Химические свойства водорода

Условия активации и двойственная природа

При обычных условиях водород относительно малоактивен. Главная причина кроется в очень прочной химической связи между атомами в молекуле. Чтобы запустить большинство химических процессов с участием простых и сложных веществ, молекулу нужно «активировать». Для этого обычно требуется нагревание системы, облучение (например, ультрафиолетом) или использование специфических катализаторов.

В химических реакциях водород проявляет уникальную двойственную природу, выступая в двух амплуа:

1. Водород как восстановитель (переход $\text{H}_2^0 \rightarrow \text{H}^+$). Это наиболее типичное поведение. Водород охотно реагирует с различными окислителями — неметаллами (например, хлором) и оксидами металлов (например, оксидом меди(II)).
2. Водород как окислитель (переход $\text{H}_2^0 \rightarrow \text{H}^{-1}$). Проявляется при контакте с сильными восстановителями, к которым относятся активные металлы (калий, магний, натрий). В результате таких реакций образуются бинарные соединения, называемые гидридами.

Взаимодействие с простыми веществами

Реакции с простыми веществами (металлами и неметаллами) наглядно демонстрируют зависимость активности водорода от условий среды и природы второго реагента.

• С галогенами: Реакция с фтором — это единственное взаимодействие, которое протекает самопроизвольно, без внешнего инициирования. Процесс идет с выделением огромного количества энергии ($\Delta_r H^\circ = -546,6$ кДж). Взаимодействие с хлором требует кратковременного ультрафиолетового облучения, сопровождается ослепительной вспышкой и выделением тепла ($\Delta_r H^\circ = -184,6$ кДж).
• С кислородом: Газ образует с кислородом взрывоопасную смесь — гремучий газ. Реакция не идет сама по себе и начинается только при поджигании.
• С углеродом: Взаимодействие с другими неметаллами часто является обратимым. Синтез метана из углерода требует температуры $450^\circ\text{C}$ и присутствия никеля в качестве катализатора. При нормальном давлении выход метана составляет около 17%. Поскольку реакция протекает с уменьшением объема газов, повышение давления смещает равновесие вправо, значительно увеличивая выход продукта.
• С активными металлами: Водород взаимодействует, например, с парами натрия при температуре $300–400^\circ\text{C}$. В результате окисления металла образуется твердый гидрид натрия.

Реакции со сложными соединениями

Водород широко используется как восстановитель в реакциях со сложными бинарными соединениями и органическими молекулами.

• Восстановление из оксидов: При нагревании водород способен восстанавливать металлы и неметаллы из их оксидов. Например, он реагирует с оксидом азота(II), превращая его в свободный азот, или с оксидом меди(II), восстанавливая его до чистой металлической меди с выделением паров воды.
• Взаимодействие с галогенидами: Реакция водорода с хлоридами неметаллов имеет огромное практическое значение. В частности, восстановление кремния из его тетрахлорида позволяет получать особо чистый кремний, который абсолютно необходим для современной полупроводниковой промышленности.
• Гидрирование органических веществ: Водород способен присоединяться к органическим молекулам по месту кратных (двойных или тройных) связей. Процесс идет при нагревании в присутствии катализатора. Классический пример — превращение этилена в этан. На практике эта реакция применяется в пищевой промышленности: жидкие растительные масла (содержащие кратные связи) при присоединении водорода превращаются в твердые жиры, что лежит в основе производства маргарина.

Цепочки превращений и классификация

Соединения водорода невероятно разнообразны и пронизывают все разделы химии. Их принято классифицировать на бинарные соединения, кислоты, основания, соли и органические вещества.

Интересно наблюдать за поведением водорода в окислительно-восстановительных цепочках, где его степень окисления последовательно меняется по схеме: $\text{H}_2^0 \rightarrow \text{H}^{-1} \rightarrow \text{H}_2^0 \rightarrow \text{H}^{+1}$.

1. Получение гидрида: Свободный водород реагирует с натрием, образуя гидрид натрия (степень окисления падает до $-1$).
2. Гидролиз гидрида: При взаимодействии гидрида натрия с водой происходит регенерация — образуется щелочь и выделяется свободный водород (степень окисления возвращается к $0$).
3. Окисление водорода: Выделившийся водород реагирует с кислородом, сгорая с образованием воды, где элемент достигает своей высшей степени окисления $+1$.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Термодинамика образования галогеноводородов и тепловые эффекты реакций.
• Принцип Ле Шателье на примере синтеза метана из углерода и водорода.
• Особенности гидролиза гидридов щелочных и щелочноземельных металлов.
• Промышленные технологии получения сверхчистого кремния для полупроводников.
• Механизмы каталитического гидрирования в пищевой промышленности.

Другие темы раздела «Глава 8. Водород»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.