Химические свойства. 1. Водород исключительный элемент по большинству химических свойств

1. Водород исключительный элемент по большинству химических свойств. Не имеет аналогов в периодической системе.

Положение водорода в периодической системе не определено. Как одновалентный элемент его иногда включают в первую группу периодической системы, однако единственное сходство его со щелочными металлами состоит в том, что он образует положительный ион. Помимо положительной степени окисления +1, водород в соединениях с металлами (гидридах) проявляет отрицательную степень окисления -1.

2. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода при поджигании взрывается:

2H₂ + O₂ = 2H₂O

3. Водород из-за своей склонности соединяться с кислородом разлагает многие кислородсодержащие вещества с образованием воды. Многие оксиды взаимодействуя с водородом восстанавливаются до металла.

4. С фтором водород бурно реагирует уже при обычной температуре:

F₂ + H₂ = 2HF

Хлор соединяется с водородом менее бурно, с иодом реакция не идет до конца даже при нагревании. Сера медленно взаимодействует с водородом уже при обычной температуре с образованием сероводорода:

S + H₂ = H₂S

Азот взаимодействует с водородом только при нагревании в присутствии катализатора с образованием аммиака.

5. Соединения водорода с металлами (гидриды) можно разделить на три группы:

1) Ковалентные гидриды – это гидриды B, Al, Ga и элементов 4, 5, 6, 7 групп ПС. Большинство соединений водорода (углеводороды, вода и др.) относятся к этому типу соединений.

2) Ионные гидриды образуют щелочные и щелочноземельные металлы. Например: LiH, CaH₂.

3) Гидриды внедрения образуют переходные металлы - Тi, Zr, W и др.

6. Основное применение водорода в химической промышленности - для производства аммиака и каталитической гидрогенизации органических веществ. Тритий, получаемый искусственно, используется в термоядерном оружии.

Вода

Основную массу воды составляют молекулы H₂O¹⁶ (99, 73% мол.) и лишь 0, 27% приходится на долю H₂O¹⁷, H₂O¹⁸, HDO¹⁶, HDO¹⁷, HDO¹⁸, D₂O¹⁶, D₂O¹⁷ и D₂O¹⁸.

В невозбужденном состоянии расстояние между атомами водорода и кислорода в молекуле воды равно 0, 09568 нм, угол между направлениями связей составляет 105^о, расстояние между атомами водорода 0, 154 нм. На внешней электронной оболочке атома кислорода находятся шесть электронов, два из которых, будучи неспаренными, участвуют в образовании ковалентной связи с атомами водорода, а остальные четыре представляют собой две неподеленные пары электронов.

При образовании молекулы воды происходит гибридизация атомных орбиталей кислорода, в результате чего возникают четыре гибридных электронных облака (sp³-гибридизация). Два гибридных облака, участвующие в образовании ковалентной связи, вытягиваются в направлении атомов водорода, чем обеспечивается более полное перекрывание валентных орбиталей. В результате того, что плотность электронных облаков, участвующих в образовании О-Н связей, оказывается выше вблизи электроотрицательного атома кислорода, в местах расположения протонов возникают эффективные положительные заряды. Неподеленные пары электронов, находящиеся на гибридных орбиталях, не участвующих в образовании ковалентной связи, создают сравнительно большую величину электронной плотности в противоположной части молекулы, способствуя образованию двух полюсов отрицательных зарядов. Таким образом, в молекуле воды образуются четыре полюса зарядов, расположенных в вершинах насколько искаженного тетраэдра. Вследствие несимметричности распределения электрических зарядов почти шарообразная молекула воды обладает ярко выраженными полярными свойствами. Этим, а также высокими донорно-акцепторными свойствами, объясняется способность воды растворять многие вещества.

В парообразном состоянии воде отвечает простейшая формула – H₂O. В жидкой фазе вода ассоциирована, т. е. наряду с простыми молекулами содержит и более сложные образования – (H₂O)_x.

Особое значение для ассоциации молекул воды имеют водородные связи, образующиеся между водородом одной молекулы и кислородом другой. Представления об образовании водородных связей лежат в основе многочисленных структурных моделей воды. Согласно донорно-акцепторной теории водородной связи, каждая молекула воды способна образовывать четыре водородные связи: две из них обеспечиваются неподеленными парами электронов атома кислорода и две - водородными атомами. Поскольку электронные орбитали в молекуле воды создают тетраэдрическую структуру, при образовании водородных связей возникает упорядоченное расположение молекул воды в виде тетраэдрически координированной льдоподобной решетки.

Вопрос о структуре жидкой воды еще далек от своего разрешения, однако развитие этих представлений помогает понять многие аномальные свойства воды, а также особенности воды как растворителя.

Аномалии, обусловленные ассоциацией молекул воды, проявляются в ряде её свойств. Так, для воды характерна максимальная плотность при температуре 3, 98^oС; аномально высокие теплота плавления, удельная теплоёмкость, температура кипения и плавления.

Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех известных жидкостей, кроме ртути. Вязкость воды быстро уменьшается при повышении температуры, а теплоемкость с повышением температуры сначала понижается, затем начинает возрастать.

При температуре ниже 0^оС вода затвердевает и в зависимости от условий образует лед, снег или иней. В твердой фазе вода имеет шесть полиморфных форм, одна из которых (обычный лед) легче жидкой воды. Это объясняется тем, что каждая молекула воды имеет четырех соседей, с которыми она соединена водородными связями, что приводит к ажурной конструкции с каналами, окруженными шестью молекулами воды. Поперечник канала превышает диаметр молекулы воды. При плавлении льда некоторые водородные связи нарушаются, молекулы воды получают свободу и проваливаются в каналы. Этим объясняется сжатие льда при плавлении и нагревании до 4^оС.

Одно из важнейших физико-химических свойств воды состоит в её способности образовывать растворы с очень многими веществами. Она является одним из наиболее универсальных растворителей для большого числа твердых соединений, жидкостей и газов.