Двойственное положение водорода в периодической системе химических элементов

Двойственное положение водорода в периодической системе химических элементов

Водород – первый элемент и один из двух представителей первого периода системы. Особенность строения электронной оболочки атома водорода (как и гелия) не позволяет однозначно решить, в какой группе периодической системы он должен находиться.

По электронной формуле 1s1 он формально относится к s-элементам и является аналогом элементов I группы. С щелочными металлами его объединяет сходство атомного спектра, способность давать в растворах гидратированный положительно заряженный ион (H+) (отсюда и восстановительная активность, в частности, способность вытеснять неактивные металлы из различных соединений, например под давлением из растворов их солей или при нагревании из оксидов). Водород и элементы IA группы проявляют степень окисления +1, являются типичными восстановителями и во всех соединениях одновалентны. Однако во многом водород отличается от щелочных металлов:

  1. В состоянии свободного иона H+ водород не имеет ничего общего с ионами щелочных металлов. Протон на несколько порядков меньше катионов любых других элементов, обладает исключительно высоким поляризующим действием и благодаря высокой энергии ионизации атома водорода в соединениях практически не содержится.

  2. У атома водорода отсутствует эффект экранирования.

  3. Единственный электрон атома водорода является кайносимметричным.

  4. Энергия ионизации атома водорода намного больше энергии ионизации атомов щелочных металлов, что следует из пунктов 2 и 3:

    Атом H Li Na K
    Eион (эВ) 13,6 5,39 5,14 4,34


  5. Электроотрицательность водорода намного выше электроотрицательности щелочных металлов:

    Элемент H Li Na K Rb Cs
    Электротрицательность (по Полингу)

    		 2,1 1 0,9 0,8 0,8 0,7

    Что обуславливает не характерный для щелочных металлов ковалентный тип химической связи с сильно электроотрицательными элементами (F, Cl, O, N).

  6. Низкие температуры плавления и кипения.

В то же время водород схож и с галогенами, с которыми его связывает большое число признаков:

  1. Для завершения внешнего электронного слоя атому водорода, как и атомам галогенов не хватает одного электрона.

  2. Близкие значения энергии ионизации:

    Элемент H F Cl Br I
    Eион (эВ) 13,6 17,42 12,96 11,84 10,45


  3. Газообразное состояние (при обычных условиях).

  4. Двухатомность молекул простого вещества.

  5. Ковалентность связи в молекуле.

  6. Наличие в большинстве соединений полярных связей.

  7. Сходство гидридов с галогенидами активных металлов.

  8. Отсутствие электропроводности.

  9. Закономерное изменение свойств в ряду H – At.

    Взаимосвязь между температурами и теплотами диссоциации газообразных простых веществ - водорода и галогенов
    На рисунке: взаимосвязь между температурами и теплотами диссоциации газообразных простых веществ H2, Cl2, Br2, I2.

Можно провести много других аналогичных примеров линейной взаимосвязи свойств в ряду H2 – F2.

Так же, как и в случае щелочных соединений, водород имеет ряд отличий:

  1. Большая энергия связи:

    Элемент

    		 H2 F2 Cl2 Br2 I2
    Eсвязи (кДж/моль)

    		 435 155 243 193 152

    Причина этого – длина химической связи.

  2. Низкая электроотрицательность:

    Элемент H F Cl Br I
    Электротрицательность (по Полингу)

    		 2,1 4,0 3,1 3,0 2,7

  3. МО водорода не имеют ничего общего с МО галогенов.

  4. Малое значение сродства к электрону:

    Элемент H F Cl Br I
    Сродство к электрону (эВ) 0,754 3,398 3,615 3,364 3,061

  5. Отсутствие эффекта экранирования.

  6. Электрон атома водорода кайносимметричен.

Как это неудивительно водород напоминает и элементы IV группы тем, что внешняя электронная оболочка атома заполнена как раз наполовину, как например у углерода.

Эти аналогии при некотором желании можно обнаружить и в химических свойствах, но, видимо, все же лучше признать, что из-за совершенно особенного строения атома настоящих аналогов в периодической системе химических элементов водород не имеет. Не случайно только для соединений водорода в степени окисления +1 имеет место специфический вид связи – водородной. Все это свидетельствует о том, что в периодической системе водороду должно быть отведено особое место. И некоторые авторы (Я. А. Угай) располагают его в одной протяженной клетке над элементами второго периода (исключая неон). И это вполне логично, т.к. первый период содержит всего 2 элемента, один из которых – инертный газ.

В то же время по аналогии с галогенами и щелочными металлами его условно располагают в VII и I группе периодической системы.