خواص هیدروژن
هیدروژن سبکترین عنصر است و مولکول آن گازی بی رنگ، بی بود و بی طعم است. خواص هیدروژن در جدول 1-1 خلاصه شده است. دمای جوش و دمای ذوب بسیار کم هیدروژن نشانه‌ای از ضعیف بودن نیروهای جاذبه بین مولکولی در حالتهای مایع و جامد آن است. چگالی هیدروژن در حدود چگالی هواست و انحلالپذیری آن در آب بسیار کم است.
هیدروژن گازی آتشگیر است و با آن باید با احتیاط کارکرد. هیدروژن در دمای زیاد یا بر اثر جرقه الکتریکی با اکسیژن ترکیب شده، آب می دهد. هوایی که حداقل 1/4 درصد تا حداکثر 2/74 درصد حجمی هیدروژن داشته باشد، بالقوه منفجر شونده است.
چون مقدار زیادی انرژی برای گسستن پیوند H-H لازم است. فعالیت شیمیایی این مولکول زیاد نیست و بسیاری از واکنشهای آن کند است. از این رو، انجام یک واکنش رضایتبخش با مولکول 2H به دمای زیاد یا کاتالیزگر نیاز دارد. این کاتالیزگرها در بساری از موارد مولکول را شکسته، به اتم تبدیل یم کنند. اتمهای هیدروژن از نظر شیمیایی بسیار فعالند.
یون +H صرفاً یک پروتون است و هیچ یون مثبت دیگری که دارای بار 1+ باشد به کوچکی بون هیدروژن و چگالی بار هیچ یونی به بزرگی چگالی بار یون +H نیست، زیرا در یون هیدروژن، بار مثبت پروتون کاملاً بدون حفاظ است. اگرچه +H در منطقه بالای جو وجود دارد، ولی معمولاً با یک یا تعداد بیشتری مولکول آب همراه است. یون +H را در محلول آبی به صورت یون هیدرونیوم، +O3H، نشان می دهند.
آرایش الکترونی هیدروژن به صورت است و به دو طریق می تواند به آرایش گاز نجیب بعدی یعنی، هلیم برسد: (1) با اضافه شدن یک الکترون به آن و تشکیل یون هیدرید -H یا (2) توسط اشتراک الکترون با اتم دیگر در یک پیوند کووالانسی. هیدروژن در بیشتر ترکیبهای خود پیوند کووالانسی دارد. مولکول هیدروژن که دو پروتون و دو الکترون دارد، سبکترین و ساده ترین مولکول است. تشکیل پیوند هیدروژنی یکی از خواص ویژه هیدروژنی است که به وسیله پیوند کووالانسی به یک اتم کوچک و کاملاً الکترونگاتیو (مثل فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن) متصل شده است. یون هیدرید فقط از ترکیب هیدروژن با فلزهایی که به آسانی الکترون از دست می دهند، تشکیل می شود. مانند سدیم هیدرید، NaH.
اغلب، مولکول هیدروژن به صورت یک عامل کاهنده عمل می کند و عدد اکسایش آن از صفر به یک تغییر می کند؛ مانند کاهش آهن (II) اکسید به آهن فلزی
تشکیل هیدرید فلزها، مولکول هیدروژن یک عامل کاهنده است و در محصولاتی که به دست می آِد، هیدروژن عدد اکسایش 1+ دارد و به وسیله پیوند کووالانسی به عنصری با الکترونگاتیوی بیشتر متصل شده است. در هیدرید فلزها، عدد اکسایش هیدروژن 1- است.
ایزوتوپهای هیدروژن
هیدروژن سه ایزوتوپ دارد که فراوانترین آنها هیدروژن معمولی (پروتیوم) با عدد جرمی یک است و در هسته خود یک پروتون دارد و با علامت نشان داده می شود. دو ایزوتوپ دیگر هیدروژن عدد جرمی 2 و 3 دارند. ایزوتوپی که دارای عدد جرمی دو است در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد و آن را دوتریم یا هیدروژن سنگین می نامند و آن را با علامت یا D مشخص می کنند. هیدروژنی که دارای عدد جرمی سه است، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و تریتیم خوانده می شود و آن را با علامت یا T مشخص می کنند. تریتیم برخلاف هیدروژن معمولی و دوتریم که هسته پایدار دارند، پرتوزا است. مقدار تریتیم در طبیعت فوق العاده کم است و آن را معمولاً از طریق واکنش هسته ای بین لیتیم و نوترون به دست می‌آورند.
در یک واکنش معین، نسبت اجزای سازنده محصول به دست آمده توسط هر یک از این سه ایزوتوپ یکسان است، زیرا آرایش الکترونی هر سه ایزوتوپ به صورت است. مثلاً در واکنش کلر با هیدروژن معمولی، دوتریم و تریتیم به ترتیب HCl، DCl و TCl تشکیل می شود. تنها تفاوت این واکنشها در سرعت آنهاست که برای هیدروژن معمولی از همه بیشتر و برای تریتیم از همه کمتر است. خواص فیزیکی2H و2D و همچنینO2H وO2D(آب سنگین) در جدول 1-2 با هم مقایسه شده است. توجه کنید که ایزوتوپهای هیدروژن از نظر خواص شیمیایی یکسانند.