Водород

Водород – первый элемент и один из двух представителей I периода Периодической системы. Атом водорода состоит из двух частиц – протона и электрона, между которыми существуют лишь силы притяжения. Водород и металлы IА-группы проявляют степень окисления +1, являются восстановителями и имеют сходство оптических спектров. Однако в состоянии однозарядного катиона Н⁺ (протона) водород не имеет аналогов. Кроме того, энергия ионизации атома водорода намного больше энергии ионизации атомов щелочных металлов.

С другой стороны, как у водорода, так и у галогенов не хватает одного электрона до завершения внешнего электронного слоя. Подобно галогенам, водород проявляет степень окисления –1 и окислительные свойства. Сходен водород с галогенами и по агрегатному состоянию, и по составу молекул Э₂. Но молекулярная орбиталь (МО) Н₂ не имеет ничего общего с таковыми молекул галогенов, в то же время МО Н₂ имеет определенное сходство с МО двухатомных молекул щелочных металлов, существующих в парообразном состоянии.

Водород – самый распространенный элемент Вселенной, составляет основную массу Солнца, звезд и других космических тел. На Земле по распространенности занимает 9-е место; в свободном состоянии встречается редко, и основная часть его входит в состав воды, глин, каменного и бурого угля, нефти и т. д., а также сложных веществ живых организмов.

Природный водород представляет собой смесь стабильных изотопов протия ¹Н (99,985%) и дейтерия ²H (²D), радиоактивного трития ³Н (³Т).

Простые вещества. Возможны молекулы легкого водорода – Н₂ (дипротий), тяжелого водорода – D_{2 ­}(дидейтерий), Т₂ (дитритий), HD (протодейтерий), НТ (прототритий), DТ (дейтеротритий).

Н₂ (диводород, дипротий) – бесцветный трудносжижаемый газ, очень мало растворяется в воде, лучше – в органических растворителях, хемосорбируется металлами (Fe, Ni, Pt, Pd). В обычных условиях сравнительно мало активен и непосредственно взаимодей­ствует лишь со фтором; при повышенных температурах реагирует с металлами, неметаллами, оксидами металлов. Особенно высока восстановительная способность у атомарного водорода Н⁰, образующегося при термическом разложении молекулярного водорода или в результате реакций непосредственно в зоне проведения восстановительного процесса.

Восстановительные свойства водород проявляет при взаимодействии с неметаллами, оксидами металлов, галогенидами:

Н₂⁰ + Cl₂ = 2Н⁺¹Cl; 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О; СuО + Н₂ = Сu + Н₂О

В качестве окислителя водород взаимодействует с активными ме­таллами:

2Nа + Н₂⁰ = 2NаН^–1

Получение и применение водорода. В промышленности водород получают главным образом из природ­ных и попутных газов, продуктов газификации топлива и коксового газа. Производство водорода осно­вано на каталитических реакциях взаимодействия с водяным паром (конверсии) соответственно углеводородов (главным образом метана) и оксида углерода (II):

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ (кат. Ni, 800°С)

СО + Н₂О = СО₂ + Н₂ (кат. Fe, 550°С)

Важным способом получения водорода является выделение его из коксового газа и газов нефтепереработки путем глубокого охлаждения. Электролиз воды (электролитом обычно служит водный раствор щелочи) обеспечивает получение наиболее чистого водорода.

В лабораторных условиях водород обычно получают действием цинка на растворы серной или хлороводородной кислоты:

Zn + Н₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂↑

Водород используется в химической промышленности для синтеза аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрогенизации твердого и жидкого топлива, жиров и т. д. В виде водяного газа (в смеси с СО) применяется как топливо. При горении водорода в кислороде возникает высокая температура (до 2600°С), позволяющая сваривать и разрезать тугоплавкие металлы, кварц и пр. Жидкий водород используют как одно из наиболее эффективных реактивных топлив.

Соединения водорода (–I). Соединения водорода с менее электроотрицательными элементами, в которых он отрицательно поляризован относятся к гидридам, т.е. в основном его соединения с металлами.

В простых солеобразных гидридах существует анион Н^–. Наиболее полярная связь наблюдается в гидридах активных металлов – щелочных и щелочно-земельных (например, КН, СаН₂). В химическом отно­шении ионные гидриды ведут себя как оснóвные соединения.

LiН + Н₂О = LiОН + Н_2­­↑

К ковалентным относятся гидриды менее электроотрицательных, чем сам водород, неметаллических элементов (например, гидриды состава SiH₄ и ВН₃). По химической природе гидриды неметаллов являются кислотными соединениями.

SiH₄ + 3Н₂О = Н₂SiO₃ + 4Н₂↑

При гидролизе оснóвные гидриды образуют щелочь, а кислотные – кислоту.

Многие переходные металлы образуют гидриды с преимущественно металлическим характером связи нестехиометрического состава. Идеализированный состав металлических гидридов чаще всего отвечает формулам: М⁺¹Н (VН, NbН, ТаН), М⁺²Н₂ (TiН₂, ZrH₂) и М⁺³Н₃ (UН₃, РаН₃).

Соединения водорода (I). Положительная поляризация атомов водорода наблюдается в его многочисленных соединениях с ковалентной связью. При обычных условиях – это газы (НCl, Н₂S, Н₃N), жид­кости (Н₂О, НF, НNO₃), твердые вещества (Н₃РO₄, Н₂SiO₃). Свойства этих соединений сильно зависят от природы электроотрицательного элемента.