Фізичні властивості. Газоподібний водень складається з двохатомних молекул Н2

Газоподібний водень складається з двохатомних молекул Н₂. Він безбарвний і не має запаху. Утворення молекул водню з атомів супроводжується виділенням ве­ликої кількості теплоти:

2Н = Н₂, DН = -432,1 кДж,

що є свідченням великої енергії зв' язку Н—Н і значної стійкості цієї молекули.

Побудова моделі утворення молекули водню з атомів, яка була запропонована у 1927 р. німецькими фізиками В. Г. Гайтлером (1904-1989) і Ф. Лондоном (1900-1954), започаткувала сучасний етап квантово-механічного підходу до розуміння хімічного зв' язку.

Атомізація молекулярного водню відбувається під час пропускання крізь нього електричного розряду.

Атомарний водень можна одержати і термічно — нагріванням водню розжареною електричним струмом платиновою) ниткою або пропусканням струменя водню крізь зону вольтової дуги.

У разі зіткнення двох атомів водню в газовому середовищі за високої температури вони розлітаються, як більярдні кулі, і молекула Н₂ не утворюється. Це пояснюється тим, що енергія двох атомів водню перевищує енергію дисоціації молекули Н₂. За умови відведення надлишку енергії у момент зіткнення атомів гідрогену відбувається їх взаємодія (рекомбінація). Цей надлишок (енергії можна відвести за допомогою будь-якого твердого тіла (часточок домішок або поверхні металу), яке за цих умов нагріватиметься. На цьому явищі ґрунтується дія запропонованого американським фізиком і фізико-хіміком І. Ленгмюром (1881 — 1957) так званого атомного пальника. Потік молекул водню проходить крізь зону вольтової дуги і потрапляє на місце нагрівання (наприклад, місце зварювання двох шматків металу), захищене середовищем водню від контакту із зовнішнім середовищем. Метал нагрівається до дуже високих температур (близько 4000 °С) за рахунок рекомбінації атомів водню на його поверхні.

Молекула водню має дуже малі розміри: між’ядерна відстань у ній становить 74 пм. Це зумовлює той факт, що за звичайної температури і не дуже високого тиску водень поводить себе майже як ідеальний газ, підпорядковується законам Бойля—Маріотта і Гей-Люссака, а отже, і рівнянню газового стану рV=пRТ. Оскільки малі молекули водню не здатні до значної деформації, то між ними не виникають помітні сили взаємодії. Наслідком цього є надзвичайно низька температура кипіння водню, яка становить лише -252,8 °С (20,4 К). У значних кількостях скраплений водень вдалося одержати лише у 1898 р. (через 130 років після його відкриття) англійському фізику Дж. Дьюару (1842-1923), чиїм ім' ям було названо посудину для вберігання скраплених газів.

У разі самочинного випаровування безбарвного рідкого водню за рахунок вбирання власної теплоти він кристалізується з утворенням прозорих світло-блакитних кристалів, які мають гексагональну щільну упаковку з молекулярною кристалічною ґраткою. Температура кристалізації рідкого водню становить -257,3°С (15,9 К).

Молекулярний водень дуже погано розчиняється у воді та інших розчинниках. За температури 18 °С його розчинність становить 1,85 об'єму в 100 об' ємах води.

Водень - найлегший з відомих газів: маса 1 м³ водню становить 0,09 кг (для порівняння: 1 м³ гелію вдвічі важчий).

Природний водень складається з трьох нуклідів: протію Н, дейтерію Д і тритію Т. Вміст дейтерію становить близько 0,02 % (об.) порівняно з протієм і мало впливає на фізичні властивості водню. Тритій є радіоактивним нуклідом з періодом піврозпаду 12,5 року і в природному водні відсутній.

Дейтерій відкрив спектральним методом у 1932 р. американський фізико-хімік Г. К. Юрі (1893-1981) із співробітниками. Маса дейтерію дорівнює 2,01474, тобто вдвічі перевищує масу атома протію. Деякі властивості цих нуклідів наведено нижче.

Атоми Гідрогену в молекулі протію коливаються з високою швидкістю —близько 1,32 -10¹⁴ коливань за секунду. Частота коливань атомів у молекулі дейтерію менша, ще повільніше коливаються атоми в молекулі тритію.

З погляду хімічної кінетики протій і дейтерій нерівноцінні. Дейтерій зазвичай реагує повільніше від протію, хоча відомі деякі реакції (наприклад, утворення аміаку з водню та азоту за наявності пари ртуті), швидкість яких зростає в разі заміни протію на дейтерій.

Хімічні властивості. Атом гідрогену в основному стані має електронну конфігурацію 1s¹, яка є найпростішою. Наявність тільки одного валентного електрона на одній валентній орбіталі відповідає його здатності в усіх сполуках бути одновалентним. Сполуки, число яких у водню найбільше порівняно з іншими елементами, можуть утворюватися з виникненням ковалентного зв язку, коли спільна електронна пара з атомом якогось неметалу певною мірою зміщується у бік більш електронегативного елемента. Можуть також утворюватись іонні сполуки з найактивнішими металами — лужними, лужноземельними, а також лантаноїдами, з якими водень, приєднуючи електрон, перетворюється на однозарядний негативний іон. Із d-металами він утворює металоподібні сполуки, в яких електрони водню залучаються до спільної системи металічного зв' язку.

Водневі сполуки мають низку цікавих особливостей та аномалій, пов'- язаних, зокрема, з утворенням водневого зв'язку, донорно-акцепторними взаємодіями, трицентровим зв' язком, тощо.

Високий потенціал іонізації (13,6 еВ) і низька спорідненість до електрона (0,715 еВ) свідчать про порівняно невелику хімічну активність цього елемента. У хімічних реакціях водень поводить себе як неметал. Його електронегативність становить 2,1. У сполуках з найтиповішими неметалами його атом поляризований позитивно й, отже, йому відповідає ступінь окиснення +1. У сполуках з металами та слабко електронегативними неметалами атом водню поляризований негативно і має ступінь окиснення —1.

Сполуки водню з іншими елементами називають просто водневими сполуками, або оводнями. У межах оводнів, утворених елементами однієї групи періодичної системи, існують як такі, в яких атом водню поляризований позитивно і йому відповідає ступінь окиснення +1, так і такі, в яких він поляризований негативно і має ступінь окиснення —1. Оскільки ступінь окиснення — це умовний заряд, формальна величина, можна вважати, що у водневих сполуках з неметалами водень має ступінь окиснення +1, а з металами -1. За такого підходу дещо спрощується якіс­на картина зіставляння подібних за складом хімічних сполук.

Можливі ступені окиснення водню та його найхарактерніші сполуки можна подати такою схемою: