Химические свойства водорода: особенности и применение. Различные формы водорода

Существуют три изотопные формы водорода: протий дейтерий и тритий разд. 1.1 и 4.1). В природном водороде содержится 99,985% изотопа , остальные 0,015% приходятся на долю дейтерия. Тритий представляет собой неустойчивый радиоактивный изотоп и поэтому встречается лишь в виде следов. Он испускает Р-частицы и имеет период полураспада 12,3 года (см. разд. 1.3).

Все изотопные формы водорода обладают практически одинаковыми химическими свойствами. Однако они различаются по физическим свойствам. В табл. 12.4 указаны некоторые физические свойства водорода и дейтерия.

Таблица 12.4. Физические свойства

Для каждого соединения водорода существует его дейтериевый аналог. Важнейшим из них является оксид дейтерия так называемая тяжелая вода. Она используется в качестве замедлителя в ядерных реакторах некоторых типов (см. разд. 1.3).

Оксид дейтерия получают электролизом воды. По мере того как на катоде происходит выделение остающаяся вода обогащается оксидом дейтерия. В среднем этот метод позволяет получать из 100 л воды .

Другие соединения дейтерия обычно получают из оксида дейтерия, например

Атомарный водород

Водород, получаемый описанными выше лабораторными методами, во всех случаях представляет собой газ, состоящий из двухатомных молекул , т. е. молекулярный водород. Его можно диссоциировать на агомы, используя какой-либо источник высокой энергии, например газоразрядную трубку, содержащую водород при низком давлении. Водород можно также атомизировать в электрической дуге, образуемой между вольфрамовыми электродами. Атомы водорода рекомбинируют на поверхности металла, и при этом выделяется столь большая энергия, что это приводит к

повышению температуры приблизительно до 3500°С. Этот эффект используется для водородно-дуговой сварки металлов.

Атомарный водород - сильный восстановитель. Он восстанавливает оксиды и хлориды металлов до свободных металлов.

Водород в момент выделения

Газообразный водород, т. е. молекулярный водород, является плохим восстановителем. Это обусловлено его большой энергией связи, равной Например, при пропускании газообразного водорода через раствор, содержащий ионы их восстановления не происходит. Однако, если образование водорода происходит непосредственно в растворе, содержащем ионы эти ионы немедленно восстанавливаются в ионы

Для того чтобы водород образовывался непосредственно в растворе, содержащем ионы туда добавляют разбавленную серную кислоту и цинк. Водород, образующийся в таких условиях, называют водород в момент выделения

Ортоводород и параводород

Два протона в молекуле водорода связаны между собой двумя , находящимися на -связывающей орбитали (см. разд. 2.1). Эти два электрона, находящиеся на указанной орбитали, должны иметь противоположно направленные спины. Однако в отличие от электронов два протона в молекуле водорода могут иметь либо параллельные, либо противоположно направленные спины. Разновидность молекулярного водорода с параллельными спинами протонов двух ядер называется ортоводородом, а разновидность с противоположно направленными спинами протонов двух ядер - параводородом (рис. 12.1).

Обычный водород представляет собой смесь ортоводорода и параводорода. При очень низких температурах в нем преобладает параводород. По мере повышения температуры доля ортоводорода возрастает, и при 25°С смесь содержит приблизительно 75% ортоводорода и 25% параводорода.

Параводород можно получать, пропуская обычный водород через трубку, наполненную древесным углем, а затем охлаждая его до температуры жидкого воздуха. Ортоводород и параводород совершенно одинаковы по своим химическим свойствам, но несколько различаются по температурам плавления и кипения (см. табл. 12.5).

Рис. 12.1. Ортоводород и параводород.

Таблица 12.5. Температуры плавления и кипения ортоводорода и параводорода

Водород – первый химический элемент Периодической Системы химических элементов Д.И. Менделеева. Химический элемент водород расположен в первой группе, главной подгруппе, первом периоде Периодической Системы.

Относительная атомная масса водорода = 1.

Водород имеет наиболее простое строение атома, он состоит из единственного электрона, который находится в околоядерном пространстве. Ядро атома водорода состоит из одного протона.

Атом водорода, в химических реакциях может как отдавать, так и присоединять электрон, образуя два вида ионов:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

Водород – самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6% всех атомов (около 11,3% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов – порядка 0,1%). Таким образом, водород – основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1%. Это девятый по распространённости элемент. Значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму для сухого воздуха).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках.

Физические свойства водорода

Простое вещество, образованное химическим элементом водородом, имеет молекулярное строение. Его состав отвечает формуле Н2. Как и химический элемент, простое вещество также называют водородом.

