Властивості та способи добування водню, правила утворення назв і складання формул солей, дія кислотно-основних індикаторів.

• ← Назад до змісту довідника

1. Що таке водень і як його добути

У періодичній системі хімічних елементів Гідроген посідає найперше місце й позначається символом $\mathrm{H}$ під номером 1. Проста речовина, яку він утворює, називається воднем і має хімічну формулу $\mathrm{H_2}$.

У чистому вигляді ми практично не зустрічаємо водень у побуті, оскільки цей газ надзвичайно горючий та вибухонебезпечний.

🎈 Повітряні кульки зазвичай наповнюють гелієм — він легкий і безпечний, тому кулька піднімається вгору. Водень також легший за повітря і міг би підняти кульку ще вище. Але якщо пройти з водневою кулькою повз людину, яка курить, то від найменшої іскри пролунає сильний вибух!

Водень вважають найперспективнішим та екологічно чистим паливом майбутнього: під час його згоряння виділяється величезна кількість теплоти, а єдиним продуктом реакції є звичайна чиста вода. У масштабах Всесвіту водень — найпоширеніший елемент: саме з нього переважно складаються зорі, а наше Сонце приблизно на $70\%$ складається з водню.

Фізичні властивості водню

• безбарвний газ без запаху та смаку;
• найлегший з усіх відомих газів (у 14,5 раза легший за повітря);
• практично не розчиняється у воді.

Через такі фізичні властивості в лабораторії застосовують два способи збирання водню:

• метод витіснення води — оскільки водень у воді не розчиняється й вільно проходить крізь неї у вигляді бульбашок;
• метод витіснення повітря — при цьому пробірку-приймач обов’язково тримають денцем догори, тому що легкий водень піднімається вгору та витісняє важче повітря донизу.

Хімічні властивості водню (реакції з простими речовинами)

1. Взаємодія з киснем (утворення води):
$2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{H_2O}$
У Гідрогену постійна валентність $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}$, а в Оксигену — $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{O}}$, тому утворюється сполука зі складом $\mathrm{H_2O}$. Суміш двох об’ємів водню та одного об’єму кисню називають «гримучим газом» через здатність миттєво вибухати від найменшої іскри.

2. Взаємодія з хлором:
$\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} = 2\mathrm{HCl}$
У цій сполуці Гідроген має валентність $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{H}}$, а Хлор — $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Cl}}$. Оскільки валентності елементів однакові, індекси не потрібні. Утворюється газ хлороводень, водний розчин якого є хлоридною кислотою.

3. Взаємодія із сіркою:
$\mathrm{H_2} + \mathrm{S} = \mathrm{H_2S}$
Утворюється сірководень (гідроген сульфід) — газ із характерним різким запахом тухлих яєць. У ньому Сульфур виявляє валентність $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{S}}$.

Взаємодія з оксидами металів

Водень має виражену відновну здатність: він забирає атоми Оксигену від оксидів металів, залишаючи метал у вільному стані:
$\mathrm{CuO} + \mathrm{H_2} = \mathrm{Cu} + \mathrm{H_2O}$

🌭 Уявіть, що оксид металу $\mathrm{CuO}$ — це маленький першокласник (метал $\mathrm{Cu}$), який тримає в руках смачну сосиску в тісті (Оксиген $\mathrm{O}$).
Поруч з’являється старшокласник-водень ($\mathrm{H_2}$), підходить і забирає сосиску собі.
У підсумку першокласник лишається сам (вільний метал $\mathrm{Cu}$), а водень забирає здобич — утворюється молекула води ($\mathrm{H_2O}$).

💡 «Більше за всіх Оксиген любить Гідроген!»
Якщо в лівій частині реакції водень зустрічається зі сполукою Оксигену за нагрівання — у правій частині неодмінно утвориться вода $\mathrm{H_2O}$.

