Поміркуйте
Пригадайте формули та назви сполук, у складі яких є Гідроген.
Н2О — вода,
H2 — водень,
CH4 — метан,
NaOH — натрій гідроксид,
H2SO4 — сульфатна кислота.
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.
| Моделі елементів | |
| 14-ї групи EH4 | 15-ї групи EH3 |
 |
 |
|
Форма тетраедра |
Форма піраміди |
Вправа 160
Знайдіть інформацію про відкриття водню. Які дослідження дали змогу його відкрити? Підготуйте ілюстровану доповідь.
Ще середньовічний учений Парацельс помітив, що при дії кислот на залізо виділяються пухирці якогось «повітря». Але що це таке, він пояснити не міг.
Відкриття водню належить британському вченому Генрі Кавендішу, який уперше визначив цю просту речовину як окремий газ у 1766 році. Учений спостерігав за газом, що виділявся під час реакції металів із кислотами. Він зауважив, що цей газ відрізняється від звичайного повітря та має унікальні властивості: є дуже легким і займистим. Він назвав його «горючим повітрям».
При горінні водню утворюється вода — сполука водню й кисню. Це довів в 1783 році французький хімік Лавуазьє, звідти й назва така — «той, що народжує воду». Лавуазьє також зумів одержати водень із води. Він пропускав водяні пари через розпечену залізну трубу із залізними стружками. Кисень із води міцно з'єднувався із залізом, а водень виділявся у вільному вигляді. Зараз водень теж одержують із води, але іншим способом — за допомогою електролізу.
Вправа 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
Порівняти n(O) і n(H) – ?
Розв’язання
Обчислюємо молярну масу сполук.
Мr(O2) = 2Ar(O) = 2•16 = 32, тому M(O2) = 32 г/моль
Мr(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.
Вправа 162
Складіть рівняння реакцій утворення з простих речовин: амоніаку, гідроген хлориду, метану.
| N2 + 3H2 = 2NH3 | Cl2 + H2 = 2HCl | C + 2H2 = CH4 |
Вправа 163
У який спосіб можна довести наявність гідроген хлориду або гідроген броміду у водному розчині?
Гідроген хлориди або гідроген броміди у водному розчині є кислотами, тому їх наявність можна довести за допомогою індикаторів. Універсальний індикатор і лакмус в розчині кислот забарвлюється в червоний колір, а метилоранжевий — в рожевий.
Вправа 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».
На початку XX століття воднем наповнювали дирижаблі, якими транспортували різні вантажі, а також перевозили людей.
Водень — горючий газ. Більше того, його суміші з повітрям вибухають, а суміш водню з киснем у пропорції 2:1 називають «гримучим газом». Це спричинило трагедію великого дирижабля «Гінденбург», який був наповнений 190 тис. м3 водню. Тоді загинуло 35 людей.
Після трагедії був зроблений висновок про небезпечність використання водню у повітроплаванні. Тепер дирижаблі, метеозонди, повітряні кулі наповнюють більш дорожчим, але безпечним гелієм. Використовують також нагріте повітря.
Вправа 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.
Вправа 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?
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.
Мr(O2) = 2Ar(O) = 2•16 = 32, тому M(O2) = 32 г/моль
Мr(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
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(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.
Вправа 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.
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%.
Вправа 168
Чому Гідроген є найпоширенішим елементом у Всесвіті?
Майже всі атоми Гідрогену, що існують у світі, утворилися в перші хвилини після Великого вибуху — моменту виникнення нашого Всесвіту, причому з кожних 100 атомів у Всесвіті 89 — це атоми Гідрогену. З атомів Гідрогену сформувалися перші зорі та міжзоряний газ. Ось чому Гідроген є найпоширенішим хімічним елементом у Всесвіті.
Вправа 169
Поясніть, як поширеність Гідрогену пов'язана з утворенням молекул води й інших сполук на Землі.
Вода вкриває 71 % поверхні нашої планети. Вода наповнює річки й озера, вкриває гірські вершини та утворює льодовики, міститься у складі ґрунтів і гірських порід. Вода міститься в кожному живому організмі. Отже, поширеність Гідрогену пов'язана з тим, що цей хімічний елемент є в складі води й багатьох інших неорганічних і органічних сполуках на Землі.
Вправа 170
Порівняйте поширеність Гідрогену й Оксигену у Світовому океані:
а) за масовою часткою;
За масовою часткою поширеність Гідрогену у Світовому океані становить близько 10%, а Оксигену — близько 90%.
б) за числом атомів.
Беручи до уваги склад молекули води Н2О, в якій на один атом Оксигену припадає два атоми Гідрогену, можна дійти висновку, що в гідросфері найбільше атомів Гідрогену, а на другому місці за поширеністю — атомів Оксигену.
Вправа 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.
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 в балонах. До уваги беруться декілька факторів, зокрема доступність і вартість металів та безпосередньо самі технології транспортування. Потенційно вища безпека транспортування водню є розчиненим у паладії, де водень стабільно зберігається за звичайних умов, а не за підвищеного тиску.
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.
Вправа 172
3а матеріалом параграфа визначте діапазон температур, у якому існує рідкий водень (за нормального тиску). Порівняйте його з аналогічним діапазоном для кисню.
Водень перебуває у рідкому стані за нормального тиску в діапазоні температур від
–259°C (температура плавлення кисню) до –253°C (температура кипіння кисню), тобто близько 6 градусів.
Кисень перебуває в рідкому стані за нормального тиску в діапазоні температур від
–218.8°C (температура плавлення кисню) до –183°C (температура кипіння кисню), тобто близько 36 градусів.
Порівняння показує, що водень перебуває в рідкому стані в значно меншому діапазоні нижчої температури у порівнянні з рідким киснем, що має більший діапазон вищої температури.
Вправа 173
Хлоридна кислота відома від XVII 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?
Мурій как элемент мав свій символ у вигляді латинської літери М.
Формула мурієвої кислоти HM.
За умовою задачі Mr(HCl)=Mr(HM), тому Ar(Cl)=Ar(M)=35,5
Відповідь: відносна атомна маса Мурію мала бути 35,5 і в Періодичній таблиці Мурій мав би посісти місце Хлора.
Вправа 174
Проаналізуйте графік атомізації (дисоціації) водню.
• Складіть хімічне рівняння процесу атомізації водню. H2 → 2H
• Дізнайтеся значення слова «дисоціація» і сформулюйте гіпотезу, чому цей термін тут є синонімом терміна «атомізація».
Оскільки дисоціація є процесом розпаду складних частинок (молекул, іонів) на простіші, а молекула H2 розпадається на окремі атоми, тому терміни є синонімами.
• У якому діапазоні температур «вигідно» існування лише молекул водню?
Згідно графіка за температури нижчої від 2500К частка молекул, що розпалася практично дорівнює нулю, тому водень існує винятково у вигляді молекул.
• За якої температури атомізація водню відбувається щонайменше на 5 %?
Згідно графіка атомізація водню відбувається щонайменше на 5 % за температури близько 3800 К.
• Чи існують молекули водню на поверхні Сонця? А в атмосфері Юпітера?
Беручи до уваги те, що на поверхні Сонця температура близько 6000 К, а згідно графіка за такої температури частка молекул, що розпалася є максимальною, тому водень не існує у вигляді молекул, а виключно у вигляді атомів.
Беручи до уваги те, що температура атмосфери Юпітера близько 110–300 К, а згідно графіка за такої температури атомізація практично не відбувається, тому водень існує у вигляді молекул.