Водород – бесцветный газ без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде. При комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении растворимость составляет 18,8 мл газа на 1 л воды.

Водород – самый легкий газ, его плотность составляет 0,08987 г/л. Для сравнения: плотность воздуха равна 1,3 г/л.

Водород способен растворяться в металлах, так например, в одном объеме палладия может раствориться до 850 объемов водорода. Из-за крайне малого размера молекул водород способен к диффузии через многие материалы

Подобно другим газам водород при низких температурах конденсируется в бесцветную прозрачную жидкость, это происходит при температуре –252,8°С. При достижении температуры –259,2°С водород кристаллизуется в виде белых кристаллов, похожих на снег.

В отличие от кислорода, для водорода не характерна аллотропия

Применение водорода

Водород используют в различных отраслях промышленности. Много водорода уходит на производство аммиака (NH3). Из аммиака получают азотные удобрения, синтетические волокна и пластмассы, лекарства.

В пищевой промышленности водород используют при производстве маргарина, в состав которого входят твердые жиры. Чтобы их получить из жидких жиров, через них пропускают водород.

Когда водород горит в кислороде, то температура пламени составляет около 2500°C. При такой температуре можно плавить и сваривать тугоплавкие металлы. Таким образом, водород используется при сварке.

Смесь жидких водорода и кислорода применяют как ракетное топливо.

В настоящее время в ряде стран начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт – вода, а не углекислый газ, вызывающий парниковый эффект.

Ученые предполагают, что в середине XXI века должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

В конце XIX – начале ХХ веков, на заре эры воздухоплавания, водородом заполняли воздушные шары, дирижабли и аэростаты, так как он намного легче воздуха. Однако эпоха дирижаблей начала стремительно уходить в прошлое после катастрофы, случившейся с дирижаблем Гинденбург. 6 мая 1937 года дирижабль, заполненный водородом, загорелся, что повлекло за собой гибель десятков его пассажиров.

Водород крайне взрывоопасен в определенной пропорции с кислородом. Несоблюдение правил техники безопасности и привело к воспламенению и взрыву дирижабля.

• Водород – первый химический элемент Периодической Системы химических элементов Д.И. Менделеева
• Водород расположен в I группе, главной подгруппе, 1 периоде Периодической Системы
• Валентность водорода в соединениях – I
• Водород – бесцветный газ без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде
• Водород – самый легкий газ
• При низких температурах получают жидкий и твердый водород
• Водород способен растворяться в металлах
• Сферы применения водорода разнообразны

Атом водорода имеет электронную формулу внешнего (и единственного) электронного уровня 1s 1 . С одной стороны, по наличию одного электрона на внешнем электронном уровне атом водорода похож на атомы щелочных металлов. Однако, ему, так же как и галогенам не хватает до заполнения внешнего электронного уровня всего одного электрона, поскольку на первом электронном уровне может располагаться не более 2-х электронов. Выходит, что водород можно поместить одновременно как в первую, так и в предпоследнюю (седьмую) группу таблицы Менделеева, что иногда и делается в различных вариантах периодической системы:

С точки зрения свойств водорода как простого вещества, он, все-таки, имеет больше общего с галогенами. Водород, также как и галогены, является неметаллом и образует аналогично им двухатомные молекулы (H 2).

В обычных условиях водород представляет собой газообразное, малоактивное вещество. Невысокая активность водорода объясняется высокой прочностью связи между атомами водорода в молекуле, для разрыва которой требуется либо сильное нагревание, либо применение катализаторов, либо и то и другое одновременно.

Взаимодействие водорода с простыми веществами

с металлами

Из металлов водород реагирует только с щелочными и щелочноземельными! К щелочным металлам относятся металлы главной подгруппы I-й группы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), а к щелочно-земельным — металлы главной подгруппы II-й группы, кроме бериллия и магния (Ca, Sr, Ba, Ra)

При взаимодействии с активными металлами водород проявляет окислительные свойства, т.е. понижает свою степень окисления. При этом образуются гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, которые имеют ионное строение. Реакция протекает при нагревании:

Следует отметить, что взаимодействие с активными металлами является единственным случаем, когда молекулярный водород Н 2 является окислителем.

с неметаллами

Из неметаллов водород реагирует только c углеродом, азотом, кислородом, серой, селеном и галогенами!

Под углеродом следует понимать графит или аморфный углерод, поскольку алмаз — крайне инертная аллотропная модификация углерода.

