一般および無機化学

講義6.水素と酸素。 水。 過酸化水素。

水素

水素原子は化学の最も単純な対象です。 厳密に言えば、そのイオン（陽子）はさらに単純です。 1766年にキャベンディッシュによって最初に記述されました。 名前はギリシャ語に由来します。 「ハイドロ遺伝子」-水を生成します。

水素原子の半径は約0.5 * 10-10 mで、そのイオン（陽子）は1.2 * 10-15mです。または50pmから1.2 * 10-3 pmまたは50メートル（CXAの対角線） 1mmまで。

次の1s元素であるリチウムは、Li +の場合は155pmから68pmにのみ変化します。 原子とその陽イオン（5桁）のサイズのこの違いは独特です。

陽子のサイズが小さいため、交換 水素結合、主に酸素、窒素、フッ素原子の間。 水素結合の強度は10〜40 kJ / molであり、これはほとんどの通常の結合の破壊エネルギー（有機分子では100〜150 kJ / mol）よりもはるかに小さいですが、370Cでの熱運動の平均運動エネルギーよりも大きいです。 （4 kJ / mol）。 その結果、生体内では水素結合が可逆的に切断され、重要なプロセスの過程が保証されます。

水素は14Kで溶け、20.3 K（圧力1 atm）で沸騰し、液体水素の密度はわずか71 g / l（水より14倍軽い）です。

希薄な星間物質では、励起された水素原子が、波長18mでn733→732までの遷移で検出されました。これは、0.1 mmのオーダーのボーア半径（r = n2 * 0.5 * 10-10 m）に対応します。 （！）。

宇宙で最も一般的な元素（原子の88.6％、原子の11.3％はヘリウム、そして他のすべての元素の原子はわずか0.1％）。

4H→4He + 26.7 MeV 1 eV = 96.48 kJ / mol

陽子はスピン1/2を持っているので、水素分子には3つの変種があります。

平行核スピンを伴うオルト水素o-H2、平行核スピンを伴うパラ水素p-H2 逆平行スピンと通常のn-H2-75％のオルト水素と25％のパラ水素の混合物。 変換o-H2→p-H2は1418J / molを放出します。

オルト水素およびパラ水素の特性

水素の原子量は可能な限り最小であるため、その同位体である重水素D（2 H）とトリチウムT（3 H）は、物理的および化学的特性がプロチウム1Hとは大きく異なります。 たとえば、有機化合物の水素の1つを重水素で置き換えると、その振動（赤外線）スペクトルに顕著に反映され、複雑な分子の構造を確立することができます。 このような置換（「タグ付き原子の方法」）は、錯体のメカニズムを確立するためにも使用されます

化学的および生化学的プロセス。 トレーサー法は、プロチウムの代わりに放射性トリチウムを使用する場合に特に敏感です（β崩壊、半減期12。5年）。

プロチウムと重水素の性質

					密度、g / l（20 K）
主な方法 水素製造業界で-メタン変換
または800-11000C（触媒）での石炭の水和：
CH4 + H2 O = CO + 3 H2				10000С以上
「水性ガス」：C + H2 O = CO + H2
次にCO変換：CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C、酸化コバルト

合計：C + 2 H2 O = CO2 + 2 H2

その他の水素源。

コークス炉ガス：約55％の水素、25％のメタン、最大2％の重質炭化水素、4〜6％のCO、2％のCO2、10〜12％の窒素。

燃焼生成物としての水素：

Si + Ca（OH）2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

1 kgの花火混合物の場合、最大370リットルの水素が放出されます。

単体の水素は、アンモニアの生成と植物性脂肪の水素化（硬化）、特定の金属酸化物（モリブデン、タングステン）の還元、水素化物（LiH、CaH2、

LiAlH4）。

反応エンタルピー：H。+ H. = H2は-436kJ / molであるため、水素原子を使用して高温還元「火炎」（「ラングミュアバーナー」）を取得します。 電気アーク内の水素の流れは、35,000 Cで30％原子化され、原子の再結合中に50,000Cに達する可能性があります。

液化水素はロケットの燃料として使用されます（酸素を参照）。 陸上輸送のための有望な環境に優しい燃料。 金属水素化物水素アキュムレータの使用に関する実験が進行中です。 たとえば、LaNi5合金は、同じ体積（合金体積と同じ）の液体水素に含まれる水素の1.5〜2倍の水素を吸収できます。

酸素

一般的に受け入れられているデータによると、酸素は1774年にJ.プリーストリーによって、そして独立してK.シェールによって発見されました。 酸素の発見の話は、科学の進歩に対するパラダイムの影響の良い例です（付録1を参照）。

どうやら、酸素は実際には公式の日付よりはるかに早く発見されました。 1620年、コルネリウス・ファン・ドレベルが設計した潜水艦で、誰でもテムズ川（テムズ川内）に乗ることができました。 ボートは十数人の漕ぎ手の努力のおかげで水中を移動しました。 多くの目撃者によると、潜水艦の発明者は、化学的な方法で潜水艦の空気を「リフレッシュ」することにより、呼吸の問題を解決することに成功しました。 ロバートボイルは1661年に次のように書いています。「...ボートの機械的構造に加えて、発明者は化学溶液（酒）を持っていました。

スキューバダイビングの主な秘密と考えられています。 そして時々、空気の通気性のある部分がすでに消費されており、ボートの人々が呼吸するのを困難にしていると確信したとき、彼はこの溶液で満たされた容器を開くことによって、空気をすばやく補充することができました十分に長い時間の呼吸に再び適したものにする重要な部分のそのような内容」。

穏やかな状態の健康な人は、1日あたり約7200リットルの空気を肺に送り込み、720リットルの酸素を取り返しのつかないほど摂取します。 容積6m3の密室では、換気なしで最大12時間、物理的な作業で3〜4時間持ちこたえることができます。 呼吸困難の主な原因は酸素不足ではなく、 二酸化炭素の蓄積 0.3から2.5％まで。

長い間、酸素を生成するための主な方法は「バリウム」サイクル（ブリン法によって酸素を取得する）でした。

BaSO4-t-→BaO + SO3;

5000 C->

BaO + 0.5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

Drebbelの秘密の解決策は過酸化水素溶液である可能性があります：BaO2 + H2 SO4 = BaSO4↓+ H2 O2

パイロ混合物の燃焼中の酸素生成：NaClO3 = NaCl + 1.5 O2 + 50.5 kJ

混合物には、最大80％のNaClO3、最大10％の鉄粉、4％の過酸化バリウム、グラスウールが含まれています。

酸素分子は常磁性（実質的にビラジカル）であるため、その活性は高いです。 有機物は過酸化物形成の段階を経て空気中で酸化されます。

酸素は54.8Kで溶け、90.2Kで沸騰します。

元素酸素の同素体修飾-物質オゾンO3。 地球の生物学的オゾン保護は非常に重要です。 高度20〜25 kmで、バランスが確立されます。

紫外線<280 нм		UV 280-320nm
O2 ----> 2 O *	O * + O2 + M-> O3	O3 -------	> O2 + O
	（M-N2、Ar）

1974年に、25 km以上の高度でフレオンから形成される原子状塩素が、まるで「オゾン」紫外線に取って代わるかのように、オゾンの崩壊を触媒することが発見されました。 この紫外線は皮膚がんを引き起こす可能性があります（米国では、年間最大60万件）。 エアゾール缶のフレオンの禁止は、1978年以来米国で施行されています。

1990年以降、禁止物質のリスト（92か国）には、CH3 CCl3、CCl4、塩素化ブロモ炭化水素が含まれています。これらの生産は2000年までに削減されています。

酸素中の水素の燃焼

反応は非常に複雑であるため（講義3の図）、実際の適用を開始する前に長い研究が必要でした。

1969年7月21日、最初の地球人-N。アームストロングが月面を歩いた。 サターン5ロケット（ヴェルナーフォンブラウンによって設計された）は、3つのステージで構成されています。 1つ目は灯油と酸素、2つ目と3つ目は液体水素と酸素です。 合計468トンの液体O2とH2。 13回の打ち上げが成功しました。

1981年4月以来、米国はスペースシャトルを飛行しています：713トンの液体O2とH2、およびそれぞれ590トンの2つの固体推進剤ブースター（固体燃料の総質量は987トン）。 最初の40kmはTTUに登り、40kmから113kmまでエンジンは水素と酸素で作動します。

1987年5月15日、エネルジアの最初の打ち上げ、1988年11月15日、ブランの最初で唯一の飛行。 打ち上げ重量は燃料の質量である2400トン（灯油

サイドコンパートメント、液体O2およびH2）2000トンエンジン出力125000 MW、ペイロード105トン。

燃焼は常に制御され、成功したわけではありません。

1936年、世界最大の水素飛行船LZ-129「ヒンデンブルク」が建造されました。 容積200,000m3、長さ約250 m、直径41.2 m.1100 hpの4つのエンジンのおかげで、速度135 km / h、 ペイロード 88トン飛行船は大西洋を37回飛行し、3000人以上の乗客を運んだ。