Способи добування водню

• У промисловості: водень добувають розкладанням води електричним струмом (електролізом). Це доступний спосіб одержання чистих речовин:
  $2\mathrm{H_2O} = 2\mathrm{H_2}\uparrow + \mathrm{O_2}\uparrow$

• У лабораторії: дією розбавлених кислот (наприклад, сульфатної $\mathrm{H_2SO_4}$ або хлоридної $\mathrm{HCl}$) на метали середньої або високої активності (магній $\mathrm{Mg}$, цинк $\mathrm{Zn}$, залізо $\mathrm{Fe}$):
  $\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{MgSO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$

Цей процес є прикладом реакції заміщення — реакції між простою і складною речовинами, під час якої атоми простої речовини заміщують атоми одного з елементів у складній речовині.

2. Солі

Під час взаємодії металів із кислотами утворюються сполуки окремого класу — солі:
$2\mathrm{Al} + 3\mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{Al_2(SO_4)_3} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$
$\mathrm{Mg} + \mathrm{H_2SO_4} = \mathrm{MgSO_4} + \mathrm{H_2}\uparrow$
$3\mathrm{Ca} + 2\mathrm{H_3PO_4} = \mathrm{Ca_3(PO_4)_2} + 3\mathrm{H_2}\uparrow$
$\mathrm{Fe} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{FeCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$

Метал щоразу стає на місце атомів Гідрогену, утворюючи нову складну речовину.

💡 Склад солі
$\text{Сіль} = \text{метал} + \text{кислотний залишок}$

Номенклатура солей (як назвати сіль за готовою формулою)

Назва солі будується послідовно:

1. Спочатку вказують назву кислотного залишку (хлорид, сульфат, фосфат, нітрат, карбонат тощо).
2. Далі додають назву елемента-металу в родовому відмінку (натрію, кальцію, алюмінію, феруму).
3. Наприкінці римськими цифрами в дужках зазначають валентність металу, але тільки якщо вона змінна! Якщо валентність металу постійна (наприклад, у $\mathrm{Na}$ — $\mathrm{I}$, у $\mathrm{Ca}$ — $\mathrm{II}$, у $\mathrm{Al}$ — $\mathrm{III}$), її не вказують.

Приклади назв за формулами:

• $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$ — сульфат алюмінію (в Алюмінію валентності не вказують, бо вона завжди $\mathrm{III}$);
• $\mathrm{MgSO_4}$ — сульфат магнію;
• $\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}$ — ортофосфат (фосфат) кальцію;
• $\mathrm{FeCl_2}$ — хлорид заліза(II) (оскільки Ферум має змінні валентності $\mathrm{II}$ та $\mathrm{III}$, значення $\mathrm{II}$ зазначається обов’язково).

Складання формул солей за назвами

Валентність кислотного залишку визначається дуже просто: вона завжди дорівнює кількості атомів Гідрогену у відповідній кислоті.

Покроковий алгоритм

1. Записати поруч символи металу та кислотного залишку.
2. Вказати зверху їхні валентності римськими цифрами.
3. Якщо валентності однакові — індекси не потрібні. Якщо різні — знайти найменше спільне кратне або скористатися правилом діагоналі (хрест-навхрест). Якщо кислотний залишок береться кілька разів, його беруть у круглі дужки.

Розглянемо практичні приклади:

• Карбонат кальцію:

  1. Записуємо основу: $\mathrm{Ca}\;\mathrm{CO_3}$.
  2. Визначаємо валентності: Кальцій — елемент II групи ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}$), залишок карбонатної кислоти $\mathrm{H_2CO_3}$ має валентність $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{CO_3}}$).
  3. Валентності однакові: $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ca}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{CO_3}}$ (індекси не потрібні).
  • Формула: $\mathbf{CaCO_3}$.

• Сульфат калію:

  1. Записуємо основу: $\mathrm{K}\;\mathrm{SO_4}$.
  2. Визначаємо валентності: Калій — елемент I групи ($\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{K}}$), залишок сульфатної кислоти $\mathrm{H_2SO_4}$ має валентність $\mathrm{II}$ ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO_4}}$).
  3. Переносимо двійку навхрест до Калію: $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{K}}_2\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO_4}}$.
  • Формула: $\mathbf{K_2SO_4}$.

