (лат. Hydrogenium) — химический элемент с символом H и атомным номером 1. Это самый лёгкий и самый распространённый элемент во Вселенной, составляющий около 75% массы всех элементов.

Положение в Периодической системе Д.И. Менделеева

Водород занимает уникальное, двойственное положение в Периодической системе:

• Он находится в 1-м периоде и обычно размещается в 1-й группе (IA), так как его атом имеет один валентный электрон на единственной s-орбитали ($1s^1$). Подобно щелочным металлам, он легко отдаёт этот электрон, проявляя степень окисления +1 в большинстве соединений (например, $HCl$, $H_2O$).
• В то же время, водород иногда помещают в 17-ю группу (VIIA), поскольку до завершения его внешнего электронного слоя не хватает одного электрона, что роднит его с галогенами. Подобно им, водород может принимать электрон, образуя гидрид-ион $H^-$ и проявляя степень окисления -1 в соединениях с активными металлами (например, $NaH$, $CaH_2$).

В отличие от металлов 1-й группы, водород при нормальных условиях является газом-неметаллом.

Ответ: Водород — элемент 1-го периода, который из-за строения своего атома проявляет свойства, сходные как с элементами 1-й группы (щелочными металлами), так и с элементами 17-й группы (галогенами).

Строение атома и изотопы

Атом водорода — простейший из всех существующих. Его ядро (для основного изотопа) состоит из одного протона, а на электронной оболочке движется один электрон. Электронная конфигурация атома — $1s^1$.

Известны три природных изотопа водорода:

• Протий ($^1H$) — самый распространённый изотоп (более 99,98%), ядро которого состоит только из одного протона.
• Дейтерий ($^2H$ или D, "тяжёлый водород") — ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.
• Тритий ($^3H$ или T, "сверхтяжёлый водород") — ядро состоит из одного протона и двух нейтронов; является радиоактивным изотопом.

Ответ: Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона (электронная конфигурация $1s^1$). Существует в виде трёх изотопов: протия, дейтерия и трития, различающихся числом нейтронов в ядре.

Простое вещество водород ($H_2$) и его физические свойства

В свободном состоянии водород образует простое вещество — газ, состоящий из двухатомных молекул $H_2$, в которых атомы связаны прочной ковалентной неполярной связью.

• Агрегатное состояние (н.у.): газ.
• Цвет, вкус, запах: отсутствуют.
• Плотность: самый лёгкий газ, его плотность при н.у. составляет $0,08987 \text{ г/л}$. Он в 14,5 раз легче воздуха.
• Растворимость: очень плохо растворим в воде и большинстве органических растворителей.
• Температуры фазовых переходов: имеет очень низкие температуры кипения ($-252,87 \text{°C}$) и плавления ($-259,14 \text{°C}$).

Ответ: Простое вещество водород ($H_2$) — это чрезвычайно лёгкий, бесцветный газ без запаха и вкуса, обладающий очень низкой растворимостью в воде и крайне низкими температурами кипения и плавления.

Химические свойства

Молекула $H_2$ прочна, поэтому при обычных условиях водород химически малоактивен. Его реакции обычно требуют инициации (нагревание, облучение, катализатор).

• Восстановительные свойства (проявляет, отдавая электрон, степень окисления +1):
  • Реагирует с большинством неметаллов. Смесь с кислородом 2:1 ("гремучий газ") взрывается при поджигании: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. С галогенами образует галогеноводороды: $H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$. С азотом реагирует обратимо в жёстких условиях (процесс Габера): $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$.
  • Восстанавливает многие металлы из их оксидов: $Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$.
• Окислительные свойства (проявляет, принимая электрон, степень окисления -1):
  • Реагирует с активными металлами (щелочными и щёлочноземельными) при нагревании, образуя ионные соединения — гидриды: $H_2 + 2Li \xrightarrow{t} 2LiH$.

Ответ: Водород проявляет двойственность химических свойств: он выступает как сильный восстановитель в реакциях с неметаллами и оксидами металлов, и как окислитель в реакциях с активными металлами.

Нахождение в природе и получение

• В природе: Водород — самый распространённый элемент во Вселенной (звёзды, межзвёздный газ). На Земле в свободном виде встречается редко (в вулканических газах), основная масса находится в связанном состоянии в составе воды, органических веществ, природных газов, нефти и минералов.
• Получение в промышленности: Основной метод — паровая конверсия (риформинг) природного газа (метана): $CH_4 + H_2o \xrightarrow{t, p, kat} Co + 3H_2$. Также получают электролизом воды.
• Получение в лаборатории: Чаще всего реакцией разбавленных кислот (например, $HCl$ или $H_2SO_4$) с металлами, стоящими в ряду активности до водорода (например, цинком): $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$.

Ответ: Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, на Земле находится преимущественно в соединениях. В промышленности его получают в основном из природного газа, а в лаборатории — действием кислот на металлы.

Применение

Водород имеет широкое применение в различных отраслях:

• Химическая промышленность: синтез аммиака (производство удобрений), метанола, соляной кислоты, пластмасс.
• Пищевая промышленность: гидрогенизация растительных масел для получения твёрдых жиров (маргарина).
• Нефтепереработка: гидрокрекинг и гидроочистка нефтепродуктов.
• Металлургия: в качестве восстановителя для получения некоторых металлов, создание защитной атмосферы.
• Энергетика: как компонент ракетного топлива и как перспективное экологически чистое топливо для автомобилей на топливных элементах.
• Сварка и резка металлов: в кислородно-водородных горелках.

Ответ: Водород является важнейшим сырьём в химической, пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности, а также перспективным источником чистой энергии.