Водород, кислород, озон, пероксид водорода

Водород и кислород — самые распространённые элементы: водород — во Вселенной, кислород — на Земле. Вместе они образуют воду, а их соединение пероксид водорода — интересный пример двойственного вещества.

Водород

Самый лёгкий газ, без цвета и запаха, мало растворим в воде. Водород в основном восстановитель: горит, со смесью кислорода (два объёма водорода на один кислорода) образует взрывчатый гремучий газ, восстанавливает металлы из оксидов, присоединяется к неметаллам и органическим веществам. С активными металлами водород — окислитель, он образует гидриды:

\[ \ce{2H2 + O2 -> 2H2O}; \qquad \ce{CuO + H2 ->[t^\circ] Cu + H2O}; \qquad \ce{WO3 + 3H2 ->[t^\circ] W + 3H2O}; \qquad \ce{2Na + H2 ->[t^\circ] 2NaH} \]

В лаборатории водород получают действием цинка на соляную кислоту, алюминия или кремния на щёлочь, гидридов на воду. В промышленности — конверсией метана, из водяного газа, электролизом воды и раствора хлорида натрия:

\[ \ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}; \qquad \ce{CH4 + H2O ->[Ni, t^\circ] CO + 3H2}; \qquad \ce{2H2O ->[\text{электролиз}] 2H2 ^ + O2 ^} \]

Кислород

Кислород поддерживает горение и дыхание, окисляет почти все простые вещества (кроме галогенов, благородных газов, золота и платины) и многие сложные. В лаборатории его получают разложением кислородсодержащих веществ, в промышленности — перегонкой жидкого воздуха:

\[ \ce{2KMnO4 ->[t^\circ] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}; \qquad \ce{2KClO3 ->[MnO2, t^\circ] 2KCl + 3O2 ^}; \qquad \ce{2H2O2 ->[MnO2] 2H2O + O2 ^} \]

\[ \ce{2HgO ->[t^\circ] 2Hg + O2 ^}; \qquad \ce{2KNO3 ->[t^\circ] 2KNO2 + O2 ^} \]

Озон

Озон \(\ce{O3}\) — аллотропная модификация кислорода, голубоватый газ с характерным запахом свежести. Образуется из кислорода при электрических разрядах и под действием ультрафиолета: \(\ce{3O2 <=> 2O3}\). Озоновый слой стратосферы поглощает жёсткое ультрафиолетовое излучение. Озон — более сильный окислитель, чем кислород: окисляет серебро, сульфиды до сульфатов, а иодид калия — до иода (качественная реакция, раствор с крахмалом синеет):

\[ \ce{2KI + O3 + H2O -> I2 + 2KOH + O2}; \qquad \ce{2Ag + O3 -> Ag2O + O2}; \qquad \ce{PbS + 4O3 -> PbSO4 + 4O2} \]

Пероксид водорода

\(\ce{H2O2}\) — бесцветная жидкость, в быту — 3 %-й раствор для дезинфекции. Кислород в нём имеет промежуточную степень окисления −1, поэтому пероксид — и окислитель (переходит в воду), и восстановитель (переходит в кислород). При хранении, особенно в присутствии катализатора \(\ce{MnO2}\), разлагается — диспропорционирует:

\[ \ce{2KI + H2O2 + H2SO4 -> I2 + K2SO4 + 2H2O}; \qquad \ce{PbS + 4H2O2 -> PbSO4 + 4H2O} \ (\text{реставрация картин}) \]

\[ \ce{5H2O2 + 2KMnO4 + 3H2SO4 -> 5O2 ^ + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O}; \qquad \ce{Ag2O + H2O2 -> 2Ag + O2 ^ + H2O} \]