За розміщенням Гідрогену в Періодичній таблиці визначте: він є металічним чи неметалічним елементом?
Гідроген є неметалічним елементом
Такі хімічні елементи прагнуть віддавати чи приєднувати електрони?
Гідроген може як віддавати один електрон, проявляючи ступінь окиснення +1 (як у сполуках з неметалами), так і приєднувати один електрон, проявляючи ступінь окиснення -1 (у сполуках з активними металами).
У якому об’ємному співвідношенні слід змішати водень і кисень, щоб усі реактанти прореагували повністю? Відповідь обґрунтуйте.
Водень і кисень необхідно змішати в об’ємному співвідношенні 2:1. Це випливає з рівняння реакції горіння водню: 2H₂ + O₂ = 2H₂O. Згідно з рівнянням, два об’єми водню реагують з одним об’ємом кисню.
Як називають продукт цієї реакції?
Продукти реакції водню з лужними і лужноземельними металами називаються гідридами.
Вивчаючи § 9, ви дізналися про спосіб одержання кисню електролізом води. Чи можна цей спосіб використовувати для одержання водню?
Так, цей спосіб використовують для одержання водню. Електроліз води є процесом розкладання води на кисень і водень під дією електричного струму.
Проаналізуйте мал. 9.3 на с. 73. Чим можна пояснити різницю об’ємів газів в обох пробірках?
Різницю об’ємів газів в обох пробірках можна пояснити різною кількістю утворених молекул водню та кисню.
Робота з інформацією
175. Поясніть, як утворюються йони Гідрогену Н⁺ і Н⁻.
Йон Гідрогену H⁺ (катіон) утворюється, коли атом Гідрогену віддає свій єдиний електрон. Йон H⁻ (гідрид-іон) утворюється, коли атом Гідрогену приєднує один електрон.
176. Проаналізуйте рівняння реакцій водню з неметалами. Поясніть умови, за яких відбувається та чи інша реакція. Запишіть назви утворених продуктів реакцій.
Водень реагує з неметалами за певних умов:
- З фтором (F₂) реакція відбувається з вибухом за звичайних умов: H₂ + F₂ = 2HF (гідроген фторид).
- З хлором (Cl₂) реакція відбувається під дією ультрафіолетового опромінення (світла): H₂ + Cl₂ (hv) = 2HCl (гідроген хлорид).
- З киснем (O₂) водень реагує під час підпалювання, реакція відбувається з вибухом: 2H₂ + O₂ = 2H₂O (вода).
- Із сіркою (S) реакція відбувається за нагрівання: H₂ + S (t) = H₂S (гідроген сульфід).
- З азотом (N₂) водень реагує за високої температури, тиску та наявності каталізатора: 3H₂ + N₂ (t, p, kat) = 2NH₃ (амоніак).
- З вуглецем (С) реакція відбувається за високої температури: 2H₂ + C (t) = CH₄ (метан).
177. Складіть формули бінарних сполук Гідрогену з: К, Li, Mg, Sr, Al.
- з Калієм: KH (калій гідрид).
- з Літієм: LiH (літій гідрид).
- з Магнієм: MgH₂ (магній гідрид).
- зі Стронцієм: SrH₂ (стронцій гідрид).
- з Алюмінієм: AlH₃ (алюміній гідрид).
178. Складіть хімічні рівняння утворення бінарних сполук, згаданих у попередньому завданні, із простих речовин.
- 2K + H₂ = 2KH.
- 2Li + H₂ = 2LiH.
- Mg + H₂ = MgH₂.
- Sr + H₂ = SrH₂.
- 2Al + 3H₂ = 2AlH₃.
179. Складіть назви сполук: Fe₂O₃, CuO, WO₃, Ag₂O, MnO. Для останніх двох речовин складіть рівняння реакцій із воднем.
- Fe₂O₃ — Ферум(III) оксид.
- CuO — Купрум(II) оксид.
- WO₃ — Вольфрам(VI) оксид.
- Ag₂O — Аргентум(I) оксид.
- MnO — Манган(II) оксид.
Рівняння реакцій з воднем:
- Ag₂O + H₂ = 2Ag + H₂O.
- MnO + H₂ = Mn + H₂O.
180. Останнім часом дедалі більше застосовують промисловий спосіб одержання чистого заліза відновленням ферум(III) оксиду воднем. Обчисліть об’єм водню (н. у.), який витрачається під час одержання заліза з ферум(III) оксиду масою 160 кг.
Дано:
- маса ферум(III) оксиду (m(Fe₂O₃)) = 160 кг
Знайти:
- об’єм водню (V(H₂)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O.
Кількість речовини Fe₂O₃:
n(Fe₂O₃) = 160 000 г / 160 г/моль = 1000 моль.
За рівнянням, n(H₂) = 3 * n(Fe₂O₃):
n(H₂) = 3 * 1000 моль = 3000 моль.
