Hidrogenul

Apa



Apa este un lichid incolor, inodor și fără gust care e esențial tuturor formelor de viață și care este un solvent excelent pentru o diversitate mare de substanțe. Apa este un compus chimic al oxigenului și hidrogenului numit oxid de hidrogen, și are formula chimică H2O. 

Răspândire în natură
Apa este una dintre cele mai răspândite substanțe din natură, mai ales în stare lichidă - formă care acoperă mai mult de două treimi din suprafața globului, alcătuind apele de suprafață. 

Dacă în atmosfera saturată cu vapori de apă intervine o scădere de temperatură, o parte din vapori se condensează și iau forma de nori, ceață, polaie, zăpadă, grindină; în timpul nopților răcoroase din anotimpurile călduroase se depune rouă, iar când temperatura solului este sub 0°C, se depune brumă. Toate acestea formează apele meteorice.

Apele căzute pe pământ sau rezultate din topirea zăpezilor, o parte umplu din nou lacurile, râurile, fluviile, mările și oceanele, iar o parte străbat prin straturile de pământ la adâncimi diferite, formând apele freatice. Dacă în calea lor întâlnesc un strat impermeabil, cum ar fi un strat de argilă, ele se adună acolo și formează apele subterane. Dacă apele subterane, circulând prin diferite straturi, se apropie din nou de suprafață și ies din pământ, se formează izvoarele naturale. 

În natură nu există apă chimic pură. Apele naturale conțin cantități variate de diferite substanțe dizolvate. Când conțin numai cantități mici de săruri dizolvate se numesc ape moi, spre deosebire de apele care conțin dizolvate cantități mari de săruri, mai ales de calciu și magneziu, și care se numesc ape dure

Apa de ploaie este cea mai curată dintre toate apele naturale. Fiind însă în contact prelungit cu aerul, ea conține dizolvate componentele acestuia, precum și diferite impurități din aer, ca de exemplu: dioxid de carbon, amoniac, acid azotic, iar în regiunile industriale sau ale orașelor mari, dioxid de sulf, hidrogen sulfurat, etc. 

Apele subterane au compoziția cea mai variată dintre toate apele naturale; cantitatea și natura substanțelor dizolvate depind de natura straturilor de pământ străbătute și de timpul cât apele au fost în contact cu ele. Apele subterane care conțin dizolvate cantități mai mari de diferite substanțe solide sau gazoase, ajungând la suprafață formează izvoarele de ape minerale

După natura substanțelor conținute, apele minerale pot fi:
  • acide (când conțin mult dioxid de carbon),
  • alcaline (când conțin carbonat acid de sodiu),
  • sărate (când conțin clorură de sodiu),
  • amare (când predomină conținutul de sulfați de magneziu și de sodiu),
  • sulfuroase (când conțin sulfuri alcaline),
  • iodurate, arsenicale, feruginoase, etc. 
Apa din râuri are o compoziție variabilă, după compoziția afluenților. Astfel, afluenții bogați în substanțe minerale dizolvate îi pot mări considerabil procentul de săruri. 

Dacă diferite ape reziduale, ca cele de la canalele de scurgere, de la abatoare, fabrici de zahăr, de amidon, de celuloză, etc, ce conțin substanțe de natură vegetală și animală, sunt conduse în râuri sau în ape stătătoare, atunci, mai ales vara, are loc un proces de putrefacție. Însă, bacteriile existente în apă pot descompune materiile organice, transformându-le în dioxid de carbon și apă, proces cunoscut sub numele de autopurificarea apei. Așa se explică de ce apele râurilor mari, deși în ele se varsă apele de canal ale orașelor populate, la o distanță de numai câțiva kilometri de oraș nu mai conțin impuritățile introduse. 

Apa mărilor are un conținut de săruri de 11-25 g/l, iar a oceanelor de 32-38 g/l. Concentrația de săruri este cu mult mai mare în mările închise; de exemplu, în cazul Mării Moarte, concentrația sărurilor este atât de mare, încât viața nu poate exista. 

Purificarea apelor
După scopul folosirii ei, apa trebuie să îndeplinească anumite condiții de puritate. 

Apa potabilă
Pentru a fi bună de băut, apa trebuie să fie limpede, incoloră, fără miros, să aibă temperatura de 7-11°C, să fie lipsită de substanțe în putrefacție și de bacterii patogene; trebuie să conțină însă dizolvate cantități mici de săruri, mai ales de clorură de sodiu și carbonat acid de sodiu (până la circa 600 mg/l) și să fie aerisită, adică să conțină oxigen. (Apa chimic pură, pe lângă gustul neplăcut, are și o acțiune dăunătoare asupra organismului.) Cele mai bune ape potabile sunt ale izvoarelor de la munte, pentru că sunt bine aerisite și lipsite de impurități. Deoarece cele mai multe orașe sunt însă alimentate cu apă de râu, aceasta trebuie în prealabil purificată. Există diferite procedee de purificare:

Sedimentarea se face pentru depunerea prin decantare a impurităților în suspensie. Particulele fine, care nu se separă direct prin sedimentare, sunt precipitate, în mare măsură, prin introducerea de "coagulanți", cum sunt sărurile de aluminiu, de fier, de cupru, gelul de silice, argila feruginoasă tratată în prealabil cu acid sulfuric etc. De exemplu, sulfatul de aluminiu, în prezența carbonatului acid de calciu din apă, trece în hidroxid de aluminiu:

\(Al_2(SO_4)_3\cdot 18H_2O+3Ca(HCO_3)_2\rightarrow 2Al(OH)_3+3CaSO_4+6CO_2+18H_2O\)
care, fiind gelatinos antrenează în căderea sa particulele de impurități în suspensie.

