氢气常温下性质稳定,在点燃或加热的条件下能多跟许多物质发生化学反应。
①可燃性(可在氧气中或氯气中燃烧):2H2+O2=点燃=2H2O(化合反应)
(点燃不纯的氢气要发生爆炸,点燃氢气前必须验纯)
H2+Cl2=点燃=2HCl(化合反应)
②还原性(使某些金属氧化物还原)
H2+CuO
Cu+H2O(置换反应)
3H2+Fe2O3=高温=2Fe+3H2O(置换反应)
3H2+WO3
W+3H2O(置换反应)
共价
虽然氢气在通常状态下不是非常活泼,但氢气与绝大多数元素会组成化合物。碳氢化合物已知有数以百万种,但它们不会由氢气和碳直接化合形成。氢气与电负性较强的元素(如卤素)反应,在这些化合物中氢的氧化态为+1。氢与氟、氧、氮成键时,可生成一种较强的非共价的键,称为氢键。氢键对许多生物分子具有重要意义。 氢也与电负性较低的元素(如活泼金属)生成化合物,这时氢的氧化态通常为 -1,这样的化合物称为氢化物。
氢与碳形成的化合物,由于其与生物的关系,通常被称为有机物,研究有机物的学科称为有机化学,而研究有机物在生物中所起的作用的科学称为生物化学。按某些定义,“有机”只要求含有碳。但大多数含碳的化合物通常都含有氢。这些化合物的独特性质主要是由碳氢键决定的。故有时有机物的定义要求物质含有碳氢键。
无机化学中,H- 可以作为桥接配体,连接配合物中的两个金属原子。这样的特性通常在13族元素中体现,尤以、铝配合物和碳中。
氢化物
含有氢元素的二元化合物称为氢化物。“氢化物”一词暗含氢显负价,且其氧化态为-1的意思。氢负离子记做H-,其存在是1916年由吉尔伯特·路易斯预言的。1920年Moers用电解氢化锂,在阳极产生氢气,从而证明了氢化物的存在。对于非IA或IIA族的元素形成的氢化物,“氢化物”一词并不准确,因为氢的电负性并不高。IA族碱金属的氢化物中有一个例外,即高聚物氢化锂。氢化铝锂中4个氢原子紧靠铝原子。虽然氢可与几乎所有的主族元素形成氢化物,但这些氢化物的原子配比却并不单一,例如二元的已发现100多种,但氢化铝只有一种。二元氢化铟还未被发现,但它存在于更大的配合物中。
质子与酸
对氢原子的氧化,也即让氢原子失去其电子,即可得到H+(氢离子)。氢离子不含电子,由于氢原子通常不含中子,故氢离子通常只含1个质子。这也就是为什么常将H+直接称为质子的原因。H+是酸碱理论的重要离子。
裸露的质子H+不能直接在溶液或离子晶体中存在,这是由氢离子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在等离子态物质中,氢离子不会脱离分子或原子的电子云。但是,“质子”或“氢离子”这个概念有时也指带有一个质子的其他粒子,通常也记做“H+”。
为了避免认为溶液中存在孤立的氢离子,一般在水溶液中将水和氢离子构成的离子称为水合氢离子(H3O+)。但这也只是一种理想化的情形。氢离子在水溶液中事实上以类似于H9O4+的形式存在。
尽管在地球上少见,H3+离子(质子化分子氢)却是宇宙中Z常见的离子之一。
可燃性
氢气燃烧
氢气是一种极易燃的气体,在空气中的体积分数为4%至75%时都能燃烧。氢气燃烧的焓变为−286 kJ/mol:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氢气占4%至74%的浓度时与空气混合,或占5%至95%的浓度时与氯气混合时是极易爆炸的气体,在热、日光或火花的刺激下易引爆。氢气的着火点为500 °C。纯净的氢气与氧气的混合物燃烧时放出紫外线。
因为氢气比空气轻,所以氢气的火焰倾向于快速上升,故其造成的危害小于碳氢化合物燃烧的危害。氢气与所有的氧化性元素单质反应。氢气在常温下可自发的和氯气(需要光照)反应 ,氢气和氟气在冷暗处混合就可爆炸,生成具有潜在危险性的酸氯化氢或氟化氢。
在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气,观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯,过一会儿,我们可以看到,纯净的氢气在空气里安静地燃烧,产生淡蓝色的火焰(氢气在玻璃导管口燃烧时,火焰常略带黄色)。用烧杯罩在火焰的上方时,烧杯壁上有水珠生成,接触烧杯的手能感到发烫。
氢气在空气里燃烧,实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应,生成了水并放出大量的热。这个反应的化学方程式是:
2H2+O2=点燃=2H2O
取一个一端开口,另一端钻有小孔的纸筒(或塑料筒等),用纸团堵住小孔,用向下排空气法收集氢气,使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开,拿掉堵小孔的纸团,用燃着的木条在小孔处点火,注意有什么现象发生。(做这个实验时,人要离得远些,注意安全。)
我们可以看到,刚点燃时,氢气在小孔处安静地燃烧,过一小会儿,突然听到“砰”的一声响,爆炸的气浪把纸筒高高炸起。
实验测定,空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%~74.2%,点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上,任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合,遇火时都有可能发生爆炸。因此,当可燃性气体(如氢气、液化石油气、煤气等)发生泄漏时,应杜绝一切火源、火星,禁止产生电火花,以防发生爆炸。
正是由于这个原因,我们在使用氢气时,要特别注意安全。点燃氢气前,一定要检验氢气的纯度。
用排水法收集一试管氢气,用拇指堵住,移近火焰,移开拇指点火,如果听到尖锐的爆鸣声,就表明氢气不纯,需要再收集,再检验,直到响声很小,只有“扑”的一声才表明氢气已纯净。如果用向下排空气法收集氢气,经检验不纯而需要再检验时,应该用拇指堵住试管口一会儿,然后再收集氢气检验纯度,否则会发生爆炸的危险。因为刚检验过纯度的试管内,氢气火焰可能还没有熄灭,如果立刻就用这个试管去收集氢气,氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气,使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿,就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。
另外氢气在氧气过量和低温有催化剂的条件下点燃可生成过氧化氢(H2O2)(氧元素的化合价为-1)