• Нітрат натрію:

  1. Записуємо основу: $\mathrm{Na}\;\mathrm{NO_3}$.
  2. Валентності: Натрій $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Na}}$, залишок нітратної кислоти $\mathrm{HNO_3}$ має валентність $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{NO_3}}$.
  3. Валентності однакові ($\mathrm{I}$ і $\mathrm{I}$), тому індекси не потрібні.
  • Формула: $\mathbf{NaNO_3}$.

• Ортофосфат аргентуму(I) (фосфат срібла):

  1. Записуємо основу: $\mathrm{Ag}\;\mathrm{PO_4}$.
  2. Валентності: у Аргентуму постійна валентність $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Ag}}$, залишок ортофосфатної кислоти $\mathrm{H_3PO_4}$ має валентність $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO_4}}$.
  3. Трійка переходить по діагоналі як індекс до металу: $\overset{\mathrm{I}}{\mathrm{Ag}}_3\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{PO_4}}$.
  • Формула: $\mathbf{Ag_3PO_4}$.

• Силікат барію:

  1. Записуємо основу: $\mathrm{Ba}\;\mathrm{SiO_3}$.
  2. Валентності: Барій — елемент II групи ($\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ba}}$), залишок силікатної кислоти $\mathrm{H_2SiO_3}$ має валентність $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SiO_3}}$.
  3. Валентності однакові: $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{Ba}}\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SiO_3}}$.
  • Формула: $\mathbf{BaSiO_3}$.

• Сульфат заліза(III):

  1. Записуємо основу: $\mathrm{Fe}\;\mathrm{SO_4}$.
  2. Валентність металу вказана в назві — $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}$, залишок сульфатної кислоти — $\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO_4}}$.
  3. Складаємо формулу хрест-навхрест. Щоб показати три групи $\mathrm{SO_4}$, кислотний залишок беремо в дужки: $\overset{\mathrm{III}}{\mathrm{Fe}}_2(\overset{\mathrm{II}}{\mathrm{SO_4}})_3$.
  • Формула: $\mathbf{Fe_2(SO_4)_3}$.

3. Індикатори

У побуті та хімічній практиці часто виникає потреба з’ясувати кислотність розчину. Для цього використовують величину $\mathrm{pH}$.

На початковому етапі вивчення хімії достатньо простого розуміння: $\mathrm{pH}$ — це числове значення, яке кількісно показує кислотність розчину.

Нейтральне середовище ($\mathrm{pH} = 7$): характерне для чистої води. Вона не виявляє ані кислих, ані лужних властивостей.

Індикатори — це речовини, які змінюють своє забарвлення залежно від реакції середовища розчину (зокрема, сигналізують про присутність кислоти).

Для роботи з кислотами використовують три основні індикатори:

• Лакмус
• Фенолфталеїн
• Метиловий оранжевий (метилоранж)

Фенолфталеїн у кислому розчині залишається безбарвним, тому для виявлення кислот його не застосовують. Проте він є головним індикатором для виявлення лугів (розчинних основ), у яких набуває яскравого малинового забарвлення.

🐶 Уявіть, що перед вами стоять два однакові закриті дерев’яні ящики, і в одному з них сховані сосиски. Ззовні ящики абсолютно однакові.
Але якщо підвести собаку, він підійде до одного з ящиків і почне голосно гавкати саме біля нього.
Гавкіт собаки в цій ситуації — це індикатор! Своєю зміною поведінки чітко сигналізує: всередині ящика щось є.
Так само лакмус або метилоранж, червоніючи в пробірці, безпомилково сигналізують досліднику: тут міститься кислота!