1937年5月6日、米国にドッキングしているときに、飛行船が爆発して全焼しました。 の一つ 考えられる理由-妨害行為。

1986年1月28日、飛行の74秒目に、チャレンジャーは7人の宇宙飛行士と爆発しました。これはシャトルシステムの25回目の飛行です。 その理由は、固体燃料加速器の欠陥です。

デモンストレーション：

爆発性ガス爆発（水素と酸素の混合物）

燃料電池

この燃焼反応の技術的に重要な変形は、プロセスを2つに分割することです。

水素電解酸化（アノード）：2 H2 + 4 OH–-4 e– = 4 H2 O

酸素電解還元（カソード）：O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

そのような「燃焼」が行われるシステム- 燃料電池..。 火力発電所がないため、効率は火力発電所よりもはるかに高いです。

発熱の特別な段階。 最大効率= ∆ G / ∆ H; 水素の燃焼では、94％が得られます。

この効果は1839年以来知られていますが、最初の実用的な燃料電池が実装されました。

20世紀の終わりに宇宙で（ジェミニ、アポロ、シャトル-米国、ブラン-ソ連）。

燃料電池の展望[17]

Ballard Power Systemsのスポークスマンは、ワシントンDCでの科学会議で講演し、燃料電池エンジンは、エネルギーコストの削減、耐久性の向上、プラントサイズの縮小、および迅速な始動能力という4つの主要な基準を満たすと、商業的に実行可能になると強調しました。寒い季節に.... 燃料電池プラントで生成される1キロワットのエネルギーのコストは30ドルに削減する必要があります。 比較のために、2004年には同じ数字が103ドルでしたが、2005年には80ドルに達すると予想されています。 この価格を達成するには、年間少なくとも50万台のエンジンを生産する必要があります。 ヨーロッパの科学者は彼らの予測にもっと慎重であり、自動車産業における水素燃料電池の商業的使用は2020年までに始まると信じています。

10.1水素

「水素」という名前は、化学元素と単体の両方を指します。 素子 水素水素原子で構成されています。 単体 水素水素分子で構成されています。

a）化学元素水素

元素の自然なシリーズでは、水素の序数は1です。元素のシステムでは、水素はIAまたはVIIAグループの最初の期間にあります。

水素は地球上で最も豊富な元素の1つです。 地球の大気、水圏、リソスフェア（これをまとめて地球の地殻と呼びます）の水素原子のモル分率は0.17です。 水、多くのミネラル、石油、天然ガス、植物、動物に含まれています。 人体には平均して約7キログラムの水素が含まれています。

水素には3つの同位体があります。
a）軽水素- 軽水素,
b）重水素- 重水素（D）、
c）超重水素- トリチウム（T）。

トリチウムは不安定な（放射性）同位体であるため、自然界では実際には発生しません。 重水素は安定していますが、ごくわずかです。 w D = 0.015％（すべての陸生水素の質量の）。 したがって、水素の原子量は1 D（1.00794 D）とほとんど変わりません。

b）水素原子

化学コースの前のセクションから、水素原子の次の特性をすでに知っています。

水素原子の原子価能力は、単一の原子価軌道に1つの電子が存在することによって決まります。 イオン化エネルギーが高いと、水素原子は電子をあきらめにくくなり、電子に対する親和性のエネルギーが高すぎないため、水素原子を受け入れる傾向がわずかに生じます。 その結果、化学システムでは、Hカチオンの形成は不可能であり、Hアニオンとの化合物はあまり安定していません。 したがって、水素原子の場合、最も特徴的なのは、その1つの不対電子による他の原子との共有結合の形成です。 そして、陰イオンの形成の場合、および共有結合の形成の場合、水素原子は一価である。
単体では、水素原子の酸化状態はゼロであり、ほとんどの化合物では、水素は+ Iの酸化状態を示し、水素の最も電気陰性の低い元素の水素化物でのみ–Iの酸化状態を示します。
水素原子の原子価能力に関する情報を表28に示します。1つの共有結合によって任意の原子に結合した水素原子の原子価状態は、表に記号「H-」で示されています。

表28。水素原子の原子価能力

原子価状態				化学物質の例
			私 0 -私	HCl、H 2 O、H 2 S、NH 3、CH 4、C 2 H 6、NH 4 Cl、H 2 SO 4、NaHCO 3、KOH H 2 B 2 H 6、SiH 4、GeH 4
				NaH、KH、CaH 2、BaH 2

c）水素分子

二原子水素分子H2は、水素原子がそれらに対して可能な唯一の共有結合によって結合されるときに形成されます。 結合は交換メカニズムによって形成されます。 ちなみに電子雲が重なっているのはs結合です（図10.1 だが）。 原子が同じであるため、結合は無極性です。

水素分子の原子間距離（より正確には、原子が振動するため、平衡原子間距離） r（H – H）= 0.74 A（図10.1 に）、これは軌道半径の合計（1.06 A）よりはるかに小さいです。 その結果、結合した原子の電子雲は深く重なります（図10.1 b）、水素分子の結合が強い。 これは、結合エネルギーの値がかなり大きいこと（454 kJ / mol）によっても証明されます。
分子の形状を境界面（電子雲の境界面と同様）で表すと、水素分子はわずかに変形した（細長い）球の形をしていると言えます（図10.1）。 r).

d）水素（物質）

通常の状態では、水素は無色無臭のガスです。 少量では、それは無毒です。 固体水素は14K（–259°C）で溶け、液体水素は20 K（–253°C）で沸騰します。 低い融点と沸点、液体水素が存在するための非常に狭い温度範囲（わずか6°C）、およびモル融解熱（0.117 kJ / mol）と気化（0.903 kJ / mol）の小さな値水素の分子間結合が非常に弱いことを示しています。
水素の密度r（H 2）=（2 g / mol）:( 22.4 l / mol）= 0.0893 g / l。 比較のために：空気の平均密度は1.29 g / lです。 つまり、水素は空気の14.5倍軽いのです。 それは実質的に水に不溶性です。
水素は室温では不活性ですが、加熱すると多くの物質と反応します。 これらの反応では、水素原子は酸化状態を増加および減少させることができます：Н2+ 2 e-= 2Н–I、Н2-2 e-= 2H + I。
最初のケースでは、水素は、たとえばナトリウムまたはカルシウムとの反応における酸化剤です：2Na + H 2 = 2NaH、（ t）Ca + H 2 = CaH2。 （（ t)
しかし、水素の還元特性はより特徴的です：O 2 + 2H 2 = 2H 2 O、（ t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.（ t)
加熱すると、水素は酸素だけでなく、フッ素、塩素、硫黄、さらには窒素などの他の非金属によっても酸化されます。
実験室では、反応の結果として水素が得られます

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H2。

亜鉛の代わりに鉄、アルミニウム、その他の金属を使用でき、硫酸の代わりにその他の希酸を使用できます。 得られた水素は、水の置換法によって試験管に集められます（図10.2を参照）。 b）または単に逆さにしたフラスコに入れます（図10.2 だが).

産業では、水素は、ニッケル触媒の存在下で800°Cの水蒸気と相互作用することにより、天然ガス（主にメタン）から大量に得られます。

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2（ t、Ni）

または石炭は高温で水蒸気で処理されます：

2H 2 O + C = 2H 2 + CO2。 （（ t)

純粋な水素は、水を電流で分解する（電気分解する）ことによって得られます。

2H 2 O = 2H 2 + O 2（電気分解）。

e）水素化合物

水素化物（水素を含む二元化合物）は、主に2つのタイプに分けられます。
a）揮発性 （分子）水素化物、
b）塩のような（イオン性）水素化物。
元素IVA-元素のVIIAとホウ素は分子水素化物を形成します。 これらのうち、非金属を形成する元素の水素化物のみが安定しています。

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; こんにちは
水を除いて、室温でこれらの化合物はすべてガス状物質であるため、その名前は「揮発性水素化物」です。
非金属を構成する元素のいくつかは、より複雑な水素化物にも含まれています。 たとえば、炭素は一般式Cの化合物を形成します n H 2 n+ 2、C n H 2 n、C n H 2 n–2など、ここで n非常に大きくなる可能性があります（これらの化合物は有機化学によって研究されています）。
イオン性水素化物には、アルカリ、アルカリ土類元素、およびマグネシウムの水素化物が含まれます。 これらの水素化物の結晶は、最高の酸化状態であるMeまたはMe 2のHアニオンと金属カチオンで構成されています（元素系のグループによって異なります）。

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

イオン性水素化物とほとんどすべての分子状水素化物（H 2 OとHFを除く）はどちらも還元剤ですが、イオン性水素化物は分子状水素化物よりもはるかに強い還元特性を示します。
水素化物に加えて、水素は水酸化物といくつかの塩の一部です。 次の章では、これらのより複雑な水素化合物の特性について学習します。
業界で生産される水素の主な消費者は、アンモニアと窒素肥料を生産するためのプラントであり、アンモニアは窒素と水素から直接得られます。

N 2 + 3H 2 2NH 3（ R, t、Pt-触媒）。

2H 2 + CO = CH 3 OH（2H 2 + CO = CH 3 OH（ t、ZnO-触媒）、および塩素と水素から直接得られる塩化水素の製造：

H 2 + Cl 2 = 2HCl。

水素は、冶金学で純金属の製造における還元剤として使用されることがあります。たとえば、Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H2Oです。

