第四部分 元素及其化合物
一、氢与水
【氢】元素符号H，原子序数1，原子量1.0079，核外电子排布式为1s1，氢的电离能为1306.47千焦/摩尔，电负性为2.1。氢在元素周期表中位于第一周期第Ⅰ主族或第Ⅶ主族。氢在自然界中有三种同位素，氕、氘、氚，其中氢-1(1H，氕)相对丰度为99.985％，氢-2(2H，氘也叫重氢)相对丰度为0.016％，这两种氢是在自然界中稳定的同位素。从核反应中还找到质量数为3的同位素氢-3(3H，氚，也叫起重氢)，它在自然界中含量极微。氢在自然界中主要以化合物存在，其中以水和碳氢化合物为主，在大气中含量极微(体积百分比为5×10-5％)，在地壳里的丰度为0.76％。根据光谱分析在太阳和某些星球的大气中含有大量氢气。1776年，英国化学家卡文迪许用金属跟酸作用时发现了氢。氢原子是结构最简单的原子。氢是元素中最轻的元素。氢气的分子式为H2，氢气在通常状况下为无色、无气味的气体，氢气的密度为0.0899克/升，液氢的密度为0.070克/厘米3，熔点-259.14℃，沸点-252.4℃，氢气是最轻的气体(密度最小)，微溶于水(0℃时，每体积水溶解0.0214体积氢气)。氢气有最大的扩散速度，容易通过各种细小的空隙，如钢板。高扩散速度使氢气有高导热性。用氢气冷却物体比用空气冷却约快6倍。氢分子通过电弧或高温，都能离解成氢原子，氢原子在金属表面很快又结合成氢分子，同时放出大量的热，形成氢原子火焰，温度可高达3500℃。
氢气有可燃性，它在空气中燃烧生成水并放出大量的热，当空气中含4.1～75％(体积百分比)氢气时，点火则发生爆炸。氢气跟氧气按一定比例混和时即得爆鸣气，因此，点燃氢气前必须检验氢气的纯度，保证安全。氢气可以跟氟、氯、溴、碘、硫、氮等很多非金属化合生成气态氢化物，其中氢为 1价。氢气还能跟一些碱金属、碱土金属化合生成固态金属氢化物如：LiH、NaH、KH、CaH2、BaH2等，在这些化合物中氢为-1价。这些氢化物属于离子型化合物。氢气有还原性，在一定温度下，氢气可以从某些金属氧化物或非金属氧化物中夺取氧。用氢气可使氧化钨还原为金属钨。在一定温度下，也可从某些金属氯化物或非金属氯化物中夺取氯，使金属或非金属还原出来。氢气还可跟不饱和烃及其衍生物发生加成反应。钯和某些合金如LaNi5等能大量“吸收”氢气，在一定条件下氢气又可以被释放出来，因此钯和这些合金可用做氢气的储运材料。
氢气或氢氦混和气体可用来充填气球，氢气可用来制燃料电池，液氢和液氧可用做火箭的高能燃料，氢原子焰可用来焊接金属。利用氢气的还原性可用来冶炼金属或制纯硅。氢气是重要的化工原料，可用于合成氨、合成盐酸以及有机合成等。
氢气可用下列几种方法制取。(1)电解氢氧化钠水溶液，制得的氢气纯度较高(99.9％)；(2)甲烷转化法，甲烷和水蒸气在高温和镍、钴催化作用下转化成氢气和一氧化碳；(3)水煤气法，用焦炭在高温下跟水蒸气反应；(4)离子型金属氢化物如氢化钙跟水反应；(5)用过渡金属络合物做催化剂，利用太阳能分解水制取氢气是发展氢能源的方向；(6)在实验室中常用锌跟稀硫酸或稀盐酸作用制取少量氢气。
【重氢】符号21H(或D)，又名氘(音刀)，是氢的同位素，质量数为2，原子核中有一质子和一中子。常温下为气体，分子式为D2，分子量为4。沸点-249.7℃，熔点-254.6℃，都高于氢气。
重氢(氘)的化学性质跟氢(氕)相似，但活动性较氢差，跟氧化合生成重水(D2O)，与氮化合生成重氨(ND3)。重氢主要存在于重水中，氢气中含重氢约0.02％。重氢通常通过电解重水，或者通过重水跟锌、铁、钙等反应制得。分馏液态氢，氕先蒸馏出来，剩下氘。人工加速的重氢原子核(即由一个质子和一个中子组成的原子核-氘核)能参与许多核反应。重氢(氘)和超重氢(氚)在极高温度(如1亿K)可发生核聚变反应生成氦，同时释放出巨大能量。核聚变反应也叫热核反应。重氢是制造氢弹的核材料，也是可控热核反应的核燃料。
