Пригадайте формули та назви сполук, у складі яких є Гідроген.
Гідроген є у складі майже всіх органічних сполук і багатьох неорганічних. Леткі сполуки з Гідрогеном: вода ($\text{H}_2\text{O}$), метан ($\text{CH}_4$), амоніак ($\text{NH}_3$), гідроген сульфід ($\text{H}_2\text{S}$), гідроген хлорид ($\text{HCl}$).
Поміркуйте
Леткий — це такий, який має здатність швидко зникати, поширюючись у повітрі. Що, на вашу думку, означає термін «летка сполука»?
Летка сполука — це речовина (як тверда, так і рідка), яка має здатність легко переходити в газоподібний стан, тобто швидко випаровуватися за нормальних умов.
Поміркуйте
Моделі молекул летких сполук із Гідрогеном хімічних елементів 14-ї та 15-ї груп Періодичної таблиці.
Робота з інформацією
160. Знайдіть інформацію про відкриття водню. Які дослідження дали змогу його відкрити? Підготуйте ілюстроване повідомлення.
У Середньовіччі вчений Парацельс помітив, що при взаємодії кислот із залізом виділяється газ, який вважали лише частиною «повітря».
У 1766 році Генрі Кавендіш довів існування газу, що відрізняється від повітря, відкривши водень та вуглекислий газ. Діючи соляною кислотою на цинк і залізо, він отримав невідомий безбарвний газ без запаху і смаку. Через те що газ горів і вибухав, його назвали «горючим повітрям».
У 18 столітті Антуан Лавуазьє довів, що при горінні цього газу утворюється вода, тому газ назвали воднем, що означає «той, що народжує воду».
161. Обчисліть кількості речовини кисню та водню масою по 1 г. У якому зразку більше атомів і в скільки разів?
Дано:
m(O₂) = 1 г
m(H₂) = 1 г
Обчислити:
Порівняти n(O) і n(H) – ?
Розв’язання
Обчислюємо молярну масу сполук
Mᵣ(O₂) = 2Aᵣ(O) = 2•16 = 32, тому M(O₂) = 32 г/моль
Mᵣ(H₂) = 2Aᵣ(H) = 2•1 = 2, тому M(H₂) = 2 г/моль
Обчислюємо кількість речовини кожної сполуки масою 1 г.
n(O₂) = m(O₂) : M(O₂) = 1 г : 32 г/моль = 0,03125 моль
n(H₂) = m(H₂) : M(H₂) = 1 г : 2 г/моль = 0,5 моль
Оскільки формули сполук мають однакову кількість атомів, тому достатньо порівняти кількість речовини кожної сполуки.
n(H₂) : n(O₂) = 0,5 моль : 0,03125 моль = 16 разів
Відповідь: у 16 разів більше атомів в 1 г водню.
162. Запишіть рівняння реакцій утворення з простих речовин: а) амоніаку; б) гідроген хлориду; в) метану.
а) $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 = 2\text{NH}_3$.
б) $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 = 2\text{HCl}$.
в) $\text{C} + 2\text{H}_2 = \text{CH}_4$.
163. У який спосіб можна довести наявність гідроген хлориду або гідроген броміду у водному розчині?
Ці речовини у водному розчині виявляють властивості кислот. Наявність кислот можна довести за допомогою індикаторів, наприклад, лакмус змінить забарвлення на червоне.
164. На початку ХХ століття водень широко використовували для виготовлення дирижаблів, допоки не сталася трагедія з повітряним судном «Гінденбург». Які висновки було зроблено після цього? Підготуйте коротке ілюстроване повідомлення про використання дирижаблів і катастрофу «Гінденбурга».
На початку XX століття дирижаблі наповнювали воднем для транспортування вантажів та перевезення людей. Водень є легкозаймистим газом, а його суміш із повітрям може вибухнути від іскри. Це стало причиною катастрофи дирижабля «Гінденбург», після якої використання водню значно скоротилося.
Основний висновок після трагедії — небезпечність використання водню. Тому зараз дирижаблі, метеозонди та повітряні кулі наповнюють дорожчим, але безпечним гелієм. Іноді також застосовують нагріте повітря або суміші гелію з воднем.
165. Обчисліть густину водню за нормальних умов, порівняйте отримане значення з наведеним у параграфі.
За нормальних умов (температура 0°С і нормальний атмосферний тиск) густина водню становить 0,09 г/л.