1. a）軽水素、b）重水素、c）トリチウムの原子核は何ですか？
2.水素原子のイオン化エネルギーを他の元素の原子のイオン化エネルギーと比較します。 この特性に最も近い水素はどの元素ですか？
3.電子親和力エネルギーについても同じようにします
4.共有結合の分極方向と化合物の水素の酸化状態を比較します。a）BeH 2、CH 4、NH 3、H 2 O、HF。 b）CH 4、SiH 4、GeH4。
5.水素の最も単純な分子式、構造式、および空間式を書き留めます。 最も一般的に使用されているのはどれですか？
6.「水素は空気より軽い」とよく言われます。 これは何を意味するのでしょうか？ この表現はいつ文字通りに解釈できますか、そうでない場合はどうでしょうか。
7.水素化カリウムと水素化カルシウム、およびアンモニア、硫化水素、臭化水素の構造式を作成します。
8.水素の融解と気化のモル熱を知って、対応する特定の量の値を決定します。
9.メインを示す4つの反応のそれぞれについて 化学的特性水素、電子天びんを構成します。 酸化剤と還元剤に注意してください。
10.実験室で4.48リットルの水素を得るのに必要な亜鉛の質量を決定します。
11.メタンと水蒸気の30m 3の混合物から、体積比1：2で、収率80％で得られる水素の質量と体積を決定します。
12.水素とa）フッ素、b）硫黄との相互作用で発生する反応の方程式を作成します。
13.次の反応スキームは、イオン性水素化物の主な化学的性質を示しています。

a）MH + O 2 MOH（ t）; b）MH + Cl 2 MCl + HCl（ t);
c）MH + H 2 O MOH + H 2; d）MH + HCl（p）MCl + H 2
ここで、Mはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、またはセシウムです。 Mがナトリウムの場合、対応する反応の方程式を記述します。 水素化カルシウムの化学的性質を反応方程式で説明します。
14.電子バランス法を使用して、次の反応の方程式を記述し、いくつかの水素化分子の還元特性を説明します。
a）HI + Cl 2 HCl + I 2（ t）; b）NH 3 + O 2 H 2 O + N 2（ t）; c）CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2（ t).

10.2酸素

水素の場合と同様に、「酸素」という言葉は、化学元素と単体の両方の名前です。 単体に加えて「 酸素"（二酸素）化学元素酸素は「」と呼ばれる別の単体を形成します オゾン"（三酸素）。 これらは酸素の同素体修飾です。 物質酸素は酸素O2の分子で構成され、物質オゾンはオゾンO3の分子で構成されます。

a）化学元素酸素

元素の自然な列では、酸素の序数は8です。元素のシステムでは、酸素はVIAグループの2番目の期間にあります。
酸素は地球上で最も豊富な元素です。 地球の地殻では、1つおきの原子が酸素原子です。つまり、地球の大気、水圏、リソスフェアの酸素のモル分率は約50％です。 酸素（物質）- 成分空気。 空気中の酸素の体積分率は21％です。 酸素（元素）は、水、多くのミネラル、そして植物や動物の一部です。 人体には平均43kgの酸素が含まれています。
天然酸素は3つの同位体（16 O、17 O、18 O）で構成されており、そのうち最も軽い同位体16 Oが最も豊富であるため、酸素の原子量は16 D（15.9994 D）に近くなります。

b）酸素原子

あなたは酸素原子の以下の特徴に精通しています。

表29。酸素原子価

原子価状態				化学物質の例
				Al 2 O 3、Fe 2 O 3、Cr 2 O 3 *
			–II -私 0 +私 + II	H 2 O、SO 2、SO 3、CO 2、SiO 2、H 2 SO 4、HNO 2、HClO 4、COCl 2、H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OF 2
				NaOH、KOH、Ca（OH）2、Ba（OH）2 Na 2 O 2、K 2 O 2、CaO 2、BaO 2
				Li 2 O、Na 2 O、MgO、CaO、BaO、FeO、La 2 O 3

*これらの酸化物はイオン性化合物と見なすこともできます。
**分子内の酸素原子は特定の原子価状態ではありません。 これは、酸素原子の酸化状態がゼロに等しい物質の単なる例です。
（水素のような）高いイオン化エネルギーは、酸素原子からの単純な陽イオンの形成を排除します。 電子親和力エネルギーは非常に高く（水素のほぼ2倍）、酸素原子が電子を結合する傾向が大きくなり、O2Aアニオンを形成する能力があります。 しかし、酸素原子に対する電子親和力のエネルギーは、ハロゲン原子やVIA族の他の元素のエネルギーよりもまだ小さいです。 したがって、酸素陰イオン（ 酸化物イオン）酸素と元素の化合物にのみ存在し、その原子は非常に簡単に電子を供与します。
2つの不対電子を結合することにより、酸素原子は2つの共有結合を形成できます。 励起が不可能なため、2つの孤立電子対はドナー-アクセプター相互作用にのみ入ることができます。 したがって、結合と混成の多重度を考慮せずに、酸素原子は5つの原子価状態のいずれかになります（表29）。
酸素原子の最も特徴的なのは、 W k = 2、つまり、2つの不対電子による2つの共有結合の形成。
酸素原子の非常に高い電気陰性度（より高い-フッ素の場合のみ）は、その化合物のほとんどで酸素が–IIの酸化状態を持っているという事実につながります。 酸素が他の酸化状態の値を示す物質があり、そのいくつかを例として表29に示し、比較安定性を図29に示します。 10.3。

c）酸素分子

二原子酸素分子O2には2つの不対電子が含まれていることが実験的に確立されています。 原子価結合の方法を使用すると、この分子のそのような電子構造を説明することはできません。 それにもかかわらず、酸素分子の結合は共有結合に近い性質を持っています。 酸素分子は無極性です。 原子間距離（ r o – o = 1.21 A = 121 nm）は、単純な結合によってリンクされた原子間の距離よりも小さくなります。 モル結合エネルギーは非常に高く、498 kJ / molになります。

d）酸素（物質）

通常の状態では、酸素は無色無臭のガスです。 固体酸素は55K（–218°C）で溶け、液体酸素は90 K（–183°C）で沸騰します。
固体および液体酸素の分子間結合は、液体酸素の存在に関するより広い温度範囲（36°C）およびより高い融解熱（0.446 kJ / mol）および気化（6、83）によって証明されるように、水素よりもいくらか強力です。 kJ / mol）。
酸素は水にわずかに溶けます。0°Cでは、わずか5容量の酸素（ガス！）が100容量の水（液体！）に溶解します。
酸素原子が電子を付着させる傾向が高く、電気陰性度が高いため、酸素は酸化特性しか示さないという事実があります。 これらの特性は、特に高温で顕著です。
酸素は多くの金属と反応します：2Ca + O 2 = 2CaO、3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4（ t);
非金属：C + O 2 = CO 2、P 4 + 5O 2 = P 4 O 10、
および錯物質：CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O、2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO2。

ほとんどの場合、このような反応の結果として、さまざまな酸化物が得られますが（第II章§5を参照）、ナトリウムなどの活性アルカリ金属は、燃焼によって過酸化物に変換されます。

2Na + O 2 = Na 2 O2。

得られた過酸化ナトリウム（Na）2（O-O）の構造式。
酸素の中に置かれたくすぶっている破片が燃え上がる。 これは、純粋な酸素を検出するための便利で簡単な方法です。
産業では、酸素は精留（複雑な蒸留）によって空気から得られ、実験室では、いくつかの酸素含有化合物を熱分解にかけることによって得られます。
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2（200°C）;
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2（150°C、MnO 2-触媒）;
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2（400°C）
さらに、室温での過酸化水素の接触分解により、2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2（MnO 2触媒）。
純粋な酸素は、酸化が発生するプロセスを強化し、高温の炎を生成するために産業で使用されます。 ロケットでは、酸化剤として液体酸素が使用されます。
酸素は、植物、動物、人間の生命を維持するために非常に重要です。 通常の状態では、人は呼吸するのに十分な酸素を持っています。 しかし、十分な空気がない、または空気がまったくない状態（飛行機、ダイビング作業中、宇宙船など）では、特別です ガス混合物酸素を含む。 酸素は、呼吸困難を引き起こす病気の薬にも使用されます。

e）オゾンとその分子

オゾンO3は、酸素の2番目の同素体修飾です。
三原子オゾン分子は、次の式で表される2つの構造の中間にある角のある構造を持っています。

オゾンは、刺激臭のある紺色のガスです。 その強い酸化活性のために、それは有毒です。 オゾンは酸素の1.5倍「重く」、酸素よりわずかに多いので、水に溶けます。
オゾンは、雷放電中に酸素から大気中で形成されます。

3O 2 = 2O 3（）。

常温ではオゾンはゆっくりと酸素に変化し、加熱すると爆発を起こします。
オゾンは地球の大気のいわゆる「オゾン層」に含まれており、太陽放射の有害な影響から地球上のすべての生命を保護します。
一部の都市では、飲料水の消毒（除染）に塩素の代わりにオゾンが使用されています。

