Особенности водорода

Одна из особенностей водорода состоит в том, что его простое вещество Н₂ имеет минимальную молекулярную массу (М_r) и, значит, является самым легким газом (в 14, 5 раз легче воздуха, поэтому им наполняют стратостаты, дирижабли и т.п.).

Легкостью водорода объясняется низкое его содержание в атмосфере (всего 10^{‑ 4} %), хотя на Земле постоянно идут процессы образования Н₂. Например, при разложении органических веществ без доступа воздуха. Выделяется он и во время извержения вулканов, при бурении нефтяных скважин (в составе природного газа), а также зелеными листьями растений (при их дыхании).

Однако почти весь водород улетучивается на высоту примерно 100 км, где атомизируется и ионизируется до , пополняя т.н. «протонный пояс» Земли. (Именно порывы «протонного ветра» (считают ученые) являются причиной северных сияний, а также нарушений радиосвязи).

Другой особенностью водорода является то, что энергия связи Н–Н очень велика – составляет 435 кДж/моль. (Самая прочная из всех ординарных ХС.) Это объясняется тем, что в единственные два электрона двумя «голыми» ядрами притягиваются особенно сильно, а значит, прочно фиксируются между ними.

Как следствие:

а) для реакций с участием Н₂ высока энергия активного состояния Е_а.с., т.е. процессы идут в достаточно жестких условиях. Например, сероводород (H₂S) образуется при пропускании струи водорода над кипящей серой. Таким образом, Н₂ не только термодинамически, но и кинетически пассивнее, чем Г₂ или ЩМ;

б) из-за большой прочности и, как следствие, жесткости связи Н–Н молекулы водорода (неполярные) обладают незначительной поляризуемостью. А значит, способны лишь к очень слабым дисперсионным взаимодействиям с другими частицами, в том числе с молекулами растворителей. Поэтому ничтожна растворимость не только в воде, но и в органических жидкостях;

в) особенно слабы дисперсионные взаимодействия молекул водорода между собой. К тому же частицы из-за их малой крайне подвижны (наиболее подвижные среди всех молекул). И потому требуется особенно глубокое охлаждение для сжижения[2] водорода. Как следствие (и ничтожной величины дисперсионных взаимодействий, и минимального значения М_r), имеет самые низкие (после гелия[3]) температуры кипения (т.кип.) и плавления (т.пл.): –252, 2 °С и –259, 1 °С соответственно. Это используется для отделения водорода от других газов (исключая гелий) cнижением температуры, достаточным для вымораживания всех веществ, кроме Н₂.

Третья особенность водорода состоит в том, что, в отличие от иных катионов, не имеет электронов. Следствием этого является следующее:

а) ион Н⁺, приближаясь к другим атомам, не испытывает межэлектронного отталкивания (ибо нечем отталкиваться от е другого элемента). Поэтому положительно заряженный водород одной молекулы может образовать дополнительную прочную связь с атомом элемента соседней молекулы, если этот атом достаточно отрицательно заряжен. Как, например, F, O или N в соединениях HF, и соответственно (а также в органических веществах, содержащих эти элементы). Такие связи между молекулами называются водородными. Они направлены, насыщаемы и значительно прочнее, чем межмолекулярные связи;

б) являясь «голым» протоном, катион водорода имеет повышенную электрофильность (т.е. любовь к е). Поэтому в соединениях, в частности, в кислородосодержащих кислотах, в значительной степени перетягивает электроны на себя (что на рисунке 1 отражено стрелками). Это, во-первых, ослабляет связи в анионе, а во-вторых, делает его несимметричным, а потому менее устойчивым. Такое явление называют поляризующим действием катиона на анион или поляризацией.

В частности, из-за сильного поляризующего действия Н⁺ на карбонат-анион угольная кислота настолько нестабильна, что существует только в разбавленных растворах, а при попытке выделить ее в свободном состоянии полностью распадается на оксиды. Механизм распада показан на рис. 1, а в краткой форме этот распад отражается уравнением:

.

В то же время карбонат натрия () даже плавится (при 858 ⁰С) без разложения, ибо очень слабо поляризует анион из-за низкой ЭО натрия (0, 9), гораздо меньшей, чем ЭО водорода (2, 1). Другие металлы тоже имеют ЭО ниже, чем Н, и это одна из причин, по которой кислоты менее устойчивы, чем их соли.