【超重氢】符号31H或T，原子核由一个质子和两个中子组成，质量数为3，是氢的唯一的放射性同位素。在通常状况下T2是气体，熔点-252.54℃，沸点-248.12℃。化学性质和氢(氕)相似，因为氚比氕重，所以氚的许多反应比氕要慢得多。氚能发射β粒子衰变成质量数为3的氦核，在衰变过程中不发射γ射线，半衰期为12.26年。氚和氘可发生热核反应，放出巨大能量。氚有放射性可用做研究化学反应过程和生物体中物质变化过程时的示踪原子。用高能氘核轰击氘化合物可得到氚。锂的同位素63Li吸收慢中子可产生氚。
【氕】氢的同位素，符号11H。原子核由一个质子组成，详见氢条。
【氘】氢的同位素，详见重氢条。
【氚】氢的同位素，详见超重氢条。
【水】分子式为H2O，水在地球表面上分布最广，约占地球表面的3/4，大气中含有水蒸气，土壤、岩石、动植物体中也含有大量的水，动物体中的水约占70％，新鲜植物体中的水分约占80～90％，地球上水的含量约有2×1018吨。
18世纪以前，人们认为水是一种单质，1781年英国化学家卡文迪许首先发现氢气在空气中燃烧生成的唯一产物是水，证明水是由氢、氧两种元素组成的化合物。几年以后，拉瓦锡测定了水的质量组成。近代结构理论证明，水分子呈V形结构。用X射线测定水的晶体(冰)结构，证明两个O—H键间形成104.5°的键角，由于水分子是不对称结构，故知水是极性分子。实验还证明，水分子通过氢键发生缔合，形成较复杂的分子集团，水沸腾时水蒸气中含有3.5％的双分子水(H2O)2，液态水中含有较复杂的(H2O)n分子(n可以是2、3、4…)，这些较复杂的缔合水分子的化学性质和水(H2O)相同。
纯水是无色、无嗅、无味的液体，深层的天然水呈蓝绿色。水的热容为4.1868焦尔/克?度(1卡/克?度)，在所有液态和固态物质中，水的热容最大。水在4℃时密度为1克/厘米3。在101325帕(1大气压)时，水的沸点为100℃，水的气化热为2.257千焦/克，凝固点是0℃。水是极弱的电解质，可发生自偶离解：
常温下，水的电离常数为1.8×10-16，水的离子积Kw＝1×10-14。
水是较稳定的化合物，在1000℃以上才开始分解。在硫酸或氢氧化钠等存在条件下，电解水可生成氢气和氧气。许多活动性强的金属如K、Na、Ba、Ca等在常温下可跟水反应生成碱和氢气，Mg、Al在加热至水沸腾时跟水反应生成碱和氢气。水可跟许多较活动金属如锌、铁等在高温下反应生成金属氧化物和氢气。水可跟某些非金属反应，如：
2F2 2H2O=4HF O2↑
水可以跟许多碱性氧化物如K2O、Na2O、CaO、BaO、MgO等化合生成碱，水可以和多种酸性氧化物SO3、SO2、CO2、P2O5等化合生成相应的酸。水还能跟某些盐或酯、糖等有机物发生水解反应。
水是一种广泛应用的溶剂，极性物质(如HCl、NaCl等)容易在水中溶解。
【重水】化学式D2O，是氢的同位素重氢(氘)和氧的化合物。式量20.31。普通水中约含重水0.015％。重水是无色、无嗅的液体，密度是1.105克/厘米3，熔点3.82℃，沸点101.42℃。重水在原子核反应堆中用做中子的减速剂，也可用做制取重氢(氘)的原料。大量重水是以天然水为原料，通过电解、蒸馏、与硫化氢双重温度交换再电解等方法制取并富集的。
【双氧水】见过氧化氢条。
【过氧化氢】化学式H2O2，式量34。俗名双氧水。纯者为淡蓝色粘稠液体，密度1.465克/厘米3，熔点-0.41℃，沸点150.2℃。商品一般为30％的水溶液，医疗用3％的稀溶液做消毒剂，洗涤伤口。在过氧化氢分子中有一个过氧原子团—O—O—。每个氧原子各连结一个氢原子。常温时纯过氧化氢相当稳定，当加热到153℃以上时，纯过氧化氢即发生爆炸，分解生成水和氧气。过氧化氢及其水溶液经阳光照射或混有重金属离子(如Mn2 、Cu2 、Cr3 、Fe2 )时都能加速分解。过氧化氢中氧的氧化数是-1，它有向-2或0价态转化的两种可能性，因此，它既有氧化性又有还原性。过氧化氢在酸性介质或碱性介质中都是强氧化剂，它主要用做氧化剂；但若遇到更强的氧化剂时(如KMnO4)，在酸性或碱性介质中，它即用做还原剂。纯过氧化氢可用作某种火箭的氧化剂和推进剂，纺织工业中用作漂白剂。可用硫酸或酸式硫酸盐电解氧化生成过硫酸或过硫酸盐，再经水解后制得；工业上还可以用乙基蒽醌法来制备过氧化氢。