次の物質の構造式を描きます：OF 2、H 2 O、H 2 O 2、H 3 PO 4、（H 3 O）2 SO 4、BaO、BaO 2、Ba（OH）2。 これらの物質に名前を付けます。 これらの化合物の酸素原子の原子価状態を説明してください。
各酸素原子の原子価と酸化状態を決定します。
2.リチウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、赤リン、セレンの酸素中での燃焼反応の方程式を作成します（セレン原子は酸化状態+ IVに酸化され、他の元素の原子は最高の酸化状態に酸化されます）。 これらの反応の生成物はどのクラスの酸化物ですか？
3.（通常の条件下で）a）9リットルの酸素からb）8 gの酸素から何リットルのオゾンを得ることができますか？

水は地球の地殻で最も豊富な物質です。 地球の水の質量は1018トンと推定されています。 水は私たちの惑星の水圏の基礎であり、さらに、それは大気中に含まれ、氷の形で地球と高山の氷河の極冠を形成し、さまざまな岩の一部でもあります。 人体の水の質量分率は約70％です。
水は3つすべての中で唯一の物質です 状態の集計独自の特別な名前があります。

水分子の電子構造（図10.4 だが）以前に詳細に調査しました（§7.10を参照）。
O-H結合の極性と角のある形状により、水分子は次のようになります。 電気双極子.

電気双極子の極性を特徴づけるために、「 電気双極子の電気モーメント」または単に " 双極子モーメント」.

化学では、双極子モーメントはデバイで測定されます：1 D = 3.34。 10〜30Cl。 m

水分子には、2つの極性共有結合、つまり2つの電気双極子があり、それぞれに独自の双極子モーメント（および）があります。 分子の総双極子モーメントは、これら2つのモーメントのベクトル和に等しくなります（図10.5）。

（H 2 O）= ,

どこ q 1と q 2-水素原子の部分電荷（+）、および-分子内の原子間O-H距離。 なので q 1 = q 2 = q、a、その後

水分子と他のいくつかの分子の実験的に決定された双極子モーメントを表に示します。

表30。いくつかの極性分子の双極子モーメント

分子		分子		分子

水分子の双極子の性質を考えると、それはしばしば次のように概略的に描かれます。
純水は無色の液体で、無味無臭です。 水の主な物理的特性のいくつかを表に示します。

表31。水のいくつかの物理的特性

融解と気化のモル熱の値が大きい（水素と酸素のモル熱よりも1桁高い）ことは、固体と液体の両方の水分子が非常に緊密に結合していることを示しています。 これらの接続は「 水素結合」.

電気双極子、双極子モーメント、結合極性、分子極性。
水分子の結合形成には、酸素原子の価電子がいくつ関与していますか？
2.水分子内の水素と酸素の間に結合が形成される軌道が重なる場合は？
3.過酸化水素分子H2 O2の結合形成の図を作成します。 この分子の空間構造について何が言えますか？
4. HF、HCl、HBr分子の原子間距離はそれぞれ0.92です。 1.28および1.41。 双極子モーメント表を使用して、これらの分子の水素原子の部分電荷を計算して比較します。
5.硫化水素分子の原子間距離S-Hは1.34に等しく、結合間の角度は92°です。 硫黄原子と水素原子の部分電荷の値を決定します。 硫黄原子の原子価軌道の混成について何が言えますか？

10.4。 水素結合

すでにご存知のように、水素と酸素の電気陰性度の大きな違い（2.10と3.50）により、水分子の水素原子は大きな正の部分電荷を持っています（ q h = 0.33 e）、そして酸素原子はさらに大きな負の部分電荷を持っています（ q h = -0.66 e）。 また、酸素原子には2つの孤立電子対があることを思い出してください。 sp 3-ハイブリッドAO。 ある水分子の水素原子は別の分子の酸素原子に引き付けられ、さらに、水素原子の半分空の1s-AOは、酸素原子の電子対を部分的に受け入れます。 分子間のこれらの相互作用の結果として、 特別な種類分子間結合-水素結合。
水の場合、水素結合は次のように概略的に表すことができます。

最後の構造式では、3つのドット（電子ではなく点線！）が水素結合を示しています。

水素結合は水分子間にだけではありません。 次の2つの条件が満たされた場合に形成されます。
1）分子内に強い極性のN-E結合があります（Eは十分に電気陰性度の高い元素の原子の記号です）。
2）分子内に大きな負の部分電荷と孤立電子対を持つE原子があります。
元素Ｅは、フッ素、酸素および窒素であり得る。 Eが塩素または硫黄の場合、水素結合ははるかに弱くなります。
分子間に水素結合を持つ物質の例：フッ化水素、固体または液体のアンモニア、エチルアルコール、その他多数。

液体フッ化水素では、その分子はかなり長い鎖の水素結合によって結合され、3次元ネットワークは液体および固体のアンモニアで形成されます。
強度に関しては、水素結合は中間です 化学結合および他のタイプの分子間結合。 水素結合のモルエネルギーは通常5〜50 kJ / molの範囲です。
固体の水（つまり氷の結晶）では、すべての水素原子が酸素原子に水素結合し、各酸素原子が2つの水素結合を形成します（孤立電子対の両方を使用）。 この構造により、水素結合の一部が切断され、分子がいくらか高密度に「パック」できる液体の水と比較して、氷が「緩く」なります。 氷の構造のこの特徴は、他のほとんどの物質とは異なり、固体状態の水が液体状態よりも密度が低い理由を説明しています。 水は4°Сで最大密度に達します-この温度では、多くの水素結合が切断され、 熱膨張密度にはまだそれほど強い影響はありません。
水素結合は私たちの生活の中で非常に重要です。 水素結合が形成されなくなったと少し想像してみましょう。 結果のいくつかは次のとおりです。

• 室温の水は、沸点が約–80°Cに下がるため、ガス状になります。
• 氷の密度は液体の水の密度よりも大きいため、すべての貯水池は底から凍結します。
• DNAの二重らせんは存在しなくなります。

与えられた例は、この場合、私たちの惑星の自然が完全に異なるものになることを理解するのに十分です。

水素結合、その形成の条件。
式 エチルアルコール CH 3 –CH 2 –O –H。 この物質の異なる分子のどの原子の間に水素結合が形成されていますか？ それらの形成を説明するために構造式を作成します。
2.水素結合は、個々の物質だけでなく、溶液にも存在します。 構造式を使用して、a）アンモニア、b）フッ化水素、c）エタノール（エチルアルコール）の水溶液で水素結合がどのように形成されるかを示します。 = 2H2O。
これらの反応は両方とも水中で絶えず同じ速度で発生するため、水中では2H 2 O AH 3 O + OHの平衡があります。
このバランスは 自動プロトン分解の平衡水。

この可逆プロセスの直接反応は吸熱反応であるため、加熱すると自動プロトン分解が増加しますが、室温では平衡が左にシフトします。つまり、H 3OおよびOHイオンの濃度は無視できます。 それらは何に等しいですか？
演技大衆の法則によると

しかし、反応した水分子の数は水分子の総数と比較して重要ではないという事実のために、自動プロトン分解中の水分濃度は実質的に変化しないと仮定することができ、2 = constこのような低濃度の反対に帯電したイオン きれいな水この液体が悪いのに電流を流す理由を説明します。

水の自動プロトン分解、水の自動プロトン分解（イオン積）の定数。
液体アンモニアのイオン生成物（沸点–33°C）は2・10 –28です。 アンモニアの自動プロトン分解の方程式を作成します。 純粋な液体アンモニア中のアンモニウムイオンの濃度を決定します。 水と液体アンモニアのどちらの物質が最も高い電気伝導率を持っていますか？

1.水素の取得とその燃焼（還元特性）。
2.酸素の取得とその中の物質の燃焼（酸化特性）。

レッスンの目的。このレッスンでは、おそらく地球上の生命にとって最も重要な化学元素である水素と酸素について学び、それらの化学的性質、およびそれらが形成する単純な物質の物理的性質について学び、酸素の役割について学びます。自然と生命の人の水素。

水素-宇宙で最も一般的な要素。 酸素-地球上で最も豊富な元素。 それらが一緒になって水を形成します-人体の半分以上の質量を構成する物質です。 酸素は私たちが呼吸に必要なガスであり、水なしでは数日間生きることができなかったので、酸素と水素は間違いなく生命に必要な最も重要な化学元素と見なすことができます。

水素原子と酸素原子の構造

したがって、水素は非金属特性を示します。 自然界では、水素はプロチウム、重水素、トリチウムの3つの同位体の形で発生しますが、水素の同位体は物性が大きく異なるため、個別の記号が割り当てられています。

同位体が何であるかを覚えていない、またはわからない場合は、電子教育リソース「1つの化学元素の原子の種類としての同位体」の資料を使用してください。 その中で、1つの元素の同位体が互いにどのように異なるかを学びます。これにより、1つの元素に複数の同位体が存在し、いくつかの元素の同位体についても知ることができます。