При взаимодействии с неметаллами водород может выполнять только функцию восстановителя, то есть только повышать свою степень окисления:

Взаимодействие водорода со сложными веществами

с оксидами металлов

Водород не реагирует с оксидами металлов, находящихся в ряду активности металлов до алюминия (включительно), однако, способен восстанавливать многие оксиды металлов правее алюминия при нагревании:

c оксидами неметаллов

Из оксидов неметаллов водород реагирует при нагревании с оксидами азота, галогенов и углерода. Из всех взаимодействий водорода с оксидами неметаллов особенно следует отметить его реакцию с угарным газом CO.

Смесь CO и H 2 даже имеет свое собственное название – «синтез-газ», поскольку из нее в зависимости от условий могут быть получены такие востребованные продукты промышленности как метанол, формальдегид и даже синтетические углеводороды:

c кислотами

С неорганическими кислотами водород не реагирует!

Из органических кислот водород реагирует только с непредельными, а также с кислотами, содержащими функциональные группы способные к восстановлению водородом, в частности альдегидные, кето- или нитрогруппы.

c солями

В случае водных растворов солей их взаимодействие с водородом не протекает. Однако при пропускании водорода над твердыми солями некоторых металлов средней и низкой активности возможно их частичное или полное восстановление, например:

Химические свойства галогенов

Галогенами называют химические элементы VIIA группы (F, Cl, Br, I, At), а также образуемые ими простые вещества. Здесь и далее по тексту, если не сказано иное, под галогенами будут пониматься именно простые вещества.

Все галогены имеют молекулярное строение, что обусловливает низкие температуры плавления и кипения данных веществ. Молекулы галогенов двухатомны, т.е. их формулу можно записать в общем виде как Hal 2 .

Следует отметить такое специфическое физическое свойство йода, как его способность к сублимации или, иначе говоря, возгонке . Возгонкой , называют явление, при котором вещество, находящееся в твердом состоянии, при нагревании не плавится, а, минуя жидкую фазу, сразу же переходит в газообразное состояние.

Электронное строение внешнего энергетического уровня атома любого галогена имеет вид ns 2 np 5 , где n – номер периода таблицы Менделеева, в котором расположен галоген. Как можно заметить, до восьмиэлектронной внешней оболочки атомам галогенов не хватает всего одного электрона. Из этого логично предположить преимущественно окисляющие свойства свободных галогенов, что подтверждается и на практике. Как известно, электроотрицательность неметаллов при движении вниз по подгруппе снижается, в связи с чем активность галогенов уменьшается в ряду:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Взаимодействие галогенов с простыми веществами

Все галогены являются высокоактивными веществами и реагируют с большинством простых веществ. Однако, следует отметить, что фтор из-за своей чрезвычайно высокой реакционной способности может реагировать даже с теми простыми веществами, с которыми не могут реагировать остальные галогены. К таким простым веществам относятся кислород, углерод (алмаз), азот, платина, золото и некоторые благородные газы (ксенон и криптон). Т.е. фактически, фтор не реагирует лишь с некоторыми благородными газами.

Остальные галогены, т.е. хлор, бром и йод, также являются активными веществами, однако менее активными, чем фтор. Они реагируют практически со всеми простыми веществами, кроме кислорода, азота, углерода в виде алмаза, платины, золота и благородных газов.

Взаимодействие галогенов с неметаллами

водородом

При взаимодействии всех галогенов с водородом образуются галогеноводороды с общей формулой HHal. При этом, реакция фтора с водородом начинается самопроизвольно даже в темноте и протекает со взрывом в соответствии с уравнением:

Реакция хлора с водородом может быть инициирована интенсивным ультрафиолетовым облучением или нагреванием. Также протекает со взрывом:

Бром и йод реагируют с водородом только при нагревании и при этом, реакция с йодом является обратимой:

фосфором

Взаимодействие фтора с фосфором приводит к окислению фосфора до высшей степени окисления (+5). При этом происходит образование пентафторида фосфора:

При взаимодействии хлора и брома с фосфором возможно получение галогенидов фосфора как в степени окисления + 3, так и в степени окисления +5, что зависит от пропорций реагирующих веществ:

При этом в случае белого фосфора в атмосфере фтора, хлора или жидком броме реакция начинается самопроизвольно.