Об’єм водню:
V(H₂) = 3000 моль * 22,4 л/моль = 67 200 л = 67,2 м³.
Відповідь: 67,2 м³.
181. Реакція цинку з хлоридною кислотою — найпоширеніший спосіб одержання водню в шкільній лабораторії. Обчисліть масу цинку, яка знадобиться для одержання водню об’ємом 5,6 л (н. у.).
Дано:
- об’єм водню (V(H₂)) = 5,6 л
Знайти:
- маса цинку (m(Zn)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂.
Кількість речовини H₂:
n(H₂) = 5,6 л / 22,4 л/моль = 0,25 моль.
За рівнянням, n(Zn) = n(H₂):
n(Zn) = 0,25 моль.
Маса цинку:
m(Zn) = 0,25 моль * 65 г/моль = 16,25 г.
Відповідь: 16,25 г.
182. У промисловості водень використовують для синтезу метану з вуглецю за високої температури. Обчисліть об’єм водню (н. у.), необхідний для одержання метану масою 44 г.
Дано:
- маса метану (m(CH₄)) = 44 г
Знайти:
- об’єм водню (V(H₂)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: C + 2H₂ = CH₄.
Кількість речовини CH₄:
n(CH₄) = 44 г / 16 г/моль = 2,75 моль.
За рівнянням, n(H₂) = 2 * n(CH₄):
n(H₂) = 2 * 2,75 моль = 5,5 моль.
Об’єм водню:
V(H₂) = 5,5 моль * 22,4 л/моль = 123,2 л.
Відповідь: 123,2 л.
183. Під час електролізу води одержують водень, який можна використовувати як пальне. Обчисліть масу витраченої води й об’єм утвореного кисню, якщо під час електролізу одержано 2 м³ водню (н. у).
Дано:
- об’єм водню (V(H₂)) = 2 м³ = 2000 л
Знайти:
- маса води (m(H₂O)) – ?
- об’єм кисню (V(O₂)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: 2H₂O = 2H₂ + O₂.
Кількість речовини H₂:
n(H₂) = 2000 л / 22,4 л/моль ≈ 89,3 моль.
За рівнянням, n(H₂O) = n(H₂) і n(O₂) = n(H₂) / 2:
n(H₂O) ≈ 89,3 моль.
n(O₂) ≈ 89,3 / 2 ≈ 44,65 моль.
Маса води та об’єм кисню:
m(H₂O) ≈ 89,3 моль * 18 г/моль ≈ 1607 г ≈ 1,6 кг.
V(O₂) ≈ 44,65 моль * 22,4 л/моль ≈ 1000 л = 1 м³.
Відповідь: маса води ≈ 1,6 кг, об’єм кисню = 1 м³.
184. Амоніак — дуже важлива промислова речовина, він є сировиною для одержання азотних добрив. Обчисліть об’єм водню (н. у.), необхідний для одержання амоніаку масою 340 кг.
Дано:
- маса амоніаку (m(NH₃)) = 340 кг
Знайти:
- об’єм водню (V(H₂)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: N₂ + 3H₂ = 2NH₃.
Кількість речовини NH₃:
n(NH₃) = 340 000 г / 17 г/моль = 20 000 моль.
За рівнянням, n(H₂) = 1,5 * n(NH₃):
n(H₂) = 1,5 * 20 000 моль = 30 000 моль.
Об’єм водню:
V(H₂) = 30 000 моль * 22,4 л/моль = 672 000 л = 672 м³.
Відповідь: 672 м³.
185. Деякі метали, зокрема хром, використовують для захисту сталі від корозії (іржавіння). Обчисліть масу хром(III) оксиду, який можна відновити, використовуючи водень об’ємом 44,8 л (н. у.). Обчисліть масу утвореного хрому.
Дано:
- об’єм водню (V(H₂)) = 44,8 л
Знайти:
- маса хром(III) оксиду (m(Cr₂O₃)) – ?
- маса хрому (m(Cr)) – ?
Обчислити:
Рівняння реакції: Cr₂O₃ + 3H₂ = 2Cr + 3H₂O.
Кількість речовини H₂:
n(H₂) = 44,8 л / 22,4 л/моль = 2 моль.
За рівнянням, n(Cr₂O₃) = n(H₂) / 3 і n(Cr) = 2/3 * n(H₂):
n(Cr₂O₃) = 2/3 моль.
n(Cr) = 2/3 * 2 = 4/3 моль.
Маса оксиду та металу:
m(Cr₂O₃) = (2/3) моль * 152 г/моль ≈ 101,33 г.
m(Cr) = (4/3) моль * 52 г/моль ≈ 69,33 г.
Відповідь: маса Cr₂O₃ ≈ 101,33 г, маса Cr ≈ 69,33 г.
Розуміння явищ природи (робота в групах)
186. Зважаючи на процеси, які відбуваються в апараті Кіппа, спрогнозуйте: водень, який виділяється з нього, є вологим чи сухим (без домішок водяної пари)?
