12.1. ВОДОРОД

ВЕЗДЕСУЩИЙ И НЕПОВТОРИМЫЙ

Водород-простейший из всех элементов, а также самый распространенный в природе. Старшие школьники уже знают, что реакции таких металлов, как магний и цинк, с разбавленными неорганическими кислотами приводят к образованию водорода. Они знают и о пробе на газообразный водород с характерным «хлопком». Водород входит в формулы самых простых соединений, с которых начинается изучение химии в школе, как, например, вода метан серная кислота аммиак и этанол

Водород-самый распространенный элемент во Вселенной. По существующим оценкам, на долю водорода приходится свыше 90% атомов и приблизительно 75% массы Вселенной. Среди элементов, существующих на Земле, водород - девятый по распространенности. Он составляет 0,76% массы Земли и встречается почти в стольких же различных соединениях, как и углерод. Наиболее важным соединением водорода, встречающимся в природе, является вода. Водород встречается также в органических соединениях, таких, как уголь и нефть.

Водород-не только один из самых распостраненных элементов, он еще и совершенно отличается от всех остальных элементов по целому ряду своих химических и физических свойств. Кроме того, он образует особый ряд соединений. Это единственный элемент, по которому названа уникальная разновидность химической связи (см. разд. 2.1). Существуют такие понятия, как водородная бомба (см. разд. 1.3), водородная бактерия и даже водородная энергетика (см. ниже).

Водородные бактерии способны вырабатывать энергию путем окисления водорода до воды. Эта энергия необходима водородным бактериям для усвоения диоксида углерода. При определенных условиях они способны также окислять определенные органические соединения.

Водород - единственный элемент, представляющий собой горючий газ. Именно поэтому фламандский химик И. Б. Ван Гельмонт (1579-1644), впервые выделивший водород, назвал его «горючий газ». В лабораторных условиях водород впервые получили действием кислоты на железо Т. Майерн, а позднее (в 1672 г.) и Р. Бойль. В 1766 г. водород тщательно изучил английский химик и физик Г. Кавендиш, который называл его «горючий воздух». Название «водород» ввел Лавуазье, образовав латинский термин «hydrogen» из греческих слов «hydro» (вода) и «genes» (рождающий).

Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794)

Лавуазье считается основателем современной химии. Его важнейший вклад в химию заключается в ниспровержении ошибочной теории флогистона. Согласно этой теории, все горючие вещества состоят из двух компонентов - флогистона и окалины. При сжигании горючего вещества оно теряет флогистон и превращается в окалину («золу» или «известь»). Лавуазье экспериментально показал, что в процессе горения принимает участие кислород из воздуха. Он также установил роль кислорода в дыхании и впервые стал проводить различие между элементами и соединениями.

Антуан Лавуазье (с картины Тальструпа).

Строение атома водорода

Атом водорода имеет самое простое строение: он состоит из ядра, представляющего собой один протон, а также из одного электрона, который находится на окружающей ядро ls-орбитали (см. разд. 1.2). Такая простая структура обусловливает множество уникальных свойств водорода. Во-первых, атом водорода имеет лишь валентную электронную оболочку. Поэтому ее единственный электрон не экранирован от действия заряда ядра внутренними электронами. Во-вторых, этой внешней оболочке достаточно приобрести или потерять лишь один электрон, чтобы достичь устойчивой электронной конфигурации. Наконец, поскольку атом водорода состоит всего из одного электрона и одного протона, он имеет очень малые размеры. В самом деле, его ковалентный радиус (0.029 нм) и вандерваальсов радиус (0,12 нм) имеют минимальные значения среди всех элементов (см. разд. 2.2). Эти особенности объясняют многие отличительные свойства водорода и его особое положение в периодической таблице.

Положение в периодической таблице

Поскольку атом водорода, теряя свой единственный электрон, образует однозарядный положительный ион, этот элемент помещают в периодической таблице вверху 1 группы. Однако, хотя водород при определенных условиях может приобретать

Таблица 12.1. Энергии ионизации водорода, лития и натрия

Таблица 12.2. Сродство к электрону водорода, фтора и хлора

Таблица 12.3. Средние энтальпии связи в молекулах водорода, фтора и хлора

металлические свойства (см. рис. 2.15), в обычных условиях он обнаруживает только неметаллические свойства. Сопоставление его энергии ионизации с энергией ионизации лития и натрия (табл. 12.1) показывает, что водород очень сильно отличается от остальных элементов I группы щелочных металлов.

Атом водорода способен также, хотя и с трудом, присоединять электрон, образуя ион По этому свойству его, казалось бы, можно поместить вверху VII группы вместе с галогенами. Однако водород не является p-элементом, и сопоставление его сродства к электрону (см. разд. 2.1) со сродством к электрону фтора и хлора (табл. 12.2) показывает, что в VII группе ему не место.

Отметим также, что хотя водород подобно галогенам образует двухатомные молекулы, связь в молекуле водорода намного прочнее, чем в молекулах фтора или хлора. В этом можно убедиться, сопоставляя их энтальпии связи (см. разд. 5.3), указанные в табл. 12.3.