Проста речовина
Маючи один електрон, Гідроген утворює лише двохатомні молекули. При цьому можливі молекули легкого Гідрогену - протію H2, важкого Гідрогену - дейтерію D2, тритію T2.
Молекули Гідрогену характеризуються великою міцністю та малою поляризуємістю незначними розмірами і малою масою, а відтоді, і більшою рухомістю. Тому у Гідрогену дуже низькі температури плавлення (-259,1оС) и кипіння (-252,6оС); він поступається в цьому відношенні лише гелію. В зв’язку з високою енергією дисоціації (435 кДж/моль) розпад молекул H2 на атоми відбувається лише при температурі вище 2000оС.
Гідроген проявляє і відновні, і окисні властивості. За звичайних умов, завдяки, міцність молекул він відносно малоактивний і безпосередньо взаємодіє лише зі флуором. При нагріванні вступає у взаємодію з багатьма неметалами - Хлором, бромом, Оксигеном та ін. Відновні здатності Гідрогену використовуються для отримання деяких простих речовин з оксидів і галідів:
CuO + H2 = Cu + H2O
В якості окисника Гідроген взаємодіє з активними металами:
2Na + H2 = 2NaH
Отримання Гідрогену
В промисловості Гідроген отримують в основному із природних і супутніх газів, продуктів газифікації палива (водяного и пароповітряного газів) і коксового газу. В основі виробництва Гідрогену лежить каталітичні реакції взаємодії з водяним паром (конверсії) відповідних вуглеводнів (головним образом метану) і оксиду (II) Карбону, наприклад:
CH4 + H2O --800oC--> CO + 3H2
CO + H2O --600oC--> CO2 + H2
Гідроген отримують також неповним окисленням вуглеводнів, наприклад:
2CH4 + O2 = 2CO + 4H2
В зв’язку зі зменшенням запасів вуглеводної сировини велику зацікавленість має метод отримання Гідрогену відновленням водяного пара розжареним вуглецем:
C + H2O = CO + H2
При цьому утворюється генераторний газ. Витрати енергії на його отримання можливо компенсувати за рахунок реакції неповного окислення Карбону:
2C + O2 = 2CO
При комбінуванні цих двох процесів одержують водяний газ, до складу якого входить суміш H2 и CO.
Гідроген виробляють також електролізом води. В лабораторних умовах Гідроген отримують взаємодією Цинку з соляною або сірчаною кислотою.
Сполуки з ступенем окислення Гідрогену -1
В залежності від природи зв’язаного з ним елемента атоми Гідрогену в сполуках можуть бути поляризовані позитивно (ступінь окислення +1) або негативно (ступінь окислення -1):
-
LiH
BeH2
B2H6
CH4
H3N
H2O
HF
NaH
MgH2
AlH3
SiH4
H3P
H2S
HCl
KH
CaH2
GaH3
GeH4
AsH3
H2Se
HBr
RbH
SrH2
InH3
SnH4
SbH3
H2Te
HI
CsH
BaH2
сполуки H(-1)-----------пром. сполуки ----------сполуки H(+1)
Коли Гідроген виступає в якості окисника, він веде себе як галоген, утворюючи аналогічні галідам - гідриди. За окисною активністю Гідроген істотно поступається галогенам. З цієї ж причини виразний іонний характер проявляють лише гідриди найбільш активних металів – лужних і лужноземельних, наприклад KH и CaH2. До ковалентних відносяться, наприклад, гідриди складу SiH4 и BH3. Гідриди неметалів являються кислотними сполуками.
Характерною особливістю гідролізу гідридів являється виділення Гідрогену. Реакція протікає за окисно-відновному механізму. Негативно поляризований атом H(-1) в гідриді та позитивно поляризований атом H(+1) в воді переходять до стану з нульовим ступенем окислення:
KH + HOH = KOH + H2; -----------SiH4 + 3HOH = H2SiO3 + 4H2
За рахунок виділення Гідрогену гідроліз протікає повністю і не зворотно. При цьому основні гідриди утворюють луги, а кислотні - кислоту.
В якості амфотерної сполуки можна розглядати гідрид Алюмінію AlH3:
AlH3 (основний) + 3BH3 = Al(BH4)3
KH + AlH3(кислотний) = K[AlH4]
Стандартний потенціал системи 1/2H2/H- дорівнює -2,23 В. Тому, іон H- - один з самих сильних відновників. Відповідно, іонні, та комплексні гідриди - сильні відновники.
Сполуки Гідрогену (I)
За звичайних умов це гази (HCl, H2S, H3N), рідини (H2O, HF, HNO3), тверді речовини (H3PO4, H2SiO3). Властивості цих сполук сильно залежать від природи елемента, з яким безпосередньо зв’язаний Гідроген. Внаслідок здатності утворювати водневі зв’язки і вступати в донорно-акцепторну взаємодію рідкі HF, H2O і H3N являються гарними іонізуючими розчинниками.
Атоми Гідрогену входять також до складу гідросолей типу NaHS, NaHCO3, NaHSO4. Групи HS-, HCO-3, HSO-4 можуть існувати в розчинах у вигляді вільних іонів, що називають відповідно гідросульфід-, гідроКарбонат- и гідросульфат-іонами. Структура таких солей в твердому стані також обумовлена водневим зв’язком.
Пероксид Гідрогену
Молекула перекису Гідрогену характеризується сильною полярністю (=2,13D), що обумовлене особливостями її будови.
106о
Отримати пероксид Гідрогену можливо дією розведеної сірчаної кислоти на пероксид барію, електролізом розчинів сірчаної кислоти або її суміші з сільфатом амонію за низьких температур, дією атомарного Гідрогену на Оксиген, окисленням металів в водному середовищі. Пероксид Гідрогену утворюється як проміжний продукт при горінні Гідрогену.
Чистий перекис Гідрогену – нестійка сполука і розкладається з вибухом.
2H2O2 = O2 + 2H2O
Водні розчини більш стійки і зберігаються в прохолодних темних місцях досить довго. Їх розкладення прискорюється при нагріванні, дії світла, каталізаторів.
H2O2 – слабка двохосновна кислота.
H2O2 ↔ H+ + HO2-
HO2- ↔ H+ + O22-
Перекис Гідрогену взаємодіє з основами з утворенням відповідних пероксидів.
H2O2 + Ba(OH)2 = BaO2 + 2H2O
Ступень окислення Гідрогену в пероксиді дорівнює -1, тому він може проявляти як окисні, так і відновні властивості. З сильними відновниками H2O2 проявляє окисні властивості (може окисляти речовини з φ < 1,78 в)
H2O2 + 2КІ = І2 + 2КОН
З сильними окисниками (φ > 0,68 в) пероксид Гідрогену проявляє відновні властивості.
H2O2 + Ag2O = 2Ag + H2O + O2