Взаимодействие же фосфора с йодом может привести к образованию только триодида фосфора из-за существенно меньшей, чем у остальных галогенов окисляющей способности:

серой

Фтор окисляет серу до высшей степени окисления +6, образуя гексафторид серы:

Хлор и бром реагируют с серой, образуя соединения, содержащие серу в крайне не свойственных ей степенях окисления +1 и +2. Данные взаимодействия являются весьма специфичными, и для сдачи ЕГЭ по химии умение записывать уравнения этих взаимодействий не обязательно. Поэтому три нижеследующих уравнения даны скорее для ознакомления:

Взаимодействие галогенов с металлами

Как уже было сказано выше, фтор способен реагировать со всеми металлами, даже такими малоактивными как платина и золото:

Остальные галогены реагируют со всеми металлами кроме платины и золота:

Реакции галогенов со сложными веществами

Реакции замещения с галогенами

Более активные галогены, т.е. химические элементы которых расположены выше в таблице Менделеева, способны вытеснять менее активные галогены из образуемых ими галогеноводородных кислот и галогенидов металлов:

Аналогичным образом, бром и йод вытесняют серу из растворов сульфидов и или сероводорода:

Хлор является более сильным окислителем и окисляет сероводород в его водном растворе не до серы, а до серной кислоты:

Взаимодействие галогенов с водой

Вода горит во фторе синим пламенем в соответствии с уравнением реакции:

Бром и хлор реагируют с водой иначе, чем фтор. Если фтор выступал в роли окислителя, то хлор и бром диспропорционируют в воде, образуя смесь кислот. При этом реакции обратимы:

Взаимодействие йода с водой протекает в настолько ничтожно малой степени, что им можно пренебречь и считать, что реакция не протекает вовсе.

Взаимодействие галогенов с растворами щелочей

Фтор при взаимодействии с водным раствором щелочи опять же выступает в роли окислителя:

Умение записывать данное уравнение не требуется для сдачи ЕГЭ. Достаточно знать факт о возможности такого взаимодействия и окислительной роли фтора в этой реакции.

В отличие от фтора, остальные галогены в растворах щелочей диспропорционируют, то есть одновременно и повышают и понижают свою степень окисления. При этом, в случае хлора и брома в зависимости от температуры возможно протекание по двум разным направлениям. В частности, на холоду реакции протекают следующим образом:

а при нагревании:

Йод реагирует с щелочами исключительно по второму варианту, т.е. с образованием йодата, т.к. гипоиодит не устойчив не только при нагревании, но также при обычной температуре и даже на холоду.

Водород был открыт во второй половине 18 столетия английским ученым в области физики и химии Г. Кавендишем. Он сумел выделить вещество в чистом состоянии, занялся его изучением и описал свойства.

Такова история открытия водорода. В ходе экспериментов исследователь определил, что это горючий газ, сгорание которого в воздухе дает воду. Это привело к определению качественного состава воды.

Что такое водород

О водороде, как о простом веществе, впервые заявил французский химик А. Лавуазье в 1784 году, поскольку определил, что в состав его молекулы входят атомы одного вида.

Название химического элемента по-латыни звучит как hydrogenium (читается «гидрогениум»), что означает «воду рождающий». Название отсылает к реакции горения, в результате которой образуется вода.

Характеристика водорода

Обозначение водорода Н. Менделеев присвоил этому химическому элементу первый порядковый номер, разместив его в главной подгруппе первой группы и первом периоде и условно в главной подгруппе седьмой группы.

Атомарный вес (атомная масса) водорода составляет 1,00797. Молекулярная масса H 2 равна 2 а. е. Молярная масса численно равна ей.

Представлен тремя изотопами, имеющими специальное название: самый распространенный протий (H), тяжелый дейтерий (D), радиоактивный тритий (Т).

Это первый элемент, который может быть полностью разделен на изотопы простым способом. Основывается он на высокой разнице масс изотопов. Впервые процесс был осуществлен в 1933 году. Объясняется это тем, что лишь в 1932 году был выявлен изотоп с массой 2.

Физические свойства

В нормальных условиях простое вещество водород в виде двухатомных молекул является газом, без цвета, у которого отсутствует вкус и запах. Мало растворим в воде и других растворителях.

Температура кристаллизации — 259,2 о C, температура кипения — 252,8 о C. Диаметр молекул водорода настолько мал, что они обладают способностью к медленной диффузии через ряд материалов (резина, стекло, металлы). Это свойство находит применение, когда требуется очистить водород от газообразных примесей. При н. у. водород имеет плотность, равную 0,09 кг/м3.

Возможно ли превращение водорода в металл по аналогии с элементами, расположенными в первой группе? Учеными установлено, что водород в условиях, когда давление приближается к 2 млн. атмосфер, начинает поглощать инфракрасные лучи, что свидетельствует о поляризации молекул вещества. Возможно, при еще более высоких давлениях, водород станет металлом.

Это интересно: есть предположение, что на планетах-гигантах, Юпитере и Сатурне, водород находится в виде металла. Предполагается, что в составе земного ядра тоже присутствует металлический твердый водород, благодаря сверхвысокому давлению, создаваемому земной мантией.

Химические свойства

В химическое взаимодействие с водородом вступают как простые, так и сложные вещества. Но малую активность водорода требуется увеличить созданием соответствующих условий – повышением температуры, применением катализаторов и др.

