Химические свойства водорода

Связь Н – Н является одной из самых прочных связей (энергия связи 434 кДж/моль, длина связи 74 пм), поэтому при комнатной температуре водород мало реакционноспособен.

1. Водород – восстановитель, вступает в реакцию с активными окислителями. При комнатой температуре водород реагирует со фтором (реакция будет протекать и на холоду при темноте):

.

При облучении УФ-светом водород реагирует с хлором и бромом, при нагревании – с кислородом, серой, селеном, азотом, углеродом, йодом. Например:

.

Прим. Реакция с кислородом протекает при температуре выше 400 °С, а на воздухе – при 600 °С. Реакция протекает при комнатной температуре в присутствии катализатора (платины, соединений родия).

Реакции водорода с кислородом и галогенами протекает по радикальному механизму.

Взаимодействие с хлором – пример неразветвленной цепной реакции. Основные стадии цепных реакций: зарождение цепи, продолжение цепи, разветвление цепи и обрыв цепи.

1. Зарождение цепи – стадия цепной реакции, в результате которой возникают свободные радикалы. Данная стадия может осуществляться разными путями: за счет внешней энергии (свет, электрический разряд, нагревание, α, β, γ-излучение) или за счет посторонних веществ – инициаторов (пероксидные и гидропероксидные соединения).

Под воздействием кванта света происходит образование радикалов за счет разрыва связи Cl–Cl:

2. Продолжение цепи – это стадия цепной реакции, протекающая с сохранением общего числа свободных связей. Например:

3. Разветвление цепи – это стадия цепной реакции, протекающая с увеличением числа свободных связей.

4. Обрыв цепи – это стадия цепного процесса, приводящая к исчезновению свободных связей. Причиной обрыва цепи может быть: рекомбинация свободных радикалов, захват радикалов стенкой сосуда, взаимодействие радикала с примесями. Например:

Взаимодействие с кислородом – пример разветвленного цепной реакции.

1. Зарождение цепи: ,

2. Продолжение цепи:

3. Разветвление цепи: ,

4. Обрыв цепи: ,

Образующиеся радикалы и обеспечивают развитие неразветвленной цепи, а атом кислорода образует два добавочных радикала, вызывающих разветвление цепи. Таким образом, образуется большое число свободных радикалов.

2. Водород – восстановитель вступает в реакцию со сложными веществами.

Например:

.

Чем выше температура, тем активнее водород.

Прим. Сильными восстановительными свойствами обладает атомарный водород. Он образуется из молекулярного водорода в электрическом разряде в условиях низкого давления (70 Па). За доли секунды атомы водорода рекомбинируют в молекулы с выделением энергии.

Высокой восстановительной активностью обладает водород в момент выделения при взаимодействии металла с кислотой. Данная реакция протекает на поверхности цинка. Выделяющийся в результате реакции водород в первый момент времени содержит некоторую долю атомов Н⁺, адсорбированных поверхностным слоем металла. Такой водород восстанавливает, например, хлорид хрома (III) в хлорид хрома (II): .

3. Водород – окислитель вступает в реакцию с активными восстановителями (щелочные и щелочно-земельные металлы):

.

Реакция протекает с выделением тепла. Энергетические затраты на разрыв связи в молекуле Н₂ компенсируются энергией, выделяющейся при образовании ионной кристаллической решетки гидрида.

Энергия связи 434 кДж/моль

энергия ионной кристаллической решетки гидрида