したがって、酸素の可能な酸化状態は、-2から+2までの値に制限されます。 酸素が2つの電子を受け入れる（陰イオンになる）か、電気陰性度の低い元素と2つの共有結合を形成すると、–2酸化状態になります。 酸素が別の酸素原子と1つの結合を形成し、電気陰性度の低い元素の原子と2番目の結合を形成すると、–1酸化状態になります。 フッ素（電気陰性度の値が高い唯一の元素）と2つの共有結合を形成すると、酸素は+2酸化状態になります。 1つの結合を別の酸素原子と形成し、2番目の結合をフッ素原子と形成します-+ 1。 最後に、酸素が一方の結合を電気陰性度の低い原子と形成し、もう一方の結合をフッ素と形成すると、酸化状態は0になります。

水素と酸素の物性、酸素同素体

水素-無色、無臭、無味のガス。 非常に軽い（空気の14.5倍軽い）。 水素液化の温度（-252.8°C）は、すべてのガスの中でほぼ最低です（ヘリウムに次ぐ）。 液体と固体の水素は非常に薄い無色の物質です。

酸素-無色のガス、無臭、無味、空気よりわずかに重い。 -182.9°Cの温度でそれは重い青い液体に変わります、-218°Cでそれは青い結晶の形成で固化します。 酸素分子は常磁性です。つまり、酸素は磁石に引き付けられます。 酸素は水に溶けにくい。

1つのタイプの分子のみを形成する水素とは異なり、酸素は同素体を示し、2つのタイプの分子を形成します。つまり、酸素元素は、酸素とオゾンの2つの単純な物質を形成します。

化学的性質と単純な物質の生産

水素。

水素分子の結合は単一ですが、これは自然界で最も強力な単一結合の1つであり、それを破壊するには多くのエネルギーを費やす必要があります。このため、水素は室温では非常に不活性です。 、温度が上昇すると（または触媒の存在下で）、水素は多くの単純な物質および複雑な物質と容易に相互作用します。

化学的観点から、水素は典型的な非金属です。 つまり、活性金属と相互作用して水素化物を形成することができ、その中で-1の酸化状態を示します。 一部の金属（リチウム、カルシウム）では、相互作用は室温でも進行しますが、かなり遅いため、水素化物の合成には加熱が使用されます。

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単純な物質の直接相互作用による水素化物の形成は、活性金属でのみ可能です。 すでにアルミニウムは水素と直接相互作用していません。その水素化物は交換反応によって得られます。

水素はまた、加熱された場合にのみ非金属と反応します。 例外は塩素と臭素のハロゲンで、光によって反応が引き起こされる可能性があります。

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フッ素との反応も加熱を必要とせず、強い冷却や完全な暗闇でも爆発を起こします。

酸素との反応は分岐鎖メカニズムに従って進行するため、反応速度は急速に増加し、酸素と水素の比率が1：2の混合物では、反応は爆発を伴って進行します（このような混合物は「爆発ガス」と呼ばれます）。 "）：：

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硫黄との反応ははるかに穏やかに進行し、実質的に熱の放出はありません。

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窒素とヨウ素との反応は可逆的です：

,

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この状況は、産業におけるアンモニアの生産を非常に複雑にします。このプロセスでは、 高血圧アンモニアの形成に向けた混合平衡のため。 ヨウ化水素は、その合成にはるかに便利な方法がいくつかあるため、直接合成では得られません。

水素は、低活性の非金属（）と直接反応しませんが、それらとの化合物は知られています。

複雑な物質との反応では、ほとんどの場合、水素が還元剤として機能します。 溶液中で、水素は塩から低活性金属（一連の電圧で水素の後に位置する）を減らすことができます：

水素を加熱すると、酸化物から多くの金属を還元できます。 さらに、金属の活性が高いほど、金属を復元するのが難しくなり、これにはより高い温度が必要になります。

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亜鉛よりも活性の高い金属は、水素で還元することはほとんど不可能です。

実験室の水素は、金属との相互作用によって得られます 強酸..。 最も一般的に使用される亜鉛と塩酸：

強電解質の存在下であまり一般的に使用されない水の電気分解：

産業では、水素は塩化ナトリウム溶液の電気分解による苛性ソーダの製造の副産物として得られます。

また、水素は石油精製から得られます。

水の光分解による水素製造は、将来的に最も有望な方法の1つですが、現時点では 産業上の利用この方法は難しいです。

eラーニングリソースを使用する 実験室での作業「水素の取得と性質」と実験室での「水素の性質の還元」。 キップの装置とキリュシュキンの装置の原理を研究します。 キップの装置を使用する方が便利な場合と、キリュシュキンの場合を考えてみてください。 水素は反応でどのような特性を示しますか？

酸素。

酸素分子の結合は二重で非常に強いです。 したがって、酸素は室温ではかなり不活性です。 しかし、加熱すると強い酸化性を示し始めます。

加熱せずに酸素は活性金属（アルカリ、アルカリ土類およびいくつかのランタニド）と反応します：

加熱すると、酸素はほとんどの金属と相互作用して酸化物を形成します。

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,

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銀や活性の低い金属は酸素によって酸化されません。

酸素はまた、ほとんどの非金属と反応して酸化物を形成します。

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それは約2000°Cの非常に高い温度でのみ窒素と相互作用します。

酸素は塩素、臭素、ヨウ素とは反応しませんが、それらの酸化物の多くは間接的に得られます。

酸素とフッ素の相互作用は、ガスの混合物に放電を通過させることによって実行できます。

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フッ化酸素（II）は不安定な化合物であり、分解しやすく、非常に強力な酸化剤です。

溶液中では、酸素は強力ですが、遅い酸化剤です。 原則として、酸素は金属のより高い酸化状態への遷移を促進します。

酸素の存在は、一連の電圧で水素のすぐ後ろにある酸金属に溶解することを可能にすることがよくあります。

加熱すると、酸素は下部金属酸化物を酸化する可能性があります。

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酸素は工業的に化学的方法で生成されるのではなく、空気から蒸留によって得られます。

実験室では、加熱すると、酸素が豊富な化合物（硝酸塩、塩素酸塩、過マンガン酸塩）の分解反応を使用します。

過酸化水素の触媒分解によって酸素を得ることができます：

さらに、上記の水の電気分解反応を使用して酸素を生成することができる。

電子教育リソースの資料を使用して作業します。実験室での作業「酸素とその特性の取得」。

実験室で使用される酸素収集方法の名前は何ですか？ ガスを集める他の方法はありますか、そしてどの方法が酸素を集めるのに適していますか？

タスク1.ビデオ「加熱による過マンガン酸カリウムの分解」をご覧ください。

質問に答える：

1. 1. どの固体反応生成物が水に溶けますか？
   2. 過マンガン酸カリウム溶液の色は何ですか？
   3. マンガン酸カリウム溶液の色は何ですか？

起こっている反応の方程式を書き留めます。 電子バランス法を使用してそれらを均等化します。

ビデオルーム内またはビデオルームで教師と課題について話し合います。

オゾン。

オゾン分子は三原子であり、その結合は酸素分子よりも弱いため、オゾンの化学的活性が高くなります。オゾンは、加熱せずに溶液中または乾燥状態の多くの物質を容易に酸化します。

オゾンは、触媒なしで窒素酸化物（IV）を窒素酸​​化物（V）に、硫黄酸化物（IV）を硫黄酸化物（VI）に簡単に酸化することができます。

オゾンは徐々に分解して酸素を形成します。

オゾンを得るために、特別な装置が使用されます-グロー放電が酸素を通過するオゾン発生器。

実験室では、少量のオゾンを得るために、加熱時にペルオキソ化合物といくつかの高次酸化物の分解反応が使用されることがあります。

電子教育リソースの資料を使って作業します。実験室での作業「オゾンの取得とその特性の研究」。

インディゴ溶液が変色する理由を説明してください。 硝酸鉛と硫化ナトリウムの溶液が混合され、オゾン化された空気が得られた懸濁液を通過するときに発生する反応の方程式を書き留めます。 イオン交換反応は、 イオン方程式..。 酸化還元反応の場合は、電子天びんを作成します。

ビデオルーム内またはビデオルームで教師と課題について話し合います。

水の化学的性質

に慣れるために 物理的特性水とその重要性は、電子教育リソース「水の異常な性質」と「水は地球上で最も重要な液体です」の資料を使用して作業します。

水はすべての生物にとって非常に重要です。実際、多くの生物は水の半分以上で構成されています。 水は最も用途の広い溶媒の1つです（高温高圧では、溶媒としての能力が大幅に向上します）。 化学的観点から、水は酸化水素ですが、水溶液中では（ごくわずかではありますが）水素カチオンと水酸化物アニオンに解離します。

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水は多くの金属と相互作用します。 活性（アルカリ、アルカリ土類、および一部のランタニド）を使用すると、水は加熱せずに反応します。

