Молекулярный водород

В обычных условиях водород образует простое вещество, существующее в виде двухатомных молекул Н₂. Это газообразное вещество, не имеющее ни цвета, ни запаха. Водород – самый лёгкий из всех газов. Водород, как и большинство веществ, состоящих из неполярных молекул, водород малорастворим в воде и других полярных жидкостях. Хорошо растворим в некоторых металлах: Pt, Pd и других.

Получают водород в лаборатории при взаимодействии металлов с соляной или разбавленной серной кислотами; в промышленности конверсией метана при температуре 700 – 800 ⁰С на никилевом катализаторе: СН₄ + 2Н₂О = 4Н₂ + СО₂.

Вследствие неполярности и большой прочности молекулы Н₂ (Н^о_дис = 436 кДж/моль) при комнатной температуре водород мало активен и взаимодействует только с фтором.

При нагревании водород проявляет свойства сильного восстановителя, реагирует с неметаллами, оксидами металлов:

Н₂ + Са = СаН₂; Н₂ + Cl₂ = 2HCl; Н₂ + S = H₂S; Н₂ + N₂ =2NH₃;

Н₂ + 2C = C₂H₂; 2Н₂ + C = CH₄; 4H₂ + CO₂ = CH₄ + 2H₂O;

Н₂ + CuO = Cu + H₂O; H₂ + Ag₂SO₄ = 2Ag + H₂SO₄ (t=200⁰C).

Химическая активность водорода особенно высока в момент выделения. Это объясняется тем, что в начальный момент, при взаимодействии цинка с кислотой, водород находится в виде атомов. В реакциях с атомарным водородом отпадает необходимость затраты энергии на разрыв связи в молекуле Н₂. Атомарный водород уже при комнатной температуре восстанавливает оксиды металлов, соединяется с молекулярным кислородом, серой и т.д.

В роли окислителя водород выступает в реакциях с активными металлами. Например: Н₂ + Са = СаН₂. В этих реакциях образуются гидриды металлов, в которых водород проявляет степень окисления -1. Гидриды щелочных металлов по внешнему виду и физическим свойствам напоминают галогениды соответствующих металлов.

Гидриды реагируют с водой, кислотами, кислородом, хлором, оксидами неметаллов:

LiH + H₂O = LiOH + H₂; LiH + HCl = LiCl + H₂; LiH + O₂ = 2LiOH;

LiH + Cl₂ = LiCl + HCl; 2LiH + 2SO₂ = Li₂SO₄ + H₂S.

В настоящее время известны гидриды для большинства химических элементов. По своим свойствам и строению они могут быть разделены на четыре группы:

1. Газообразные или легколетучие (NH₃, (BH₃)₂, CH₄ и др.).

2. Солеобразные (NaH, CaH₂ ).

3. Полимерные [(BeH₂)_x; (AlH₃)_x],

4. Металлообразные. Эти соединения не имеют постоянного состава и могут рассматриваться как твёрдые растворы водорода в металлах. Так, например, водород растворяется в палладии, платине и др. металлах.

Вода

Вода – самое важное химическое соединение. Вода является главным компонентом организма человека и среды его обитания. Свойства воды уникальны и резко отличаются от свойств других веществ; это предопределяет особенности биологического мира.

Физические константы, характеризующие воду, приняты как эталон для сравнения свойств других веществ. Т_(кип.) (Н₂О) = +100⁰С, Т_(пл.) = 0⁰С; масса 1 мл воды при 4⁰С (температуре её максимальной плотности) составляет 1 г; теплота, необходимая для нагревания 1 г воды на 1⁰С, равна 1 кал. (Использование воды как эталонного материала делает очень важной задачу получения чистой воды).

Молекула воды – трёхатомна, межъядерные расстояния О – Н составляют 0,096 нм, валентный угол Н – О – Н равен 104,5⁰, средняя энергия каждой связи О – Н равна 464,1 кДж, степень ионности каждой связи примерно 0,3.

Электронное строение молекулы воды характеризуется четырьмя гибридными орбиталями (sp³- гибридизация): двумя орбиталями связей О – Н и двумя орбиталями двух неподелённых электронных пар кислородного атома.

При возникновении молекулы воды из свободных атомов каждый из двух неспаренных электронов атомов кислорода образует обычную ковалентную связь с неспаренным электроном на валентной 1s-орбитали одного из двух атомов водорода; в молекуле воды образуются таким образом две равноценные химические связи О – Н. Две электронные пары атома кислорода во взаимодействиях с атомами водорода практически не участвуют и остаются локализованными на центральном атоме; это и есть неподелённые электронные пары атома кислорода в молекуле воды. Известно, что гибридные sp³- орбитали имеют тетраэдрическую ориентацию в пространстве атома. Их электронная плотность направлена к вершинам правильного тетраэдра, углы между любыми двумя направлениями 109⁰28′. Поэтому традиционное представление исходит из тетраэдрической структуры молекулы воды. Две вершины этой тетраэдрической системы заняты атомами водорода, две другие вакантны и символизируют две неподелённые электронные пары центрального атома. Валентный угол между двумя связями (104,5⁰) немного меньше тетраэдрического (109,5⁰), что принято объяснять большим отталкиванием друг от друга неподелённых электронных пар по сравнению с отталкиванием двух связей О – Н. Такая геометрия молекулы соответствует минимальной энергии системы.