Густину обчислюємо за формулою: ρ = М/Vₘ, де Vₘ — молярний об’єм газу за н.у.
M(H₂) = 2 • 1 = 2 г/моль
ρ = 2 г/моль : 22,4 л/моль ≈ 0,0893 г/л
Відповідь: отримане значення 0,0893 г/л близьке до наведеного в параграфі 0,09 г/л.
166. За матеріалом параграфа обчисліть масову частку водню у водному розчині, якщо за температури 20 °С розчиниться його максимальний об’єм. Порівняйте з масовою часткою кисню за аналогічних умов (див. § 9). До яких речовин (розчинних, малорозчинних чи практично нерозчинних) належать кисень і водень?
Дано:
V(H₂) = 18,8 мл = 0,0188 л
V(O₂) = 6,7 мл = 0,0067 л
Знайти:
w(H₂)–?, w(O₂)–?
Розв’язання
Обчислюємо молярну масу водню і кисню
Mᵣ(O₂) = 2Aᵣ(O) = 2•16 = 32, тому M(O₂) = 32 г/моль
Mᵣ(H₂) = 2Aᵣ(H) = 2•1 = 2, тому M(H₂) = 2 г/моль
Обчислюємо кількість речовини водню і кисню
n(H₂) = V(Н₂) : Vₘ = 0,0188 л : 22,4 л/моль ≈ 8,39 • 10⁻⁴ моль
n(О₂) = V(О₂) : Vₘ = 0,0067 л : 22,4 л/моль ≈ 2,99 • 10⁻⁴ моль
Обчислюємо масу водню і кисню
m(Н₂) = n(H₂) • M(H₂) = 8,39 • 10⁻⁴ моль • 2 г/моль ≈ 0,001678 г
m(O₂) = n(O₂) • M(O₂) = 2,99 • 10⁻⁴ моль • 32 г/моль ≈ 0,009568 г
Обчислюємо масову частку водню і кисню
w(H₂) = 0,001678 г : 1,001678 г • 100% ≈ 0,168%
w(О₂) = 0,009568 г : 1,009568 • 100% ≈ 0,948%
Відповідь: водень і кисень належать до практично нерозчинних у воді речовин.
167. Обчисліть масову частку водню, розчиненого в паладії, якщо в металі розчиниться його максимальний об’єм (н. у.). Густина паладію — 12,02 г/см3. Для розрахунків використайте дані з параграфа.
Дано:
ρ(H₂) = 0,00009 г/см³;
ρ(Pd) = 12,02 г/см³,
V(H₂):V(Pd) = 850 : 1
Знайти:
w(H₂) – ?
Розв’язання
Беручи до уваги те, що 850 см³ водню розчиняється в 1 см³ паладію, обчислюємо масу водню і паладію
m(H₂) = V(H₂) • ρ(Н₂) = 850 см³ • 0,00009 г/см³ = 0,0765 г
m(Pd) = V(Pd) • ρ(Pd) = 1 см³ • 12,02 г/см³ = 12,02 г
Обчислюємо масу розчину:
m(р–ну) = m(H₂) + m(Pd) = 0,0765 + 12,02 = 12,0965 г
Обчислюємо масову частку водню в розчині паладію:
w(H₂) = m(H₂) : m(р–ну) = 0,0765 г : 12,0965 г = 0,0063, або 0,63%
Відповідь: w(H₂)=0,63%.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
168. Чому Гідроген є найпоширенішим елементом у Всесвіті?
Гідроген є найпоширенішим елементом, тому що його атоми утворилися в перші хвилини після Великого вибуху. З кожних 100 атомів у Всесвіті 89 — це атоми Гідрогену.
169. Поясніть, як поширеність Гідрогену пов’язана з утворенням молекул води й інших сполук на Землі.
Вода покриває 71% поверхні Землі, наповнюючи річки, озера, льодовики, а також міститься у ґрунтах, гірських породах і всіх живих організмах. Поширеність Гідрогену пояснюється тим, що він входить до складу води та багатьох інших неорганічних і органічних сполук.
170. Порівняйте поширеність Гідрогену й Оксигену у Світовому океані: а) за масовою часткою; б) за числом атомів.
а) За масовою часткою Оксигену значно більше.
б) За числом атомів Гідрогену вдвічі більше, ніж Оксигену (у молекулі води $\text{H}_2\text{O}$ співвідношення атомів $2:1$).