加熱すると、活性の低いものとの相互作用が発生します。

10.1水素

「水素」という名前は、化学元素と単体の両方を指します。 素子 水素水素原子で構成されています。 単体 水素水素分子で構成されています。

a）化学元素水素

元素の自然なシリーズでは、水素の序数は1です。元素のシステムでは、水素はIAまたはVIIAグループの最初の期間にあります。

水素は地球上で最も豊富な元素の1つです。 地球の大気、水圏、リソスフェア（これをまとめて地球の地殻と呼びます）の水素原子のモル分率は0.17です。 水、多くのミネラル、石油、天然ガス、植物、動物に含まれています。 人体には平均して約7キログラムの水素が含まれています。

水素には3つの同位体があります。
a）軽水素- 軽水素,
b）重水素- 重水素（D）、
c）超重水素- トリチウム（T）。

トリチウムは不安定な（放射性）同位体であるため、自然界では実際には発生しません。 重水素は安定していますが、ごくわずかです。 w D = 0.015％（すべての陸生水素の質量の）。 したがって、水素の原子量は1 D（1.00794 D）とほとんど変わりません。

b）水素原子

化学コースの前のセクションから、水素原子の次の特性をすでに知っています。

水素原子の原子価能力は、単一の原子価軌道に1つの電子が存在することによって決まります。 イオン化エネルギーが高いと、水素原子は電子をあきらめにくくなり、電子に対する親和性のエネルギーが高すぎないため、水素原子を受け入れる傾向がわずかに生じます。 その結果、化学システムでは、Hカチオンの形成は不可能であり、Hアニオンとの化合物はあまり安定していません。 したがって、水素原子の場合、最も特徴的なのは、その1つの不対電子による他の原子との共有結合の形成です。 そして、陰イオンの形成の場合、および共有結合の形成の場合、水素原子は一価である。
単体では、水素原子の酸化状態はゼロであり、ほとんどの化合物では、水素は+ Iの酸化状態を示し、水素の最も電気陰性の低い元素の水素化物でのみ–Iの酸化状態を示します。
水素原子の原子価能力に関する情報を表28に示します。1つの共有結合によって任意の原子に結合した水素原子の原子価状態は、表に記号「H-」で示されています。

表28。水素原子の原子価能力

原子価状態				化学物質の例
			私 0 -私	HCl、H 2 O、H 2 S、NH 3、CH 4、C 2 H 6、NH 4 Cl、H 2 SO 4、NaHCO 3、KOH H 2 B 2 H 6、SiH 4、GeH 4
				NaH、KH、CaH 2、BaH 2

c）水素分子

二原子水素分子H2は、水素原子がそれらに対して可能な唯一の共有結合によって結合されるときに形成されます。 結合は交換メカニズムによって形成されます。 ちなみに電子雲が重なっているのはs結合です（図10.1 だが）。 原子が同じであるため、結合は無極性です。

水素分子の原子間距離（より正確には、原子が振動するため、平衡原子間距離） r（H – H）= 0.74 A（図10.1 に）、これは軌道半径の合計（1.06 A）よりはるかに小さいです。 その結果、結合した原子の電子雲は深く重なります（図10.1 b）、水素分子の結合が強い。 これは、結合エネルギーの値がかなり大きいこと（454 kJ / mol）によっても証明されます。
分子の形状を境界面（電子雲の境界面と同様）で表すと、水素分子はわずかに変形した（細長い）球の形をしていると言えます（図10.1）。 r).

d）水素（物質）

通常の状態では、水素は無色無臭のガスです。 少量では、それは無毒です。 固体水素は14K（–259°C）で溶け、液体水素は20 K（–253°C）で沸騰します。 低い融点と沸点、液体水素が存在するための非常に狭い温度範囲（わずか6°C）、およびモル融解熱（0.117 kJ / mol）と気化（0.903 kJ / mol）の小さな値水素の分子間結合が非常に弱いことを示しています。
水素の密度r（H 2）=（2 g / mol）:( 22.4 l / mol）= 0.0893 g / l。 比較のために：空気の平均密度は1.29 g / lです。 つまり、水素は空気の14.5倍軽いのです。 それは実質的に水に不溶性です。
水素は室温では不活性ですが、加熱すると多くの物質と反応します。 これらの反応では、水素原子は酸化状態を増加および減少させることができます：Н2+ 2 e-= 2Н–I、Н2-2 e-= 2H + I。
最初のケースでは、水素は、たとえばナトリウムまたはカルシウムとの反応における酸化剤です：2Na + H 2 = 2NaH、（ t）Ca + H 2 = CaH2。 （（ t)
しかし、水素の還元特性はより特徴的です：O 2 + 2H 2 = 2H 2 O、（ t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O.（ t)
加熱すると、水素は酸素だけでなく、フッ素、塩素、硫黄、さらには窒素などの他の非金属によっても酸化されます。
実験室では、反応の結果として水素が得られます

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H2。

亜鉛の代わりに鉄、アルミニウム、その他の金属を使用でき、硫酸の代わりにその他の希酸を使用できます。 得られた水素は、水の置換法によって試験管に集められます（図10.2を参照）。 b）または単に逆さにしたフラスコに入れます（図10.2 だが).

産業では、水素は、ニッケル触媒の存在下で800°Cの水蒸気と相互作用することにより、天然ガス（主にメタン）から大量に得られます。

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2（ t、Ni）

または石炭は高温で水蒸気で処理されます：

2H 2 O + C = 2H 2 + CO2。 （（ t)

純粋な水素は、水を電流で分解する（電気分解する）ことによって得られます。

2H 2 O = 2H 2 + O 2（電気分解）。

e）水素化合物

水素化物（水素を含む二元化合物）は、主に2つのタイプに分けられます。
a）揮発性 （分子）水素化物、
b）塩のような（イオン性）水素化物。
元素IVA-元素のVIIAとホウ素は分子水素化物を形成します。 これらのうち、非金属を形成する元素の水素化物のみが安定しています。

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; こんにちは
水を除いて、室温でこれらの化合物はすべてガス状物質であるため、その名前は「揮発性水素化物」です。
非金属を構成する元素のいくつかは、より複雑な水素化物にも含まれています。 たとえば、炭素は一般式Cの化合物を形成します n H 2 n+ 2、C n H 2 n、C n H 2 n–2など、ここで n非常に大きくなる可能性があります（これらの化合物は有機化学によって研究されています）。
イオン性水素化物には、アルカリ、アルカリ土類元素、およびマグネシウムの水素化物が含まれます。 これらの水素化物の結晶は、最高の酸化状態であるMeまたはMe 2のHアニオンと金属カチオンで構成されています（元素系のグループによって異なります）。

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

イオン性水素化物とほとんどすべての分子状水素化物（H 2 OとHFを除く）はどちらも還元剤ですが、イオン性水素化物は分子状水素化物よりもはるかに強い還元特性を示します。
水素化物に加えて、水素は水酸化物といくつかの塩の一部です。 次の章では、これらのより複雑な水素化合物の特性について学習します。
業界で生産される水素の主な消費者は、アンモニアと窒素肥料を生産するためのプラントであり、アンモニアは窒素と水素から直接得られます。

N 2 + 3H 2 2NH 3（ R, t、Pt-触媒）。

2H 2 + CO = CH 3 OH（2H 2 + CO = CH 3 OH（ t、ZnO-触媒）、および塩素と水素から直接得られる塩化水素の製造：

H 2 + Cl 2 = 2HCl。

水素は、冶金学で純金属の製造における還元剤として使用されることがあります。たとえば、Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H2Oです。

1. a）軽水素、b）重水素、c）トリチウムの原子核は何ですか？
2.水素原子のイオン化エネルギーを他の元素の原子のイオン化エネルギーと比較します。 この特性に最も近い水素はどの元素ですか？
3.電子親和力エネルギーについても同じようにします
4.共有結合の分極方向と化合物の水素の酸化状態を比較します。a）BeH 2、CH 4、NH 3、H 2 O、HF。 b）CH 4、SiH 4、GeH4。
5.水素の最も単純な分子式、構造式、および空間式を書き留めます。 最も一般的に使用されているのはどれですか？
6.「水素は空気より軽い」とよく言われます。 これは何を意味するのでしょうか？ この表現はいつ文字通りに解釈できますか、そうでない場合はどうでしょうか。
7.水素化カリウムと水素化カルシウム、およびアンモニア、硫化水素、臭化水素の構造式を作成します。
8.水素の融解と気化のモル熱を知って、対応する特定の量の値を決定します。
9.水素の基本的な化学的性質を示す4つの反応のそれぞれについて、電子天びんを作成します。 酸化剤と還元剤に注意してください。
10.実験室で4.48リットルの水素を得るのに必要な亜鉛の質量を決定します。
11.メタンと水蒸気の30m 3の混合物から、体積比1：2で、収率80％で得られる水素の質量と体積を決定します。
12.水素とa）フッ素、b）硫黄との相互作用で発生する反応の方程式を作成します。
13.次の反応スキームは、イオン性水素化物の主な化学的性質を示しています。

a）MH + O 2 MOH（ t）; b）MH + Cl 2 MCl + HCl（ t);
c）MH + H 2 O MOH + H 2; d）MH + HCl（p）MCl + H 2
ここで、Mはリチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、またはセシウムです。 Mがナトリウムの場合、対応する反応の方程式を記述します。 水素化カルシウムの化学的性質を反応方程式で説明します。
14.電子バランス法を使用して、次の反応の方程式を記述し、いくつかの水素化分子の還元特性を説明します。
a）HI + Cl 2 HCl + I 2（ t）; b）NH 3 + O 2 H 2 O + N 2（ t）; c）CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2（ t).