Высокая реакционная способность воды объясняется тем, что неподелённые электронные пары подвижны. Поэтому они очень агрессивны по отношению к любым партнёрам воды в химическом процессе и этим объясняется высокая реакционная способность воды.

Ещё одной важной характеристикой молекулы воды является её дипольный момент. Распределение электронной плотности в молекуле воды приводит к несовпадению центров тяжести положительных и отрицательных зарядов. На атоме кислорода (более электроотрицательный) появляется эффективный отрицательный заряд, близкий к ─ 0,6. Одновременно атомы водорода беднеют электронным зарядом, на каждом атоме водорода появляется эффективный положительный заряд равный примерно + 0,3. Молекула воды имеет уголковую форму, что тоже способствует образованию диполя, который весьма велик и равен 1,85D.

Резюмируя, можно сказать, что природа изолированной молекулы воды интересна двумя моментами:

1. Электронная структура, особенностью которой является две подвижные, сравнительно слабо связанные с молекулярным остовом и локализованные преимущественно на атоме кислорода неподелённые электронные пары, предопределяет очень высокую реакционную способность этой молекулярной системы в целом;

2. Большая неравномерность в распределении валентной электронной плотности в поле ядерного остова обеспечивает высокий дипольный момент молекулы и придаёт ей целый комплекс свойств, важных для понимания природы конденсированной воды и многочисленных гидратных комплексов, в которых молекула воды выступает в роли лигандов.

В твёрдом состоянии вода обладает неповторимой кристаллической структурой. Каждая молекула воды образует связи с четырьмя себе подобными частицами: с двумя молекулами вода взаимодействует за счёт двух своих водородных атомов, с двумя другими молекулами – за счёт двух своих неподелённых электронных пар. Координационное число молекулы воды в структуре льда равно 4. Очень важная особенность структуры льда состоит в наличии каналообразных, цилиндрических пустот, размеры которых в точности соответствуют эффективным размерам молекул воды.

Жидкая вода имеет сложную структуру. Молекулы её в структуре жидкой воды сохраняют точно такую же тетраэдрическую координацию, которая присуща кристаллической структуре льда (разумеется сохраняются только фрагменты ажурного льдоподобного каркаса). Жидкая вода структурирована. Трёхмерный каркас связей между её молекулами пронизывает всю жидкую воду. Естественно, что он сохраняется в ближнем порядке, далее нарушается, размывается тепловым движением, снова возникает и т.д. В жидкой воде сохраняются жесткие связи между молекулами воды, сохраняется чёткий ближний порядок в расположении молекул относительно друг друга. Но одновременно появляются мономерные молекулы, не связанные с другими жесткими связями. Именно этими структурными особенностями жидкой воды объясняются все её аномальные физико-химические свойства. Так, например, плавление льда при атмосферном давлении сопровождается уменьшением объёма на 9%.

Необычайные свойства воды в целом объясняются особыми связями между молекулами воды – водородными связями. Их образование в жидкой воде (как и в кристаллической решетке льда) определяет все вышеупомянутые структурные особенности воды.

Вода – универсальный растворитель, в ней растворяются вещества разной природы и протекают биохимические реакции. Вода прекрасно растворяет ионные соединения, а также многие ковалентные соединения. Способность воды хорошо растворять многие вещества обусловлена полярностью её молекул, большим дипольным моментом. Поэтому при растворении в воде ионных веществ молекулы воды ориентируются вокруг ионов, т.е. сольватируют их. Водные растворы ионных соединений являются электролитами.

Растворимость ковалентных соединений в воде зависит от их способности образовывать водородные связи с молекулами воды. Например, такие простые ковалентные соединения, как SO₂, NH₃, HCl, хорошо растворяются в воде. Кислород, азот и СО₂ плохо растворяются в воде. Многие органические соединения, содержащие атомы электроотрицательных элементов, как, например, кислорода или азота, растворимы в воде. Это, например, этанол, уксусная кислота, сахар С₁₂Н₂₂О₁₁, диэтиламин (С₂Н₅)₂NH.

Вода участвует во множестве химических реакций в качестве растворителя, реагента либо продукта. Укажем четыре типа важнейших химических реакций, протекающих с участием воды.