171. Газуватий водень у продаж постачають у балонах об’ємом 40 л, пофарбованих зазвичай у зелений колір. За підвищеного тиску в такий балон уміщується близько 560 г водню. Порівняйте, де міститься більше водню: в 1 балоні об’ємом 40 л чи в бруску паладію такого самого об’єму. Чи можна зробити висновок щодо економічної вигідності транспортування водню в балонах і розчиненим у паладії? А про безпечність транспортування?
Дано:
V(Pd) = 40 л = 40000 см³
V(H₂):V(Pd) = 850 : 1
Знайти:
m(H₂) –?
Розв’язання
Беручи до уваги те, що 850 об’ємів водню розчиняється в 1 об’ємі паладію, обчислюємо об’єм водню в бруску паладію об’ємом 40 л.
V(H₂) = V(Pb) • 850 = 40 л • 850 = 34000 л
Обчислюємо кількість речовини водню
n(H₂)=V(H₂)/Vₘ = 34000 л : 22,4 л/моль = 1517,86 моль
Обчислюємо масу водню
m(H₂) = n(H₂) • M(H₂) = 1517,86 моль • 2 г/моль = 3036 г
Обчислюємо відношення мас
3036 : 560 = 5,42 (рази)
Відповідь: у бруску паладію об’ємом 40 л розчиниться 3036 г водню. Це в 5,42 раза більше, ніж міститься в балоні.
Чи можна зробити висновок щодо економічної вигідності транспортування водню в балонах і розчиненим у паладії? А про безпечність транспортування?
Економічно вигідніше транспортувати водень у балонах, що враховує вартість металів та технології транспортування. Потенційно безпечнішим є транспортування водню, розчиненого у паладії, оскільки він стабільно зберігається за звичайних умов, а не під високим тиском.
Додатково обчислимо масу бруска паладію об’ємом 40 л і порівняємо з масою порожнього зеленого балона, об’ємом 40 л, яким транспортують водень.
m(Pd) = V(Pd) • ρ(Pd) = 40 000 см³ • 12,02 г/см³ = 480800 г = 480,8 кг
З довідникових джерел дізналися, що порожній зелений балон для транспортування водню об’ємом 40 л, має масу 77 кг.
480,8 : 77 = 6,2 рази.
Брусок паладію об’ємом 40 л у 6,2 рази важчий від порожнього зеленого балона об’ємом 40 л.
172. За матеріалом параграфа визначте діапазон температур, у якому існує рідкий водень (за нормального тиску). Порівняйте його з аналогічним діапазоном для кисню (див. § 9).
Рідкий водень існує в діапазоні температур від $-259.2 \text{ °С}$ (температура плавлення) до $-252.9 \text{ °С}$ (температура кипіння).
Рідкий кисень існує у вищому діапазоні: від $-218.4 \text{ °С}$ до $-183 \text{ °С}$.
173. Хлоридна кислота відома від ХVII століття під назвою соляна кислота, або соляний спирт (від лат. spiritus salis — «дух солі»). Антуан Лавуазьє висловив гіпотезу, що ця кислота утворена невідомим на той час хімічним елементом Мурієм. Запропонуйте формулу мурієвої кислоти, якщо припустити, що вона мала б таку саму молекулярну масу, як і хлоридна. Яка відносна атомна маса мала б бути в Мурію? Яке місце в періодичній таблиці мав би посісти Мурій?
Формула мурієвої кислоти була б $\text{MuH}$.
Відносна атомна маса Мурію мала б дорівнювати приблизно $35.5$.
Мурій мав би посісти місце Хлору в 17-й групі.
174. Проаналізуйте графік атомізації (дисоціації) водню.
Запишіть хімічне рівняння процесу атомізації водню.
$\text{H}_2 \to 2\text{H}$.
Дізнайтеся значення слова «дисоціація» і сформулюйте гіпотезу, чому цей термін тут є синонімом терміна «атомізація».
Атомізація водню — це процес перетворення молекули водню $\text{H}_2$ на окремі атоми.
У якому діапазоні температур «вигідне» існування лише молекул водню?
Лише молекули водню існують за температури до $2000 \text{ К}$.
За якої температури атомізація водню відбувається щонайменше на 5 %?
Атомізація водню відбувається щонайменше на $5%$ за температури близько $2500 \text{ К}$.
Чи існують молекули водню на поверхні Сонця? А в атмосфері Юпітера?
На поверхні Сонця молекули водню навряд чи існують, тому що за високої температури вони розкладаються. В атмосфері Юпітера водень існує як у рідкому, так і в газуватому стані.