10.2酸素

水素の場合と同様に、「酸素」という言葉は、化学元素と単体の両方の名前です。 単体に加えて「 酸素"（二酸素）化学元素酸素は「」と呼ばれる別の単体を形成します オゾン"（三酸素）。 これらは酸素の同素体修飾です。 物質酸素は酸素O2の分子で構成され、物質オゾンはオゾンO3の分子で構成されます。

a）化学元素酸素

元素の自然な列では、酸素の序数は8です。元素のシステムでは、酸素はVIAグループの2番目の期間にあります。
酸素は地球上で最も豊富な元素です。 地球の地殻では、1つおきの原子が酸素原子です。つまり、地球の大気、水圏、リソスフェアの酸素のモル分率は約50％です。 酸素（物質）は空気の不可欠な部分です。 空気中の酸素の体積分率は21％です。 酸素（元素）は、水、多くのミネラル、そして植物や動物の一部です。 人体には平均43kgの酸素が含まれています。
天然酸素は3つの同位体（16 O、17 O、18 O）で構成されており、そのうち最も軽い同位体16 Oが最も豊富であるため、酸素の原子量は16 D（15.9994 D）に近くなります。

b）酸素原子

あなたは酸素原子の以下の特徴に精通しています。

表29。酸素原子価

原子価状態				化学物質の例
				Al 2 O 3、Fe 2 O 3、Cr 2 O 3 *
			–II -私 0 +私 + II	H 2 O、SO 2、SO 3、CO 2、SiO 2、H 2 SO 4、HNO 2、HClO 4、COCl 2、H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OF 2
				NaOH、KOH、Ca（OH）2、Ba（OH）2 Na 2 O 2、K 2 O 2、CaO 2、BaO 2
				Li 2 O、Na 2 O、MgO、CaO、BaO、FeO、La 2 O 3

*これらの酸化物はイオン性化合物と見なすこともできます。
**分子内の酸素原子は特定の原子価状態ではありません。 これは、酸素原子の酸化状態がゼロに等しい物質の単なる例です。
（水素のような）高いイオン化エネルギーは、酸素原子からの単純な陽イオンの形成を排除します。 電子親和力エネルギーは非常に高く（水素のほぼ2倍）、酸素原子が電子を結合する傾向が大きくなり、O2Aアニオンを形成する能力があります。 しかし、酸素原子に対する電子親和力のエネルギーは、ハロゲン原子やVIA族の他の元素のエネルギーよりもまだ小さいです。 したがって、酸素陰イオン（ 酸化物イオン）酸素と元素の化合物にのみ存在し、その原子は非常に簡単に電子を供与します。
2つの不対電子を結合することにより、酸素原子は2つの共有結合を形成できます。 励起が不可能なため、2つの孤立電子対はドナー-アクセプター相互作用にのみ入ることができます。 したがって、結合と混成の多重度を考慮せずに、酸素原子は5つの原子価状態のいずれかになります（表29）。
酸素原子の最も特徴的なのは、 W k = 2、つまり、2つの不対電子による2つの共有結合の形成。
酸素原子の非常に高い電気陰性度（より高い-フッ素の場合のみ）は、その化合物のほとんどで酸素が–IIの酸化状態を持っているという事実につながります。 酸素が他の酸化状態の値を示す物質があり、そのいくつかを例として表29に示し、比較安定性を図29に示します。 10.3。

c）酸素分子

二原子酸素分子O2には2つの不対電子が含まれていることが実験的に確立されています。 原子価結合の方法を使用すると、この分子のそのような電子構造を説明することはできません。 それにもかかわらず、酸素分子の結合は共有結合に近い性質を持っています。 酸素分子は無極性です。 原子間距離（ r o – o = 1.21 A = 121 nm）は、単純な結合によってリンクされた原子間の距離よりも小さくなります。 モル結合エネルギーは非常に高く、498 kJ / molになります。

d）酸素（物質）

通常の状態では、酸素は無色無臭のガスです。 固体酸素は55K（–218°C）で溶け、液体酸素は90 K（–183°C）で沸騰します。
固体および液体酸素の分子間結合は、液体酸素の存在に関するより広い温度範囲（36°C）およびより高い融解熱（0.446 kJ / mol）および気化（6、83）によって証明されるように、水素よりもいくらか強力です。 kJ / mol）。
酸素は水にわずかに溶けます。0°Cでは、わずか5容量の酸素（ガス！）が100容量の水（液体！）に溶解します。
酸素原子が電子を付着させる傾向が高く、電気陰性度が高いため、酸素は酸化特性しか示さないという事実があります。 これらの特性は、特に高温で顕著です。
酸素は多くの金属と反応します：2Ca + O 2 = 2CaO、3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4（ t);
非金属：C + O 2 = CO 2、P 4 + 5O 2 = P 4 O 10、
および錯物質：CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O、2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO2。

ほとんどの場合、このような反応の結果として、さまざまな酸化物が得られますが（第II章§5を参照）、ナトリウムなどの活性アルカリ金属は、燃焼によって過酸化物に変換されます。

2Na + O 2 = Na 2 O2。

得られた過酸化ナトリウム（Na）2（O-O）の構造式。
酸素の中に置かれたくすぶっている破片が燃え上がる。 これは、純粋な酸素を検出するための便利で簡単な方法です。
産業では、酸素は精留（複雑な蒸留）によって空気から得られ、実験室では、いくつかの酸素含有化合物を熱分解にかけることによって得られます。
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2（200°C）;
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2（150°C、MnO 2-触媒）;
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2（400°C）
さらに、室温での過酸化水素の接触分解により、2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2（MnO 2触媒）。
純粋な酸素は、酸化が発生するプロセスを強化し、高温の炎を生成するために産業で使用されます。 ロケットでは、酸化剤として液体酸素が使用されます。
酸素は、植物、動物、人間の生命を維持するために非常に重要です。 通常の状態では、人は呼吸するのに十分な酸素を持っています。 しかし、十分な空気がない、または空気がまったくない状態（飛行機、ダイビング操作中、宇宙船など）では、酸素を含む特別なガス混合物が呼吸用に準備されます。 酸素は、呼吸困難を引き起こす病気の薬にも使用されます。

e）オゾンとその分子

オゾンO3は、酸素の2番目の同素体修飾です。
三原子オゾン分子は、次の式で表される2つの構造の中間にある角のある構造を持っています。

オゾンは、刺激臭のある紺色のガスです。 その強い酸化活性のために、それは有毒です。 オゾンは酸素の1.5倍「重く」、酸素よりわずかに多いので、水に溶けます。
オゾンは、雷放電中に酸素から大気中で形成されます。

3O 2 = 2O 3（）。

常温ではオゾンはゆっくりと酸素に変化し、加熱すると爆発を起こします。
オゾンは地球の大気のいわゆる「オゾン層」に含まれており、太陽放射の有害な影響から地球上のすべての生命を保護します。
一部の都市では、飲料水の消毒（除染）に塩素の代わりにオゾンが使用されています。

次の物質の構造式を描きます：OF 2、H 2 O、H 2 O 2、H 3 PO 4、（H 3 O）2 SO 4、BaO、BaO 2、Ba（OH）2。 これらの物質に名前を付けます。 これらの化合物の酸素原子の原子価状態を説明してください。
各酸素原子の原子価と酸化状態を決定します。
2.リチウム、マグネシウム、アルミニウム、シリコン、赤リン、セレンの酸素中での燃焼反応の方程式を作成します（セレン原子は酸化状態+ IVに酸化され、他の元素の原子は最高の酸化状態に酸化されます）。 これらの反応の生成物はどのクラスの酸化物ですか？
3.（通常の条件下で）a）9リットルの酸素からb）8 gの酸素から何リットルのオゾンを得ることができますか？

水は地球の地殻で最も豊富な物質です。 地球の水の質量は1018トンと推定されています。 水は私たちの惑星の水圏の基礎であり、さらに、それは大気中に含まれ、氷の形で地球と高山の氷河の極冠を形成し、さまざまな岩の一部でもあります。 人体の水の質量分率は約70％です。
水は、3つの凝集状態すべてで独自の特別な名前を持つ唯一の物質です。

水分子の電子構造（図10.4 だが）以前に詳細に調査しました（§7.10を参照）。
O-H結合の極性と角のある形状により、水分子は次のようになります。 電気双極子.

電気双極子の極性を特徴づけるために、「 電気双極子の電気モーメント」または単に " 双極子モーメント」.

