Водород в железе и других металлах, страница 12

Если интенсивность силового поля недостаточна для полной ионизации водорода до протона и отрицательный ион не образуется, то атом водорода находится в состоянии возбуждения и частичной ионизации. Возникающие при этом связи имеют промежуточный характер. Они могут быть типа «водородных мостиков», как в системе водород — уран, в другом случае взаимодействие между водородом и металлическим атомом может ограничиться взаимным проникновением верхних электронных слоев или же иметь иной сложный, премежуточный характер. Возбужденный и частично ионизированный атом водорода обладает значительно большим радиусом, чем протон. Не будучи в состоянии проникнуть в электронные оболочки, атом водорода в таком состоянии все же связан с металлическими атомами определенными силами взаимодействия и находится в сфере действия этих сил — в междоузлиях кристаллической решетки металла. Поэтому его присутствие неминуемо приведет к расширению решетки. При изменении внешних условий, например при повышении температуры, поведение системы определяется теми изменениями, которые претерпевают атомная структура водорода и металла и силовое поле системы в целом. Характер кривых растворимости водорода для различных металлов в равных условиях определяется исключительно спецификой атомной структуры металлических атомов в данных условиях и соответствующими им степенью интенсивности и направленностью силового поля системы. Наличие экстремумов прямо указывает на то, что в данных системах при определенных температурных условиях состояние водорода изменяется вследствие изменения характера силовых полей системы.

И легирующие и примесные элементы оказывают существенное влияние на степень окклюзии водорода металлом. Для большинства металлов, начиная с алюминия, присутствие кислорода уменьшает степень окклюзии водорода металлом. При этом действие кислорода тем сильнее, чем правее расположен металл в таблице элементов, а для металлов VIII группы, например для железа, водород и кислород являются просто взаимоисключающими элементами. Для легких же металлов I и II периодов, влияние кислорода имеет противополож-ный характер. Например, присутствие значительных количеств кислорода в бериллии заметно увеличивает окклюзию водорода металлом. Такое различие представляется отнюдь не случайным и обусловлено, по-видимому, сильными электроположительными свойствами наиболее легких элементов I и II групп.

1.5  Химическое взаимодействие

Классификация водородсодержащих соединений представляет собой весьма трудную задачу. Термином «гидрид» называют и химическое соединение водорода с металлом точного стехиометрического состава, и системы водород - металл, в которых отношение атомов представляет собой переменное и дробное число, а тип связи либо весьма различен, либо неопределенен, и просто любую бинарную композицию, содержащую водород, любым образом связанный с другим элементом, включая и галоидоводородные соединения.

Поскольку водород как элемент является основой всего многообразия химических элементов, истинная, имеющая физическое значение классификация водородных производных может быть только отражением периодического закона в его современном физическом понимании. Никакой самостоятельной, независимой от системы Д. И. Менделеева классификации водородных производных быть не может.

Рассмотрение особенностей химического взаимодействия водорода с отдельными элементами позволяет выявить некоторые общие черты, характерные для водородных производных определенных групп периодической системы.

Гидриды элементов I группы — LiH, NaH, KH, RbH и CsH представляют собой истинные химические соединения с преобладающей ионной связью. В обычных условиях это твердые кристаллические вещества, имеющие решетку того же типа, что и хлористый натрий. Все они могут быть получены при непосредственном взаимодействии металла с газообразным молекулярным водородом. Степень устойчивости этих гидридов уменьшается с увеличением атомного веса и атомного номера металла. Наиболее устойчивым является LiH, наименее устойчивым CsH. Характерно, что плотность гидридов щелочных металлов значительно выше плотности соответствующих им чистых металлов.