2. Водород

Электронное строение 1s¹, неметалл, для которого более характерны свойства восстановителя, чем окислителя. Поэтому атом водорода в химических реакциях обычно, подобно атомам щелочных Ме, отдает свой единственный электрон, образуя катион Н⁺ (протон). Однако он может, подобно атомам галогенов, также присоединять один электрон от партнера с образованием аниона Н^- (гидрид-ион). Поэтому водород в периодической системе часто помещают в IА группу ив VIIА.

У водорода три изотопа, которые отличаются друг от друга числом нейтронов в ядрах их атомов: ¹Н – протий (легкий водород) не имеет нейтрона, ²Н или D – дейтерий(тяжелый водород) имеет один нейтрон и ³Н или Т – тритий (сверхтяжелый водород) имеет два нейтрона. Тритий радиоактивен.

Молекула водорода двухатомна – Н₂. Вследствие неполярности и большой прочности молекулы Н₂ водород при обычных условиях взаимодействует только с активными неметаллами: фтором, хлором, бромом и кислородом, которые легко, особенно на свету, образуют радикалы:

Н₂ + F₂ = 2HF; H₂ + Cl₂ + квант света = 2HCl; 2H₂ + O₂ = 2H₂O(на свету)

Эти реакции протекают по цепному механизму, с большим выделением теплоты и могут сопровождаться взрывом.

Реакции взаимодействия водорода с менее активными неметаллами происходят при нагревании и в присутствии катализаторов:

Н₂ + S = H₂S; 3H₂ + N₂ = 2NH₃ (катализатор Fe)

Водород при высоких температурах способен восстанавливать:

- некоторые Ме и неМе из их оксидов:

CuO + H₂ = Cu + H₂O; SO₂ + 2H₂ = S + 2H₂O

- высшие оксиды до низших:

CO₂ + H₂ = CO + H₂O; Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO + H₂O.

При взаимодействии водорода с активными (щелочными или щелочноземельными) Ме он проявляет свойства окислителя, т.е. принимает электроны, образуя гидрид-анион Н^- входящий в состав солеобразных гидридов этих Ме:

2Na + H₂ = 2NaH (гидрид натрия); Ca + H₂ = CaH₂ (гидрид кальция)

Гидриды Ме, содержащие водород в степени окисления -1, являются чрезвычайно сильными восстановителями и активно взаимодействуют даже с таким слабым окислителем как вода:

NaH + H₂O = NaOH + H₂↑

3. Химические свойства катиона водорода.

В отличие от водорода, катион водорода, или протон Н⁺, не имеет электронов и поэтому всегда выступает только окислителем. В водных растворах кислот, где концентрация катионов водорода достаточно велика, активные и средней активности Ме, т.е. Ме, стоящие в ряду напряжений левее водорода, легко им окисляются: Zn + H₂SO_4(разб.) = ZnSO₄ + H₂↑

При взаимодействии кислот, в которых окислителем является катион Н⁺, с Ме с переменной степенью окисления (Fe, Cr), образуются соли, содержащие Ме в его низшей степени окисления, вследствие невысокой окислительной способности катиона водорода:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Чистая вода содержит катионы водорода в чрезвычайно низкой концентрации, и поэтому она реагирует только с активными Ме:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Металлы, оксиды и гидроксиды которых амфотерны, взаимодействуют с водными растворами щелочей, где вначале происходит растворение защитной оксидной пленки на их поверхности, а затем очищенный Ме взаимодействует с молекулами воды, образуя гидроксокомплекс и молекулярный водород:

2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2 Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂↑

В лабораториях водород получают действием сильных кислот на активные Ме, чаще всего на цинк: Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

В промышленности водород получают железо-паровым методом или пропусканием паров воды над раскаленным углем (коксом):

3Fe + 4H₂O = 4H₂↑ + Fe₃O₄ (FeO*Fe₂O₃₎; C + H₂O = CO↑ + H₂↑

Очень чистый водород получают электролизом воды:

2H₂O + эл. ток = O_{2(на аноде)} + 2Н_{2(на катоде)}

4. Вода

Оксид водорода Н₂О. в молекуле воды атом кислорода находится в состоянии sp³-гибридизации. Две его гибридные sp³-орбитали, содержащие неспаренные электроны, участвуют в образовании двух полярных связей с атомами водорода, а две оставшиеся заняты неподеленными электронными парами атома кислорода. Благодаря двум атомам водорода, несущим частичный положительный заряд, и двум неподеленным электронным парам, каждая молекула воды может образовывать четыре водородные связи с четырьмя соседними молекулами воды.

Высокая диэлектрическая проницаемость воды способствует растворению и диссоциации на ионы солей, кислот и оснований. Все ионы вступают в ион-дипольное взаимодействие с полярными молекулами воды и в результате вокруг каждого иона образуются гидратные оболочки. Силы взаимодействия ионов с молекулами воды гидратных оболочек настолько велики, что они существуют не только в растворах, но и частично сохраняются в некоторых кристаллах в виде кристаллогидратов: CuSO₄*5H₂O, Na₂SO₄*10H₂O, FeCl₃*6H₂O.

Вода является растворителем и стабилизатором молекул и ионов. В живых организмах она транспортирует питательные вещества в клетки, сохраняет внутриклеточное давление и форму клеток, участвует в синтезе и гидролизе биологических субстратов, является регулятором теплового баланса. Большое количество воды в живом организме внутри и вне клеток (70%) указывает на то, что вода не просто необходима для жизни, она – сама жизнь. Вода имеет важное и разнообразное применение и в технике, и в промышленности.