Глава VI. Водород
Строение атома
Водород – первый элемент периодической системы химических элементов. Он занимает двойственное положение в периодической системе: его располагают в IA или в VIIА группе. Это обусловлено особенностями строения атома водорода. На внешней электронной оболочке атом водорода имеет один электрон, который находится непосредственно в сфере действия атомного ядра, поскольку у него нет промежуточного электронного слоя. Атом водорода может отдавать электрон и превращаться в положительно заряженный ион:
Н0 – 1е– = Н+.
Это свойство его сближает с атомами щелочных металлов. Однако катион водорода не имеет ничего общего с катионами щелочных металлов. Энергия ионизация атома водорода по сравнению со щелочными металлами очень велика (13,6 эВ), поэтому соединения водорода даже с самыми электроотрицательными элементами, например, Н2О, НF не могут быть ионными.
Исходя из того, что атому водорода до завершения внешней электронной оболочки не хватает одного электрона водород следует поместить в VIIА группу:
Н0 + 1е– = Н–.
Процесс образования гидрид-иона Н– экзотермический (сродство к электрону 0,75 эВ), поэтому возможно образование ионных гидридов. Но на этом сходство с галогенами заканчивается. Таким образом, водород это уникальный элемент, который сочетает в себе свойства и металлов и неметаллов. Степени окисления в соединениях: –1, 0, +1, валентность I.
История открытия
История открытия водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Спустя примерно 100 лет этот газ научились собирать.
Во второй половине XVIII века, английский ученый Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ при сгорании на воздухе образует воду. Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода (1766 г.).
Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 г. французским химиком Антуаном Лавуазье. Он и дал этому веществу латинское название, которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.
Нахождение в природе
Водород широко распространен в природе. Содержание его в земной коре (атмосфера, литосфера и гидросфера) составляет 3 мол. %. Он входит в состав воды, природного и попутного нефтяного газа, каменного угля, во все животные и растительные организмы. В свободном состоянии находится только в верхних слоях атмосферы.
Водород – самый распространенный элемент космоса: составляет около половины массы Солнца и большинства звезд. Планеты Сатурн, Юпитер в основном состоят из водорода.
Водород имеет три изотопа с массовыми числами 1, 2 и 3:
1Н – протий, содержание в земной коре – 99,985 мол. %,
2Н (Д) – дейтерий, содержание в земной коре – 0,015 мол. %,
3Н (Т) – тритий радиоактивен, период полураспада Т ½ = 12,26 года:
3T = 3He + β–.
Полагают, что эта реакция является главным источником изотопа гелия 3He. Содержание трития 4∙10–15 мол. %.
Физические свойства
Простое вещество водород существует в виде двухатомных молекул Н2. Связь в молекуле ковалентная неполярная, сигма (σ), образованная по обменному механизму:
Н∙ + ∙Н = Н–Н.
Метод молекулярных орбиталей предполагает, что два электрона в молекуле водорода находятся на связывающей σ1s молекулярной орбитали (рисунок 23):
Рисунок 23 – Строение молекулы водорода по методу МО
При обычных условиях молекулярный водород – бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха. Это самый легкий газ, примерно в 14,5 раза легче воздуха. Твердый водород имеет молекулярную кристаллическую решетку, плавится при низкой температуре Тпл = –259 ºС, кипит водород при температуре –253 ºС. Чтобы получить жидкий и твердый водород, перед сжатием его нужно очень сильно охладить.
Как и другие вещества с неполярными связями, водород мало растворим в воде (при н.у. 2,15 объемов водорода растворяется в 100 объемах воды). Хорошо растворяется в некоторых металлах (палладий, платина, никель).