При нагревании в реакцию с водородом вступают такие простые вещества, как кислород (O 2), хлор(Cl 2), азот (N 2), сера(S).

Если поджечь чистый водород на конце газоотводной трубки в воздухе, он будет гореть ровно, но еле заметно. Если же поместить газоотводную трубку в атмосферу чистого кислорода, то горение продолжится с образованием на стенках сосуда капель воды, как результат реакции:

Горение воды сопровождается выделением большого количества теплоты. Это экзотермическая реакция соединения, в процессе которой водород окисляется кислородом с образованием оксида H 2 O. Это также и окислительно-восстановительная реакция, в которой водород окисляется, а кислород восстанавливается.

Аналогично происходит реакция с Cl 2 с образованием хлороводорода.

Для осуществления взаимодействия азота с водородом требуется высокая температура и повышенное давление, а также присутствие катализатора. Результатом является аммиак.

В результате реакции с серой образуется сероводород, распознавание которого облегчает характерный запах тухлых яиц.

Степень окисления водорода в этих реакциях +1, а в гидридах, описываемых ниже, – 1.

При реакции с некоторыми металлами образуются гидриды, например, гидрид натрия – NaH. Некоторые из этих сложных соединений используются в качестве горючего для ракет, а также в термоядерной энергетике.

Водород реагирует и с веществами из категории сложных. Например, с оксидом меди (II), формула CuO. Для осуществления реакции, водород меди пропускается над нагретым порошкообразным оксидом меди (II). В ходе взаимодействия реагент меняет свой цвет и становится красно-коричневым, а на холодных стенках пробирки оседают капельки воды.

Водород в ходе реакции окисляется, образуя воду, а медь восстанавливается из оксида до простого вещества (Cu).

Области применения

Водород имеет большое значение для человека и находит применение в самых разных сферах:

1. В химическом производстве – это сырье, в других отраслях – топливо. Не обходятся без водорода и предприятия нефтехимии и нефтепереработки.
2. В электроэнергетике это простое вещество выполняет функцию охлаждающего агента.
3. В черной и цветной металлургии водороду отводится роль восстановителя.
4. Сего помощью создают инертную среду при упаковке продуктов.
5. Фармацевтическая промышленность — пользуется водородом как реагентом в производстве перекиси водорода.
6. Этим легким газом наполняют метеорологические зонды.
7. Известен этот элемент и в качестве восстановителя топлива для ракетных двигателей.

Ученые единодушно пророчат водородному топливу пальму первенства в энергетике.

Получение в промышленности

В промышленности водород получают методом электролиза, которому подвергают хлориды либо гидроксиды щелочных металлов, растворенные в воде. Также можно получать водород этим способом непосредственно из воды.

Используется в этих целях конверсия кокса или метана с водяным паром. Разложение метана при повышенной температуре также дает водород. Сжижение коксового газа фракционным методом тоже применяется для промышленного получения водорода.

Получение в лаборатории

В лаборатории для получения водорода используют аппарат Киппа.

В качестве реагентов выступают соляная или серная кислота и цинк. В результате реакции образуется водород.

Нахождение водорода в природе

Водород чаще других элементов встречается во Вселенной. Основную массу звезд, в том числе Солнца, и иных космических тел составляет водород.

В земной коре его всего 0,15%. Он присутствует во многих минералах, во всех органических веществах, а также в воде, покрывающей на 3/4 поверхность нашей планеты.

В верхних слоях атмосферы можно обнаружить следы водорода в чистом виде. Находят его и в ряде горючих природных газов.

Газообразный водород является самым неплотным, а жидкий – самым плотным веществом на нашей планете. С помощью водорода можно изменить тембр голоса, если вдохнуть его, а на выдохе заговорить.

В основе действия самой мощной водородной бомбы лежит расщепление самого легкого атома.

Атом водорода по сравнению с атомами других элементов имеет простейшую структуру: он состоит из одного протона.

образующего атомное ядро, и одного электрона, расположенно­го на ls-орбитали. Уникальность атома водорода заключается в том, что его единственный валентный электрон находится не­посредственно в поле действия ядра атома, поскольку он не экранируется другими электронами. Это обеспечивает ему специ­фические свойства. Он может в химических реакциях отдавать свой электрон, образуя катион Н + (подобно атомам щелочных металлов), или присоединять электрон от партнера с образо­ванием аниона Н- (подобно атомам галогенов). Поэтому водород в периодической системе помещают чаще в IA группе, иногда в VIIA группе, но встречаются варианты таблиц, где водород не принадлежит ни к одной из групп периодической таблицы.

