Соединения водорода

Соединения со степенью окисления –1. Важнейшими неорганическими соединениями водорода являются гидриды - бинарные соединения водорода в степени окисления -1. "Классические" гидриды могут образовывать только те элементы, электроотрицательность у которых значительно меньше, чем у водорода. Это щелочные и щелочноземельные металлы, а также магний и бериллий. Они образуют типичные солеподобные гидриды, при электролизе расплавов которых водород выделяется на аноде:

2H^- - 2e^-  H₂⁰

При взаимодействии гидридов данного типа с водой также выделяется водород:

NaH^-1 + H₂⁺¹O = NaOH + H₂⁰

Элементы, электроотрицательность которых незначительно отличается от водорода, образуют ковалентные гидриды (B₂H₆, SiH₄). Известно небольшое число комплексных гидридов, например, Li[AlH₄], Na[BH₄], которые широко применяются в органическом синтезе в качестве восстановителей.

Соединения со степенью окисления +1. Из бинарных соединений водорода в степени окисления +1 в данном разделе будет рассмотрен оксид водорода (вода).

Химически чистая вода представляет собой бесцветную жидкость без вкуса и запаха. Молекула воды - Н₂О - имеет угловое строение. Образование молекулы воды происходит с участием sp³-гибридных орбиталей атома кислорода, две из которых заняты неподеленными электронными парами и поэтому вклада в геометрию молекулы не вносят. Перекрывание двух гибридных орбиталей кислорода и 1s-орбиталей двух атомов водорода приводит к образованию уголковой молекулы. Отталкивающие действие двух неподеленных пар электронов уменьшает валентный угол HOH от 109,5  до 104,5 .

Химическая связь H-O полярна: общая электронная пара смещена к кислороду, как более электроотрицательному элементу. В связи с этим молекула воды представляет собой диполь - электронейтральную частицу, центр тяжести положительного и отрицательного заряда в которой не совпадают. В молекуле воды частичный положительный заряд сосредоточен на атомах водорода, отрицательный полюс диполя локализован на атоме кислорода.

В кристаллическом состоянии каждая молекула воды окружена четырьмя соседями и образует с ними прочные водородные связи. Согласно клатратной теории в жидкой воде существуют микроскопические фрагменты кристаллической структуры льда - клатраты, находящиеся в равновесии с жидкой фазой. Наличие прочных водородных связей объясняет аномально высокие температуры кристаллизации (0 С) и кипения (100 С).

Вода является хорошим растворителем для многих типов органических и неорганических соединений. Способность молекул воды образовывать водородные связи, а также координационные соединения (аквакомплексы) приводит к образованию аддуктов растворенных веществ с молекулами воды - гидратов. Многие вещества выделяются из растворов в виде кристаллогидратов, сохраняя прочные связи с молекулами воды. Можно выделить три типа кристаллогидратов:

1. Клатраты - имеющие кристаллическую структуру льда, полости которой заняты частицами вещества. Такое строение имеют кристаллогидраты солей щелочных металлов, содержащие большое количество воды, например, Na₂SO₄10H₂O, а также кристаллогидраты, образуемые галогенами и инертными газами - Cl₂8H₂O, или Ar6H₂O.

2. Аквакомплексы, содержащие воду, координированную катионом металла, чаще всего переходного, например, CoCl₂6H₂O, точнее [Co(OH₂)₆]Cl₂.

3. Кристаллогидраты, содержащие воду, связанную с частицами вещества водородными связями. Часто этот тип связывания воды реализуется в кристаллогидратах органических веществ.

Нагревание кристаллогидратов приводит к удалению кристаллизационной воды. Обычно этот процесс обратим и добавление воды приводит к образованию исходного соединения, например:

t + 5H₂O

CuSO₄5H₂O  CuSO₄  CuSO₄5H₂O

- 5H₂O

С химической точки зрения вода довольно реакционноспособное вещество, вступающее во взаимодействие с различными простыми и сложными веществами, в том числе с органическими соединениями. Так, щелочные и щелочноземельные металлы бурно реагируют с водой с выделением водорода и образованием щелочей:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂; Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂

Вода активно взаимодействует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, а также со многими кислотными оксидами:

Н₂О + СаО = Са(ОН)₂; Н₂О + SO₂ H₂SO₃

При высоких температурах вода может выступать в качестве окислителя как простых, так и сложных веществ, например:

2Fe + 3H₂O Fe₂O₃ + 3H₂; CH₄ + 2H₂O CO₂ + 4H₂

К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролиза. Причем гидролизу могут подвергаться не только соли, но и другие неорганические и органические соединения, например:

PCl₃ + 3H₂O = H₃PO₃ + 3HCl;

Са₃P₂ + 6H₂O = 3Са(OH)₂ + 2PH₃;

Присоединение молекулы воды по кратным связям (гидратация) - одна из наиболее важных реакций непредельных углеводородов:

H₂C=CH₂ + H₂O CH₃-CH₂-OH

Несмотря на то, что 71% поверхности Земли занимает Мировой океан, перед нашей цивилизацией очень остро стоит проблема пресной воды, поскольку доступно для использования не более 0,3% гидросферы. При общем дефиците пресной воды потребность в ней каждый год возрастает. Она широко используется не только в быту и в сельском хозяйстве, но и в промышленности как реагент, растворитель, теплоноситель и хладагент. Широкомасштабное использование чистой воды сопровождается интенсивным ее загрязнением твердыми отходами и разнообразными химическими веществами антропогенного происхождения - минеральными удобрениями, пестицидами, моющими средствами, фенолами и целлюлозой, соединениями тяжелых металлов, хлор- и фосфорорганическими соединениями, а также нефтью и нефтепродуктами. Загрязнение водоемов представляет непосредственную угрозу для здоровья, а порой и жизни людей. Основной путь решения проблемы чистой воды заключается в разработке и внедрении высокоэффективных методов очистки промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков, а также использование замкнутых технологий. Для очистки воды используется ряд физических и химических методов, основными из которых являются:

• отстаивание и фильтрация;

• коагуляция и адсорбция примесей химическими сорбентами;

• вымораживание и дистилляция;

• аэрирование (насыщение воздухом) и химическая дезинфекция (хлорирование или озонирование);

• биохимическое разрушение загрязнений под действием микроорганизмов.

Кроме оксида водорода хорошо изучен его аналог - оксид дейтерия - D₂O, более известный под названием "тяжелая вода". Тяжелая вода широко применяется в атомной энергетике как замедлитель нейтронов. Реакции с участием тяжелой воды идут медленней, а температура ее кипения (101,4 С) несколько выше по сравнению с H₂O, поэтому при проведении электролиза или дистилляции большого количества воды тяжелая вода накапливается в остатке.