Хімія. Повторне видання. 8 клас. Григорович (2025)

§ 15. Гідроген. Водень

Гідроген у природі

Гідроген — перший хімічний елемент Періодичної таблиці. Його атоми найпростіші: вони складаються з ядра з найменшим зарядом (+1) та лише одного електрона.

Модель атома Гідрогену

Майже всі атоми Гідрогену, що існують у світі, утворилися в перші хвилини після Великого вибуху — моменту виникнення нашого Всесвіту близько 14 млрд років тому. З атомів Гідрогену сформувалися перші зорі та міжзоряний газ. Тож Гідроген є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті. Із кожних 100 атомів, що існують у Всесвіті, 89 — це атоми Гідрогену.

На Землі Гідрогену значно менше. У земній корі частка його атомів становить до 1 % за масою. Утім, якщо зважати на число атомів, то з кожних 100 атомів у земній корі 17 — атоми Гідрогену. І це не дивно: атоми Гідрогену є в складі майже всіх органічних сполук і багатьох неорганічних.

Поміркуйте

Пригадайте формули та назви сполук, у складі яких є Гідроген.

Леткі сполуки з Гідрогеном

Поміркуйте

Леткий — це такий, який має здатність швидко зникати, поширюючись у повітрі. Що, на вашу думку, означає термін «летка сполука»?

Багато хімічних елементів утворюють сполуки з Гідрогеном. Але характерною особливістю Гідрогену є те, що з неметалічними елементами він переважно утворює леткі сполуки, які за кімнатної температури рідкі (вода та гідроген флуорид) або газуваті.

Водні розчини летких сполук Гідрогену з елементами 16-ї та 17-ї груп є кислотами, амоніак і фосфін у водному розчині виявляють властивості основ, а для інших властивості кислот або основ не характерні.

Розчин гідроген хлориду у воді називають хлоридною кислотою, гідроген сульфіду — сульфідною кислотою.

Досліджуємо, моделюємо, проєктуємо

Складіть моделі молекул летких сполук із Гідрогеном хімічних елементів 14-ї та 15-ї груп Періодичної таблиці.

Водень

Атоми Гідрогену хімічно нестійкі, тому об’єднуються у двоатомні молекули, утворюючи просту речовину водень.

Водень:

• газ без кольору, смаку та запаху;

• розчинність у воді: за 0 °С в 1 л води розчиняється 21,4 мл водню, за 20 °С — 18,8 мл;

• густина за 0 °С та нормального атмосферного тиску — 0,09 г/л;

• t_кип. = -252,9 °С, t_пл. = -259,2 °С;

• діамагнітний (не притягується магнітом);

• вибухонебезпечний.

Модель молекули водню

Твердий водень — це кристали, що нагадують сніг. Проте за тиску понад 4 млн атм твердий водень стає металом. Такий металічний водень міститься у в глибинному шарі Юпітера навколо його ядра.

Попри малу розчинність водню у воді, він розчиняється в багатьох металах: нікелі, платині тощо. Найкраща розчинність водню в паладії: 850 об’ємів водню в 1 об’ємі металу.

Водень у природі

Водень — найлегший газ, він у 14,5 раза легший за повітря. Через це повітряні кулі, дирижаблі та маленькі повітряні кульки, наповнені воднем, легко здіймаються в повітря.

На Землі відбувається багато процесів, під час яких виділяється водень (мал. 15.1): вулканічна активність, розкладання води під дією радіоактивного випромінювання, у геотермальних джерелах тощо. Також водень утворюється внаслідок життєдіяльності деяких анаеробних бактерій, зокрема в кишечнику ссавців.

Проте в повітрі об’ємна частка водню дуже мала: на рівні моря вона становить 0,00005 %. Увесь утворений у природі водень через свою легкість здіймається у верхні шари атмосфери: на висоті 50 км його вміст збільшується в десятки разів, а на висоті понад 100 км атмосфера складається майже з чистого водню.

Мал. 15.1. Природні джерела водню

Робота з інформацією

160. Знайдіть інформацію про відкриття водню. Які дослідження дали змогу його відкрити? Підготуйте ілюстровану доповідь.

161. Обчисліть кількості речовини кисню та водню масою по 1 г. У якому зразку більше атомів і в скільки разів?

162. Складіть рівняння реакцій утворення з простих речовин: амоніаку, гідроген хлориду, метану.

163. У який спосіб можна довести наявність гідроген хлориду або гідроген броміду у водному розчині?

164. На початку XX 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».

165. Обчисліть густину водню за нормальних умов, порівняйте отримане значення з наведеним у параграфі.

166. Використовуючи матеріал параграфа, обчисліть масову частку водню у водному розчині, якщо за температури 20 °С розчиниться його максимальний обсяг. Порівняйте з масовою часткою кисню за аналогічних умов (див. § 9). До яких речовин (розчинних, малорозчинних чи практично нерозчинних) належать кисень і водень?

167. Обчисліть масову частку водню, розчиненому в паладії, якщо в металі розчиниться максимальна кількість газу. Густина паладію — 12,02 г/см³. Для розрахунків використайте дані з параграфа.

Розуміння явищ природи (робота в групах)

168. Чому Гідроген є найпоширенішим елементом у Всесвіті?

169. Поясніть, як поширеність Гідрогену пов’язана з утворенням молекул води й інших сполук на Землі.

170. Порівняйте поширеність Гідрогену й Оксигену у Світовому океані: а) за масовою часткою; б) за числом атомів.

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?

172. За матеріалом параграфа визначте діапазон температур, у якому існує рідкий водень (за нормального тиску). Порівняйте його з аналогічним діапазоном для кисню (див. § 9).

173. Хлоридна кислота відома від XVII століття під назвою соляна кислота, або соляний спирт (від лат. spiritus salts — «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?

174. Проаналізуйте графік атомізації (дисоціації) водню.