Молекула водорода двухатомна - Н2. Водород - самый лег­кий из всех газов. Вследствие неполярности и большой прочно­сти молекулы Н2 (Е св = 436 кДж/моль) при нормальных усло­виях водород активно взаимодействует только со фтором, а при освещении также с хлором и бромом. При нагревании реагиру­ет со многими неметаллами, хлором, бромом, кислородом, се­рой, проявляя восстановительные свойства, а вступая во взаи­модействие со щелочными и щелочноземельными металлами, является окислителем и образует гидриды этих металлов:

Среди всех органогенов у водорода наименьшая относитель­ная электроотрицательность (0Э0 = 2,1), поэтому в природных соединениях водород всегда проявляет степень окисления +1. С позиции химической термодинамики водород в живых систе­мах, содержащих воду, не может образовывать ни молекуляр­ный водород (Н 2), ни гидрид-ион (Н~). Молекулярный водород при обычных условиях химически малоактивен и при этом сильно летуч, из-за чего он не может удерживаться организмом и участвовать в обмене веществ. Гидрид-ион химически чрез­вычайно активен и сразу взаимодействует даже с очень малым количеством воды с образованием молекулярного водорода. По­этому водород в организме находится или в виде соединений с другими органогенами, или в виде катиона Н + .

Водород с элементами-органогенами образует только ковалентные связи. По степени полярности эти связи располагаются в сле­дующий ряд:

Этот ряд очень важен для химии природных соединений, так как полярность этих связей и их поляризуемость предопре­деляют кислотные свойства соединений, т. е. диссоциацию с образованием протона.

Кислотные свойства. В зависимости от природы элемента, образующего связь Х-Н, выделяют 4 типа кислот:

ОН-кислоты (карбоновые кислоты, фенолы, спирты);

SH-кислоты (тиолы);

NH-кислоты (амиды, имиды, амины);

СН-кислоты (углеводороды и их производные).

С учетом высокой поляризуемости связи S-Н можно соста­вить следующий ряд кислот по способности к диссоциации:

Концентрация катионов водорода в водной среде определяет ее кислотность, которая выражается с помощью водородного показателя рН = -lg (разд. 7.5). Большинство физиологиче­ских сред организма имеет реакцию, близкую к нейтральной (рН = 5,0-7,5), только у желудочного сока рН = 1,0-2,0. Это обеспечивает, с одной стороны, противомикробное действие, уби­вая многие микроорганизмы, занесенные в желудок с пищей; с другой стороны, кислая среда оказывает каталитическое дейст­вие при гидролизе белков, полисахаридов и других биосубстра­тов, способствуя получению необходимых метаболитов.

Окислительно-восстановительные свойства. Вследствие боль­шой плотности положительного заряда катион водорода являет­ся довольно сильным окислителем (ф° = 0 В), окисляя актив­ные и средней активности металлы при взаимодействии с ки­слотами и водой:

В живых системах таких сильных восстановителей нет, а окислительная способность катионов водорода в нейтральной среде (рН = 7) значительно понижена (ф° = -0,42 В). Поэтому в организме катион водорода не проявляет окислительных свойств, но активно участвует в окислительно-восстановительных реак­циях, способствуя превращению исходных веществ в продукты реакции:

Во всех приведенных примерах атомы водорода своей степе­ни окисления +1 не изменили.

Восстановительные свойства характерны для молекулярного и особенно для атомарного водорода, т. е. водорода в момент ныделения непосредственно в реакционной среде, а также для гидрид-иона:

Однако в живых системах таких восстановителей (Н2 или Н-) нет, и поэтому нет подобных реакций. Встречающееся в литера­туре, в том числе и в учебниках, мнение, что водород является носителем восстановительных свойств органических соединений, не соответствует действительности; так, в живых системах вос­становителем биосубстратов выступает восстановленная форма кофермента дегидрогеназы, в которой донором электронов явля­ются атомы углерода, а не атомы водорода (разд. 9.3.3).

Комплексообразующие свойства. Вследствие наличия у ка­тиона водорода свободной атомной орбитали и высокого поляри­зующего действия самого катиона Н + он является активным ионом-комплексообразователем. Так, в водной среде катион водоро­да образует ион гидроксония Н3О + , а при наличии аммиака -ион аммония NH4:

Склонность к образованию ассоциатов. Атомы водорода силь­нополярных связей О-Н и N--Н образуют водородные связи (разд. 3.1). Прочность водородной связи (от 10 до 100 кДж/моль) зависит от величины локализованных зарядов и длины водородной связи, т. е. от расстояния между атомами электро­отрицательных элементов, участвующих в ее образовании. Для аминокислот, углеводов, белков, нуклеиновых кислот харак­терны следующие длины водородных связей, пм:

Благодаря водородным связям возникают обратимые меж­молекулярные взаимодействия между субстратом и ферментом, между отдельными группами в природных полимерах, опре­деляющие их вторичную, третичную и четвертичную структуру (разд. 21.4, 23.4). Ведущую роль водородная связь играет в свойствах воды как растворителя и реагента.

