Чем отличаются водород и кислород?

Коротко: оба — бесцветные газы при обычных условиях, но ведут себя в химии противоположно. Водород — самый лёгкий и легко воспламеняющийся восстановитель; кислород — тяжёлый по сравнению с водородом и сильный окислитель, поддерживает горение.

Главные различия

• Место в таблице Менделеева

  • Водород (H): порядковый номер 1, s-элемент, особняком.

  • Кислород (O): порядковый номер 8, p-элемент, главная подгруппа VI (16-я группа).

• Строение и атомные свойства

  • Масса: H ≈ 1,008 а.е.м.; O ≈ 15,999 а.е.м.

  • Электроотрицательность (по Полингу): H ~ 2,20; O ~ 3,44 (кислород заметно «жаднее» до электронов).

  • Обычные степени окисления: H чаще +1 (в гидридах металлов — −1); O чаще −2 (в пероксидах −1, в OF₂ — +2).

• Молекулы и магнитные свойства

  • В природе газы двухатомные: H₂ и O₂.

  • H₂ — диамагнитен; O₂ — парамагнитен (имеет два неспаренных электрона).

• Физические свойства при н.у.

  • Плотность: H₂ ~ 0,090 г/л (самый лёгкий газ); O₂ ~ 1,429 г/л (тяжелее воздуха).

  • Температуры фазовых переходов:

    • H₂: плавление ≈ −259 °C, кипение ≈ −253 °C.

    • O₂: плавление ≈ −219 °C, кипение ≈ −183 °C.

  • Растворимость в воде: O₂ растворяется заметнее (поэтому рыбе есть чем дышать), H₂ — очень слабо.

• Химическое «поведение»

  • Водород — восстановитель: легко отдаёт электрон (горит в O₂ с образованием воды).

  • Кислород — окислитель: принимает электроны, резко усиливает горение и коррозию.

  • Реакции с металлами:

    • H образует гидриды (например, NaH).

    • O образует оксиды (Fe₂O₃, Al₂O₃ и т. п.).

  • Реакции с неметаллами:

    • H + Cl₂ → HCl; H + N₂ (через катализ) → NH₃.

    • O образует оксиды неметаллов (SO₂, CO₂) и пероксиды.

• Горючесть и роль в горении

  • H₂ сам по себе горюч и взрывоопасен (широкие пределы взрываемости в воздухе).

  • O₂ негорюч, но мощно поддерживает и ускоряет горение других веществ.

• Распространённость и происхождение

  • Водород — самый распространённый элемент Вселенной (звёзды, межзвёздный газ). На Земле свободного H₂ мало: улетает из атмосферы, «заперт» в воде и органике.

  • Кислород — самый распространённый элемент земной коры и воды; в атмосфере ~21% в виде O₂ (биологическое происхождение — фотосинтез).

• Получение в промышленности

  • H₂: паровой риформинг метана, частичное окисление, электролиз воды.

  • O₂: фракционная перегонка жидкого воздуха, адсорбционные установки (PSA).

• Применения

  • Водород: аммиак (процесс Габера–Боша), гидроочистка топлива, металлургия, полимеры, ракетное и топливные элементы.

  • Кислород: медицина и дыхательные смеси, сталеплавление, резка/сварка, окислительные процессы в химпроме, очистка сточных вод.

• Безопасность

  • H₂: лёгкий, быстро рассеивается, но образует взрывоопасные смеси; необходимы вентиляция и контроль утечек.

  • O₂: повышает пожарную опасность материалов (жиры, органика в обогащённой кислородом атмосфере воспламеняются гораздо легче); запрещены масла на кислородной арматуре.

Итог: водород — лёгкий, горючий восстановитель с низкими температурами конденсации; кислород — более тяжёлый, сильный окислитель, жизненно важный для дыхания и большинства процессов горения/окисления. Они объединяются в воду, где проявляют свои противоположные «характеры»: H — положительная часть молекулы (δ⁺), O — отрицательная (δ⁻), задавая полярность и особые свойства H₂O.