Водород и его соединения

Водород – самый легкий элемент. Водород относится к макроэлементам и играет важную роль в живых организмах. В периодической системе водород помещают как вместе с щелочными металлами, так и с галогенами. Сходство водорода с щелочными металлами проявляется в образовании иона Н+, восстановительной способности, взаимодействии с неметаллами. Но гораздо большее сходство водорода имеет с галогенами: газообразное состояние при обычных условиях, двухатомная молекула простого вещества Н₂, неполярная связь в молекуле Н₂, полярные связи в соединениях с неметаллами,

образование гидрид-иона Н- в соединениях с металлами NaH, CaH₂ (подобно иону Г- в галогенидах металлов NaГ, СаГ₂).

Основная особенность атомов водорода заключается в том, что в отличие от других элементов его валентный электрон непосредственно находится в поле действия атомного ядра, так как отсутствуют промежуточные электронные оболочки, имеющиеся у других элементов. Другое отличие водорода – ионизированный атом – ион водорода Н⁺ представляет собой элементарную частицу – протон весьма малых размеров (10^-15м).

Водород является одним из самых распространенных элементов Вселенной. Известны три изотопа водорода: протий 1Н, дейтерий 2Н (или D), тритий 3Н (или Т). Протий и дейтерий – стабильные изотопы, тритий – радиоактивен (период полураспада 12, 5 лет)

Водород образует двухатомные молекулы. Наличие трех изотопов обусловливает способность водорода образовывать молекулы протия Н₂, дейтерия D₂, трития Т₂, протодейтерия HD, прототрития НТ, дейтотрития DT.

Наибольший интерес в связи с большей распространенностью в земной коре и в живых организмах изотопа протия представляют свойства простого вещества протия Н₂, в дальнейшем именуемого просто водородом.

Водород – самый легкий из всех газов. Малорастворим в воде, но хорошо растворим в некоторых металлах: Pt, Pd и др. Вследствие неполярности и большой прочности молекулы водорода (Δ Н⁰_дис.= 436 кДж/моль) при комнатной температуре водород малоактивен и взаимодействует только с фтором. При нагревании водород реагирует со многими неметаллами – хлором, бромом, серой, кислородом и др. Восстановительная способность водорода используется для получения некоторых простых веществ из оксидов и галогенидов (реакции идут при высокой температуре):

CuO + H₂ = Cu + H₂O

3H₂ + BCl₃ = 2B + 6HCl

Вследствие высокого поляризующего действия протон никогда не существует как таковой, он обязательно соединяется с другими атомами и молекулами, например, с водой ион водорода Н⁺ образует ион гидроксония Н₃О⁺. В организме человека водород ковалентно связан с углеродом, азотом, серой. Небольшая часть водорода находится в виде иона гидроксония Н₃О⁺ (например, в желудочном соке). Содержащиеся в желудочном соке ионы гидроксония проявляют, с одной стороны, противомикробное действие – убивают многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей. С другой стороны, ионы гидроксония оказывают каталитическое действие – при их участии гидролизуются белки, полисахариды и другие биоорганические соединения.

Спецификой строения атома водорода обусловлено образование водородной связи. В живых организмах водородные связи имеются как в самом растворителе – воде, так и в растворенных в ней веществах – сахарах, белках, нуклеиновых кислотах и др. Во всех соединениях, содержащихся в живых организмах, водород имеет степень окисления +1.

Наряду со способностью отдавать, атом водорода может присоединять электрон. При этом образуется отрицательный ион водорода – гидрид -ион Н^-, имеющий устойчивую электронную конфигурацию благородного газа гелия. В виде иона Н- водород находится в соединениях с активными металлами – гидридах. При взаимодействии водорода с такими металлами проявляется его окислительная способность.

Н₂ + Са = СаН₂

Гидриды металлов являются сильными восстановителями:

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂↑

СаН₂ + 2НCl (разб.) = CaCl₂ + 2H₂↑

СаН₂ + О₂ = СаО + Н₂О