Вода и ее свойства. Вода - важнейшее соединение водорода. Все химические реакции в организме протекают только в водной среде, жизнь без воды невозможна. Вода как растворитель рас­сматривалась в разд. 6.1.

Кислотно-основные свойства. Вода как реагент с по­зиции кислотно-основных свойств является истинным амфолитом (разд. 8.1). Это проявляется и при гидролизе солей (разд. 8.3.1), и при диссоциации кислот и оснований в водной среде (разд. 8.3.2).

Количественной характеристикой кислотности водных сред яв­ляется водородный показатель рН.

Вода как кислотно-основной реагент участвует в реакциях гидролиза биосубстратов. Например, гидролиз аденозинтрифосфата служит источником запасенной энергии для организма, ферментативный гидролиз ненужных белков служит для получения аминокислот, являющихся исходным материалом для син­теза необходимых белков. При этом катионы Н + или анионы ОН- являются кислотно-основными катализаторами реакций гидролиза биосубстратов (разд. 21.4, 23.4).

Окислительно-восстановительные свойства. В молекуле воды и водород, и кислород находятся в устойчи­вых степенях окисления. Поэтому вода не проявляет ярко вы­раженных окислительно-восстановительных свойств. Окислитель­но-восстановительные реакции возможны при взаимодействии воды только с очень активными восстановителями или очень активными окислителями, или в условиях сильной активации реагентов.

Вода может быть окислителем за счет катионов водорода при взаимодействии с сильными восстановителями, например щелоч­ными и щелочноземельными металлами или их гидридами:

При высоких температурах возможно взаимодействие воды с менее активными восстановителями:

В живых системах их компонент вода никогда не выступает как окислитель, поскольку это привело бы к уничтожению этих систем из-за образования и необратимого удаления молекуляр­ного водорода из организмов.

Вода может выступать в роли восстановителя за счет атомов кислорода например при взаимодействии с таким сильнейшим окислителем, как фтор:

Под действием света и при участии хлорофилла в растени­ях протекает процесс фотосинтеза с образованием О2 из воды (разд. 9.3.6):

Кроме непосредственного участия в окислительно-восстано­вительных превращениях вода и продукты ее диссоциации Н + и ОН- принимают участие как среда, которая способствует про­теканию многих окислительно-восстановительных реакций вследствие ее высокой полярности ( = 79) и участия образуемых ею ионов в превращениях исходных веществ в конечные (разд. 9.1).

Комплексообразующие свойства. Молекула во­ды из-за наличия у атома кислорода двух неподеленных элек­тронных пар является достаточно активным монодентатным лигандом, который с катионом водорода образует комплексный ион оксония Н 3 0 + , а с катионами металлов в водных растворах -достаточно устойчивые аквакомплексы, например [Са(Н 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . В этих комплексных ионах молекулы ноды ковалентно связаны с комплексообразователями достаточ­но прочно. Катионы щелочных металлов аквакомплексов не обра­зуют, а за счет электростатических сил образуют гидратированные катионы. Время оседлой жизни молекул воды в гидратных обо­лочках этих катионов не превышает 0,1 с, а их состав по числу молекул воды может легко изменяться.

Склонность к образованию ассоциатов. Вслед­ствие большой полярности, способствующей электростатическому взаимодействию и образованию водородных связей, молекулы воды даже в чистой воде (разд. 6.1) образуют межмолекулярные ассоциаты, различающиеся по структуре, числу молекул и вре­мени их оседлой жизни в ассоциатах, а также времени жизни самих ассоциатов. Таким образом, чистая вода является откры­той сложной динамической системой. Под действием внешних факторов: радиоактивное, ультрафиолетовое и лазерное излуче­ния, упругие волны, температура, давление, электрические, маг­нитные и электромагнитные поля от искусственных и естествен­ных источников (космос, Солнце, Земля, живые объекты) - вода изменяет свои структурно-информационные свойства, а следова­тельно, изменяются ее биологические и физиологические функ­ции.

