Водород

Водород не включен в группу галогенов. У водорода лишь на один электрон меньше, чем у ближайшего к нему инертного газа гелия. С другой стороны, атом водорода имеет всего один электрон, чем в известном смысле он напоминает щелочные металлы. Удаление одного электрона от атома щелочного металла ведет к образованию чрезвычайно устойчивой электронной конфигурации - конфигурации инертного газа. При удалении электрона атом водорода вообще лишается электронов, что исключает возможность образования устойчивого иона. Мы рассмотрим, как эти особенности проявляются в химии водорода, который имеет некоторое сходство с галогенами и щелочными металлами.

Физические свойства водорода

Водород при нормальных условиях представляет собой двухатомный газ. Его температура плавления равна 15,9° К, а температура кипения при нормальных условиях 20,4° К. При более низкой температуре, чем водород, кипит только гелий. Некоторые физические свойства водорода приведены в таблице:

Порядковый номер 1
Атомная масса 1,008
Молекулярная формула Н2
Температура кипения: оК/оС 20,4/-252,8
Температура плавления: оК/оС 14,0/-259,2
Атомный объём в твердом состоянии, см3/моль атомов 13,1

Мы видим, что по физическим свойствам водород напоминает галогены. Водород, подобно галогенам, - двухатомный газ, а не металл, чем он и отличается от щелочных металлов. Он имеет очень низкую температуру плавления и узкий интервал температур, в котором устойчив в жидком состоянии. Однако, поскольку взаимосвязь между элементами одной группы основывается на всех их свойствах, прежде чем охарактеризовать этот единственный в своем роде элемент, необходимо изучить все его реакции.

Химические свойства водорода

Одна из наиболее характерных реакций, как щелочных металлов, так и галогенов - это их реакция друг с другом. В качестве такого примера мы подробно рассматривали реакцию между натрием и хлором с образованием хлористого натрия. Хлористый натрий - твердое ионное вещество, которое при растворении в воде образует положительно заряженные ионы Na+ и отрицательно заряженные ионы Cl-:

Na (тв) + ? Cl2 (г) ? NaCl (тв) (1)

NaCl (тв) + H2O ? Na+ (водн) + Cl- ( водн) (2)

Может ли водород реагировать, как натрий или хлор в реакции (1)? Эксперименты показывают, что водород может вступать в реакцию и с натрием, и с хлором:

Na (тв) + ? H2 (г) ? NaH (тв) (3)

? H2 (г) + ? Cl2 (г) ? HCl (г) (4)

HCl (г) + H2O ? H+ (водн) + Cl- (водн) (5)

Гидрид натрия, образующийся по реакции (3), - кристаллическое соединение, по физическим свойствам напоминающее хлористый натрий. Однако химические свойства этих соединений совсем разные. Натрий легко сгорает в хлоре, тогда как с водородом он реагирует лишь при температуре около 300° С. Хлористый натрий - устойчивое вещество, образующее при растворении в воде ионы Na+ и Cl-. Гидриды щелочных металлов горят на воздухе, а некоторые из них воспламеняются самопроизвольно. Гидриды щелочных металлов энергично взаимодействуют с водой с выделением водорода:

NaH (тв) + H2O ? H2 (г) + Na+ (водн) + OH- (водн) (6)

Таким образом, в реакции (3) водород реагирует с металлическим натрием, подобно галогену [как в реакции (1)], но продукт реакции - гидрид натрия - сильно отличается по своим химическим свойствам от хлористого натрия.

Реакция (4) показывает, что водород реагирует так же, как щелочной металл. Хотя продукт реакции - хлористый водород - не является твердым веществом с ионными связями, при растворении в воде он образует гидратированные ионы. Образование гидратированных ионов Н+ и Cl- совершенно аналогично образованию гидратированных ионов Na+ и Cl- при растворении в воде хлористого натрия. Способность водорода образовывать в воде положительно заряженные ионы Н+ (существование в растворе отрицательно заряженных ионов Н- не доказано) является одним из наиболее резких различий между водородом и галогенами.

По совокупности всех химических свойств водород следует рассматривать отдельно как самостоятельную химическую группу. Водород по некоторым важным свойствам сходен с галогенами - как мы знаем, он является устойчивым двухатомным газом, но по химическим свойствам он ближе к щелочным металлам. Поэтому водород обычно располагают в левой части периодической таблицы, как и щелочные металлы, но отдельно от них, чтобы подчеркнуть его особые свойства.

НАУЧНЫЕ РАЗДЕЛЫ