Водень, що виділяється з апарату Кіппа, є вологим, оскільки реакція відбувається у водному розчині хлоридної кислоти, і газ, що виділяється, насичується водяною парою.
187. Зважаючи на число реактантів і продуктів реакції, з-поміж хімічних реакцій можна виділити зокрема такі:
Реакції сполучення (А + В → С):
- Взаємодія водню з неметалами: H₂ + F₂ → 2HF; 2H₂ + O₂ → 2H₂O; 3H₂ + N₂ → 2NH₃. У всіх цих випадках з двох простих речовин утворюється одна складна.
Реакції розкладу (А → В + С):
- Електроліз води: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Одна складна речовина розкладається на дві прості.
Реакції заміщення (AB + С → CB + А):
- Одержання водню в лабораторії: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂. Атом Цинку заміщує атоми Гідрогену в кислоті.
- Відновлення металів з оксидів: Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O. Атоми Гідрогену заміщують атоми Феруму в оксиді.
188. Водень легко відновлює мідь із купрум(II) оксиду за нагрівання. Під час цієї реакції утворюється мідь, оскільки вона вже не здатна реагувати з воднем. Як ви вважаєте, чи можливо здійснити реакцію одержання натрію під час взаємодії натрій оксиду з воднем?
Ні, здійснити реакцію одержання натрію взаємодією натрій оксиду з воднем неможливо. Натрій є набагато активнішим металом, ніж водень, і тому водень не може витіснити його з оксиду.
189. Пригадайте, які реакції називають окисненням (за §10). Проаналізуйте схеми, на яких проілюстровано два хімічні процеси. Сформулюйте гіпотезу, чому реакції окиснення та відновлення називають протилежними процесами. Відповідь обґрунтуйте.
Окиснення – це процес віддачі електронів атомом, а відновлення – процес їх приєднання. Ці процеси є протилежними, тому що вони завжди відбуваються одночасно: якщо одна речовина віддає електрони (окиснюється), то інша обов’язково їх приймає (відновлюється). Втрата електронів однією частинкою неможлива без їх набуття іншою.
190. Зважаючи на хімічні властивості та способи одержання водню, описані в параграфі, спрогнозуйте, як можна використовувати водень у науці й техніці. Перевірте свої припущення за додатковими джерелами інформації.
Виходячи з хімічних властивостей, водень можна використовувати в таких галузях:
- Хімічна промисловість: для синтезу амоніаку (з якого виробляють добрива), метану та хлороводню.
- Металургія: для відновлення металів (наприклад, заліза, вольфраму) з їхніх оксидів.
- Енергетика: як екологічно чисте пальне, оскільки при його згорянні утворюється лише вода.
191. Проаналізуйте гравюру зі старого підручника хімії. На ній зображено дослід із доведення факту, що під час згоряння водню утворюється вода. Схарактеризуйте значення кожної частини приладу та процеси, які в них відбуваються.
Прилад складається з резервуару для водню, камери згоряння та конденсатора. Водень з резервуару потрапляє в камеру згоряння, де у разі підпалювання або за наявності каталізатора, активно реагує з киснем повітря і утворює воду з виділенням великою кількості теплоти, яка у вигляді водяної пари потрапляє до конденсатора, з якого краплями стікає в ємність для збирання води.
192. «Кресало Деберейнера» — один із перших пристроїв для отримання вогню в домашніх умовах, що набув популярності близько 200 років тому. Певною мірою це була перша у світі запальничка. Схематично цей пристрій зображено на малюнку. Проаналізуйте його і поясніть принцип дії цього кресала.
Принцип дії кресала Деберейнера полягає у використанні хімічної реакції для отримання водню та його подальшого каталітичного окиснення. Цинковий циліндр (d) опускається у склянку з кислотою (a), внаслідок чого починається реакція і виділяється водень (H₂). Цей газ накопичується у верхній частині пристрою. Коли відкривається клапан (e), водень під тиском виходить через форсунку (f) і потрапляє на платинову спіраль (g). Платина діє як каталізатор, що спричиняє реакцію водню з киснем повітря, через що спіраль розжарюється й підпалює струмінь водню, утворюючи полум’я.
193. Установлення певних фактів і закономірностей у науці іноді потребує низки відкриттів, зокрема праці різних науковців / на-уковиць. Навіть визначення формули води та деяких простих речовин, на кшталт водню й хлору, відбулося не одразу… Визначте правильність тверджень, які могли б допомогти Авогадро дійти правильних висновків.
Правильні: I, II, III.
I: Якби $H$ і $Cl$ були одноатомними: $H + Cl =HCl$, з $2V$ до $1V$ — об’єм суміші зменшився б.
II: $H_2 + Cl_2 \rightarrow 2HCl$: $2V = 2V$ — об’єму зміни немає.
III: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$: $3V = 2V$ — зменшення на третину.