Кроме самоассоциации молекулы воды гидратируют ионы, по­лярные молекулы и макромолекулы, образуя вокруг них гидратные оболочки, тем самым стабилизируют их в растворе и способ­ствуют их растворению (разд. 6.1). Вещества, молекулы которых неполярны и имеют относительно небольшие размеры, способны только незначительно растворяться в воде, заполняя пустоты ее ассоциатов с определенной структурой. При этом в результате гидрофобного взаимодействия неполярные молекулы структу­рируют окружающую их гидратную оболочку, превращая ее в структурированный ассоциат, обычно с льдоподобной структурой, внутри которого расположена данная неполярная молекула.

В живых организмах можно выделить две категории воды -"связанную" и "свободную", последняя, по-видимому, есть только в межклеточной жидкости (разд. 6.1). Связанная вода, в свою очередь, подразделяется на "структурированную" (прочносвязанную) и "деструктурированную" (слабосвязанную или рых­лую) воду. Вероятно, все перечисленные выше внешние факто­ры влияют на состояние воды в организме, изменяя соотноше­ния: "структурированная"/ "деструктурированная" и "связанная"/ "свободная" вода, а также ее структурно-динамические пара­метры. Это проявляется в изменениях физиологического со­стояния организма. Не исключено, что внутриклеточная вода непрерывно претерпевает регулируемые, в основном белками, пульсационные переходы из "структурированного" в "деструктурированное" состояние. Эти переходы взаимосвязаны с выталки­ванием из клетки отслуживших метаболитов (шлаков) и всасы­ванием необходимых веществ. С современной точки зрения вода участвует в формировании единой внутриклеточной структуры, благодаря которой достигается упорядоченность процессов жиз­недеятельности. Поэтому, по образному выражению А. Сент-Дьёрдьи, вода в организме является "матрицей жизни".

Вода в природе. Вода - самое важное и распространен­ное вещество на Земле. Поверхность земного шара на 75 % по­крыта водой. Объем Мирового океана составляет 1,4 млрд. км 3 . Столько же воды находится в минералах в виде кристаллиза­ционной воды. Атмосфера содержит 13 тыс. км 3 воды. В то же время запасы пресной воды, пригодной для питья и бытовых нужд, довольно ограничены (объем всех пресноводных водоемов составляет 200 тыс. км 3). Пресная вода, употребляемая в быту, содержит различные примеси от 0,05 до 1 г/л, чаще всего это соли: гидрокарбонаты, хлориды, сульфаты, - в том числе рас­творимые соли кальция и магния, присутствие которых делает воду жесткой (разд. 14.3). В настоящее время охрана водных ресурсов и очистка сточных вод являются наиболее актуальны­ми экологическими проблемами.

В обычной воде присутствует около 0,02 % тяжелой воды D2O (D - дейтерий). Она накапливается при испарении или электролизе обычной воды. Тяжелая вода токсична. Тяжелую воду применяют для изучения движения воды в живых орга­низмах. С ее помощью установлено, что скорость движения во­ды в тканях некоторых растений достигает 14 м/ч, а вода, вы­питая человеком, за 2 ч полностью распределяется по его органам и тканям и лишь через две недели полностью выводится из организма. Живые организмы содержат от 50 до 93 % воды, которая является непременным участником всех процессов жиз­недеятельности. Без воды жизнь невозможна. При продолжи­тельности жизни 70 лет человек с пищей и питьем потребляет около 70 т воды.

В научной и медицинской практике широко используется дистиллированная вода - бесцветная прозрачная жидкость без запаха и вкуса, рН = 5,2-6,8. Это фармакопейный препарат для приготовления многих лекарственных форм.

Вода для инъекций (апирогенная вода) - также фармако­пейный препарат. Эта вода не содержит пирогенных веществ. Пирогены - вещества бактериального происхождения - метабо­литы или продукты жизнедеятельности бактерий, которые, по­падая в организм, вызывают озноб, повышение температуры тела, головные боли, нарушение сердечно-сосудистой деятельности. Приготавливают апирогенную воду двойной перегонкой ноды (бидистиллят) с соблюдением асептических условий и ис­пользуют в течение 24 ч.

Заканчивая раздел, необходимо подчеркнуть особенности водорода как биогенного элемента. В живых системах водород всегда проявляет степень окисления +1 и встречается или свя­занным полярной ковалентной связью с другими биогенными элементами, или в виде катиона Н + . Катион водорода является носителем кислотных свойств и активным комплексообразователем, взаимодействующим со свободными электронными па­рами атомов других органогенов. С позиции окислительно-восстановительных свойств связанный водород в условиях ор­ганизма не проявляет свойств ни окислителя, ни восстановите­ля, однако катион водорода активно участвует во многих окис­лительно-восстановительных реакциях, не изменяя при этом своей степени окисления, но способствуя превращению биосуб­стратов в продукты реакции. Водород, связанный с электроот­рицательными элементами, образует водородные связи.