Водород. Окислительно-восстано­ви­тель­ная реакция

Водород – один из самых распространенных элементов на Зем­ле. По количеству атомов в земной коре он занимает тре­тье место после кислорода и кремния. В качестве простого ве­щества водород почти не встречается, но входит в состав мно­гих соединений. Самое важное из них – вода. Наряду с угле­ро­дом и кислородом водород является основной составной частью органических соединений.

В виде простого вещества водород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, который состоит из молекул Н₂. Это са­мый легкий газ – по плотности он в 15 раз легче воздуха, и си­лы земного притяжения не удерживают его молекулы. По­это­му атмосферный водород рассеивается в космическом про­стран­стве, где он является самым распространенным эле­ментом. Водород – это основной компонент, входящий в состав Солн­ца и других звезд.

При обычных условиях водород – устойчивое малоактивное вещество. С повышением температуры повышается и его ак­тивность. Смесь водорода с воздухом (и особенно с чистым кислоро­дом) взрывоопасна. Взрыв может быть вызван мельчай­ши­ми искрами в газовой смеси (смеси водорода с воздухом или с кислородом). Поэтому в опытах с водородом следует соблю­дать особую осторожность. Взрыв наибольшей силы происхо­дит при использовании так называемой гремучей смеси, со­стоящей из двух объемных частей водорода и одной объем­ной части кислорода.

Чистый водород, поступающий из трубки в воздух, можно за­жечь и наблюдать спокойное горение, сопровождающееся го­лубоватым пламенем. Однако прежде чем зажечь водород, мы должны убедиться, что имеем дело с чистым водородом, а не со смесью водорода с воздухом.

Горение водорода сопровождается выделением большого ко­ли­чества теплоты. В результате реакции соединения водоро­да с кислородом образуется очень устойчивое вещество – во­да:

$2 {\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{O}}_2 \to 2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Эта реакция используется в тех случаях, когда нужно полу­чить очень высокую температуру, необходимую, например, при сварке или плавке металлов.

Существует несколько способов промышленного получения водорода. Самый чистый водород получается при электро­ли­зе воды. В качестве второго продукта реакции образуется чи­стый кислород (продукты собирают отдельно друг от друга).

$2 {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \stackrel{\mathrm{электролиз}}{\to } 2 {\mathrm{H}}_2 + {\mathrm{O}}_2$

Из уравнения видно, что при электролизе протекает реакция, противоположная процессу горения водорода. Разложение молекул воды происходит под действием приложенной элек­троэнергии.

Самым простым способом получения водорода в лаборатор­ных условиях является реакция взаимодействия относитель­но активных металлов (например, цинка) с кислотами (на­при­мер, с соляной кислотой).

Протекающая реакция:

$\mathrm{Zn} + 2 \mathrm{HCl} \to {\mathrm{ZnCl}}_2 + {\mathrm{H}}_2$↑

Выделение газообразных веществ в уравнении реакции при­ня­то обозначать стрелкой, направленной вверх.

Рассмотрим, что происходит со степенями окисления элемен­тов, когда кислород взаимодействует с водородом. Исходные вещества – кислород и водород – являются простыми веще­ства­ми, поэтому степень окисления (с. о.) обоих элементов рав­на нулю. В образовавшемся продукте степень окисления кислорода –II, а водорода I (как и в большинстве их соедине­ний).

$2 \stackrel{0 }{{\mathrm{H}}_2} + \stackrel{0 }{{\mathrm{O}}_2} \to 2 \stackrel{\mathrm{I} -\mathrm{II}}{{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}}$

При взаимодействии с кислородом водород окисляется, отдавая кислороду свои электроны. За счет отдачи электро­нов степень окисления водорода возрастает (0 → I). Кислород в этой реакции ведет себя как окислитель, прини­мая электроны. Соответственно, степень окисления кис­ло­рода понижается (0 → –II).

Процесс, противоположный окислению – присоеди­не­ние электронов, – называют восстановлением. При реакции с водородом кислород восстанавливается. Ато­мы водорода, отдавая электроны атомам кислорода, играют роль восстановителя.

Кислород и водород обладают противоположными свойствами. Кислород известен как активный окисли­тель. И хотя в обычных условиях водород малоактивен, при нагревании его химическая активность возрастает, и он начи­нает вести себя как довольно сильный восстановитель.

Взаимосвязанные процессы окисления и восстановления про­текают в реакциях одновременно. Они протека­ют парал­лель­но и сопровождаются переносом электронов. Когда одно вещество окисляется, то есть отдает электроны, второе – при­ни­ма­ет эти электроны, то есть восстанавли­вает­ся. При пере­хо­де электронов изменяются степени окисления элементов.

Реакции, в которых происходит изменение степени окисле­ния элементов, называются окислительно-восстанови­тель­ными реакциями.