化学では、双極子モーメントはデバイで測定されます：1 D = 3.34。 10〜30Cl。 m

水分子には、2つの極性共有結合、つまり2つの電気双極子があり、それぞれに独自の双極子モーメント（および）があります。 分子の総双極子モーメントは、これら2つのモーメントのベクトル和に等しくなります（図10.5）。

（H 2 O）= ,

どこ q 1と q 2-水素原子の部分電荷（+）、および-分子内の原子間O-H距離。 なので q 1 = q 2 = q、a、その後

水分子と他のいくつかの分子の実験的に決定された双極子モーメントを表に示します。

表30。いくつかの極性分子の双極子モーメント

分子		分子		分子

水分子の双極子の性質を考えると、それはしばしば次のように概略的に描かれます。
純水は無色の液体で、無味無臭です。 水の主な物理的特性のいくつかを表に示します。

表31。水のいくつかの物理的特性

融解と気化のモル熱の値が大きい（水素と酸素のモル熱よりも1桁高い）ことは、固体と液体の両方の水分子が非常に緊密に結合していることを示しています。 これらの接続は「 水素結合」.

電気双極子、双極子モーメント、結合極性、分子極性。
水分子の結合形成には、酸素原子の価電子がいくつ関与していますか？
2.水分子内の水素と酸素の間に結合が形成される軌道が重なる場合は？
3.過酸化水素分子H2 O2の結合形成の図を作成します。 この分子の空間構造について何が言えますか？
4. HF、HCl、HBr分子の原子間距離はそれぞれ0.92です。 1.28および1.41。 双極子モーメント表を使用して、これらの分子の水素原子の部分電荷を計算して比較します。
5.硫化水素分子の原子間距離S-Hは1.34に等しく、結合間の角度は92°です。 硫黄原子と水素原子の部分電荷の値を決定します。 硫黄原子の原子価軌道の混成について何が言えますか？

10.4。 水素結合

すでにご存知のように、水素と酸素の電気陰性度の大きな違い（2.10と3.50）により、水分子の水素原子は大きな正の部分電荷を持っています（ q h = 0.33 e）、そして酸素原子はさらに大きな負の部分電荷を持っています（ q h = -0.66 e）。 また、酸素原子には2つの孤立電子対があることを思い出してください。 sp 3-ハイブリッドAO。 ある水分子の水素原子は別の分子の酸素原子に引き付けられ、さらに、水素原子の半分空の1s-AOは、酸素原子の電子対を部分的に受け入れます。 分子間のこれらの相互作用の結果として、特別なタイプの分子間結合、つまり水素結合が発生します。
水の場合、水素結合は次のように概略的に表すことができます。

最後の構造式では、3つのドット（電子ではなく点線！）が水素結合を示しています。

水素結合は水分子間にだけではありません。 次の2つの条件が満たされた場合に形成されます。
1）分子内に強い極性のN-E結合があります（Eは十分に電気陰性度の高い元素の原子の記号です）。
2）分子内に大きな負の部分電荷と孤立電子対を持つE原子があります。
元素Ｅは、フッ素、酸素および窒素であり得る。 Eが塩素または硫黄の場合、水素結合ははるかに弱くなります。
分子間に水素結合を持つ物質の例：フッ化水素、固体または液体のアンモニア、エチルアルコール、その他多数。

液体フッ化水素では、その分子はかなり長い鎖の水素結合によって結合され、3次元ネットワークは液体および固体のアンモニアで形成されます。
強度に関しては、水素結合は化学結合と他のタイプの分子間結合の中間にあります。 水素結合のモルエネルギーは通常5〜50 kJ / molの範囲です。
固体の水（つまり氷の結晶）では、すべての水素原子が酸素原子に水素結合し、各酸素原子が2つの水素結合を形成します（孤立電子対の両方を使用）。 この構造により、水素結合の一部が切断され、分子がいくらか高密度に「パック」できる液体の水と比較して、氷が「緩く」なります。 氷の構造のこの特徴は、他のほとんどの物質とは異なり、固体状態の水が液体状態よりも密度が低い理由を説明しています。 水は4°Cで最大密度に達します。この温度では、多くの水素結合が切断されますが、熱膨張は密度にそれほど強い影響を与えません。
水素結合は私たちの生活の中で非常に重要です。 水素結合が形成されなくなったと少し想像してみましょう。 結果のいくつかは次のとおりです。

• 室温の水は、沸点が約–80°Cに下がるため、ガス状になります。
• 氷の密度は液体の水の密度よりも大きいため、すべての貯水池は底から凍結します。
• DNAの二重らせんは存在しなくなります。

与えられた例は、この場合、私たちの惑星の自然が完全に異なるものになることを理解するのに十分です。

水素結合、その形成の条件。
エチルアルコールの式はCH3 –CH 2 –O –Hです。 この物質の異なる分子のどの原子の間に水素結合が形成されていますか？ それらの形成を説明するために構造式を作成します。
2.水素結合は、個々の物質だけでなく、溶液にも存在します。 構造式を使用して、a）アンモニア、b）フッ化水素、c）エタノール（エチルアルコール）の水溶液で水素結合がどのように形成されるかを示します。 = 2H2O。
これらの反応は両方とも水中で絶えず同じ速度で発生するため、水中では2H 2 O AH 3 O + OHの平衡があります。
このバランスは 自動プロトン分解の平衡水。

この可逆プロセスの直接反応は吸熱反応であるため、加熱すると自動プロトン分解が増加しますが、室温では平衡が左にシフトします。つまり、H 3OおよびOHイオンの濃度は無視できます。 それらは何に等しいですか？
演技大衆の法則によると

しかし、反応した水分子の数は水分子の総数と比較して重要ではないという事実のために、自動プロトン分解中の水分濃度は実質的に変化しないと仮定することができ、2 = const純水中の反対に帯電したイオンのこのような低濃度は、この液体が不十分ではあるが、それでも電流を伝導する理由を説明しています。

水の自動プロトン分解、水の自動プロトン分解（イオン積）の定数。
液体アンモニアのイオン生成物（沸点–33°C）は2・10 –28です。 アンモニアの自動プロトン分解の方程式を作成します。 純粋な液体アンモニア中のアンモニウムイオンの濃度を決定します。 水と液体アンモニアのどちらの物質が最も高い電気伝導率を持っていますか？

1.水素の取得とその燃焼（還元特性）。
2.酸素の取得とその中の物質の燃焼（酸化特性）。

私たちの中で 日常生活ほとんどの人がそれらについて知っているほど一般的なものがあります。 たとえば、水は液体であり、簡単に手が届き、燃えないため、消火できることは誰もが知っています。 しかし、なぜこれがそうなのか疑問に思ったことはありますか？

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水は水素原子と酸素原子で構成されています。 これらの要素は両方とも燃焼をサポートします。 したがって、一般的な論理（科学的ではない）に基づくと、水も燃焼する必要がありますよね？ ただし、これは発生しません。

燃焼はいつ起こりますか？

燃焼は、分子と原子が結合して熱と光の形でエネルギーを放出する化学プロセスです。 何かを燃やすには、燃焼源としての燃料（たとえば、紙や木片など）と酸化剤（地球の大気中の酸素が主な酸化剤）の2つが必要です。 また、燃焼プロセスを開始するために、物質の発火温度に到達するために必要な熱も必要です。

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たとえば、マッチを使って紙を燃やすプロセスを考えてみましょう。 この場合、紙が燃料となり、空気中に含まれるガス状酸素が酸化剤として作用し、燃焼マッチにより発火温度に達します。

水の化学組成の構造

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水は2つの水素原子と1つの酸素原子で構成されています。 その化学式はH2Oです。 ここで、水の2つの成分が実際に非常に可燃性であることに注意するのは興味深いことです。

なぜ水素は可燃性物質なのですか？

水素原子は電子が1つしかないため、他の元素と簡単に結合します。 原則として、水素はガスの形で自然に発生し、その分子は2つの原子で構成されています。 このガスは反応性が高く、酸化剤の存在下で急速に酸化し、可燃性になります。

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水素が燃えると大量のエネルギーが放出されるため、宇宙船を宇宙に打ち上げるために液化して使用されることがよくあります。

酸素は燃焼をサポートします

前述のように、燃焼には酸化剤が必要です。 酸素、オゾン、過酸化水素、フッ素などを含む多くの化学酸化剤があります。 酸素は、地球の大気中に過剰に見られる主要な酸化剤です。 これは通常、ほとんどの火災で主な酸化剤です。 そのため、火を続けるには一定の酸素供給が必要です。

水は火を消します

水はさまざまな理由で消火することができます。その1つは、個別に火の地獄を作り出すことができる2つの要素で構成されているにもかかわらず、不燃性の液体であるということです。

水は最も一般的な消火剤です。 画像ソース：pixabay.com

先に述べたように、水素は非常に可燃性が高く、反応を開始するために必要なのは酸化剤と発火温度だけです。 酸素は地球上で最も豊富な酸化剤であるため、水素原子とすばやく結合し、大量の光と熱を放出して水分子を形成します。 これがその仕組みです：

水素と少量の酸素または空気との混合物は爆発性であり、酸水素ガスと呼ばれ、爆発として認識される大きなポップで非常に速く燃焼することに注意してください。 1937年にニュージャージーで起こったヒンデンブルク飛行船の墜落は、飛行船のシェルを満たした水素の点火の結果として数十人の命を奪った。 水素の可燃性と酸素との組み合わせでの爆発性が、実験室で化学的に水を得ない主な理由です。