Завдання для самоконтролю (Домашнє завдання)

Завдання 1. Складіть назви солей за їхніми формулами:

• $\mathrm{KCl}$ (зразок: хлорид калію)
• $\mathrm{Na_2CO_3}$
• $\mathrm{CuCl_2}$
• $\mathrm{AlPO_4}$
• $\mathrm{ZnSO_4}$
• $\mathrm{Ba(NO_3)_2}$
• $\mathrm{MgCl_2}$
• $\mathrm{Ba_3(PO_4)_2}$
• $\mathrm{LiNO_3}$
• $\mathrm{Al(NO_3)_3}$

🔍 Показати розв'язок та відповідь до Завдання 1

• $\mathrm{KCl}$ — хлорид калію
• $\mathrm{Na_2CO_3}$ — карбонат натрію
• $\mathrm{CuCl_2}$ — хлорид міді(II)
• $\mathrm{AlPO_4}$ — ортофосфат (фосфат) алюмінію
• $\mathrm{ZnSO_4}$ — сульфат цинку
• $\mathrm{Ba(NO_3)_2}$ — нітрат барію
• $\mathrm{MgCl_2}$ — хлорид магнію
• $\mathrm{Ba_3(PO_4)_2}$ — ортофосфат (фосфат) барію
• $\mathrm{LiNO_3}$ — нітрат літію
• $\mathrm{Al(NO_3)_3}$ — нітрат алюмінію

Завдання 2. Складіть формули солей за поданими назвами:

• Сульфат магнію (зразок: $\mathrm{MgSO_4}$)
• Хлорид цинку
• Нітрат калію
• Сульфат барію
• Карбонат натрію
• Силікат цинку
• Сульфат алюмінію
• Ортофосфат натрію
• Ортофосфат магнію
• Нітрат алюмінію

🔍 Показати розв'язок та відповідь до Завдання 2

• Сульфат магнію — $\mathrm{MgSO_4}$
• Хлорид цинку — $\mathrm{ZnCl_2}$
• Нітрат калію — $\mathrm{KNO_3}$
• Сульфат барію — $\mathrm{BaSO_4}$
• Карбонат натрію — $\mathrm{Na_2CO_3}$
• Силікат цинку — $\mathrm{ZnSiO_3}$
• Сульфат алюмінію — $\mathrm{Al_2(SO_4)_3}$
• Ортофосфат натрію — $\mathrm{Na_3PO_4}$
• Ортофосфат магнію — $\mathrm{Mg_3(PO_4)_2}$
• Нітрат алюмінію — $\mathrm{Al(NO_3)_3}$

Завдання 3. Запишіть формули продуктів хімічних реакцій та доберіть коефіцієнти:

• $\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{ZnO} + \_\_\mathrm{H_2} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{Fe_2O_3} + \_\_\mathrm{H_2} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{Zn} + \mathrm{H_2CO_3} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{Ba} + \_\_\mathrm{HCl} = \_\_\_\_$
• $\mathrm{Cu} + \mathrm{H_3PO_4} = \_\_\_\_$

🔍 Показати розв'язок та відповідь до Завдання 3

• $\mathrm{H_2} + \mathrm{Cl_2} = 2\mathrm{HCl}$
• $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} = 2\mathrm{H_2O}$
• $\mathrm{ZnO} + \mathrm{H_2} = \mathrm{Zn} + \mathrm{H_2O}$
• $\mathrm{Fe_2O_3} + 3\mathrm{H_2} = 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{H_2O}$
• $\mathrm{Zn} + \mathrm{H_2CO_3} = \mathrm{ZnCO_3}\downarrow + \mathrm{H_2}\uparrow$
• $\mathrm{Ba} + 2\mathrm{HCl} = \mathrm{BaCl_2} + \mathrm{H_2}\uparrow$
• $\mathrm{Cu} + \mathrm{H_3PO_4} \ne$ (реакція не відбувається, оскільки мідь розташована в ряду активності праворуч від водню і не витісняє його з розчинів кислот)

• ← Назад до змісту довідника