Apa decantată după sedimentare este trecută la filtrare. 

Filtrarea se face trecând apele prin straturi de pietriș și nisip, care rețin aproape toate impuritățile. Microorganismele vii, reținute într-un strat fin la suprafața nisipului, formează cu timpul așa-numita membrană biologică, care reține apoi impuritățile cele mai fine și mai ales microorganismele din apă. 

Sterilizarea are drept scop purificarea apei din punct de vedere biologic, adică îndepărtarea completă a germenilor patogeni și reducerea conținutului de bacterii. Aceasta se poate face prin tratare cu clor (0,1-0,3 g Cl/m3 apă), ozon sau iradiere cu raze ultraviolete. 

Apele industriale
Prin ape industriale se înțeleg apele destinate diferitelor exploatări industriale: pentru alimentarea cazanelor de abus, pentru răcirea mașinilor, pentru încălzire, precum și pentru diferite procese de fabricație. 

Dintre toate apele folosite în diferite industrii, în special apele necesare alimentării cazanelor de abur trebuie să îndeplinească anumite condiții de puritate. Acizii liberi din apă, de exemplu acidul carbonic provenit prin descompunerea carbonaților acizi de calciu și de magneziu sau acidul clorhidric format prin reacția clorurii de magneziu cu apa, oxigenul dizolvat, și rămășițele de uleiuri și alte substanțe, atacă pereții cazanelor. De asemenea, apa de alimentare nu trebuie să fie dură ca să nu depună piatră. 

Piatra de cazan este formată din substanțele minerale greu solubile din apă, mai ales carbonați de calciu și de magneziu și sulfat de calciu, care, în timpul vaporizării apei din cazane, se depun pe pereții acestora sub forma unpr incrustații. Piatra depusă împiedică transmiterea căldurii și de aceea mărește consumul de combustibil necesar vaporizării apei. De exemplu, un strat de piatră de cazan de 3 mm grosime necesită un consum de combustibil mărit cu 20%. De asemenea, încălzirea cazanului nemaifiind uniformă, pereții nu se dilată uniform, ceea ce poate provoca fisuri sau chiar explozia cazanului. 

De aceea, înainte de intrarea apei în cazan se înlătură din ea substanțele care formează piatra. Această operație, numită dedurizare, se poate realiza prin diferite procedee, în funcție de gradul de duritate al apei (vezi Duritatea apei). 

Și apa folosită în alte industrii trebuie să îndeplinească anumite condiții de puritate, care depind de specificul industriei în care este utilizată. Astfel, de exemplu, apa care este necesară la prepararea amoniacului sau a acidului clorhidric trebuie să fie perfect pură; apa întrebuințată în industria zahărului trebuie să îndeplinească condițiile unei ape potabile, iar duritatea ei să fie cât mai mică, deoarece conținutul de săruri înrăutățește procesul de cristalizare a zahărului; la fabricarea berii, calitatea apei folosite are o importanță deosebită, deoarece determină gustul berii; în spălătoriile textile trebuie folosite ape cu duritate foarte scăzută, deoarece sărurile de calciu și magneziu, la spălare cu săpun, formează săpunuri insolubile în apă, care murdăresc țesăturile, etc. 

Purificarea apei se face prin diferite procedee. 

Distilarea, care are ca scop îndepărtarea substanțelor dizolvate, constă în fierberea apei urmată de condensarea vaporilor. 

În laborator, distilarea se face într-un balon de sticlă prevăzut cu un tub lateral introdus într-un refrigerent:
 
Distilarea apei în laborator:
1 - balon cu apă impură;
2 - dop cu termometru;
3 - refrigerent;
4 - vas de colectare. 
 

Apa distilată se colectează într-un vas, iar impuritățile rămân în balonul de distilare. Pentru distilarea unor cantități mai mari de apă se folosește distilatorul, un cazan metalic, al cărui capac este prevăzut cu un tub în spirală așezat într-un vas răcitor prin care circulă apă rece. Vaporii formați în cazan se condensează în tubul-spirală, iar apa rezultată este colectată într-un vas. 

În industrie, în instalațiile pentru obținerea apei distilate, vaporii de apă sunt condensați în sisteme speciale de răcire cu funcționare continuă. Purificarea apei atât în laborator cât și în industrie se face însă de obicei cu ajutorul schimbătorilor de ioni. 

Apă de mare puritate se obține prin electroosmozăPentru aceasta, apa, după o prealabilă purificare, este circulată încet printr-un vas cu pereții poroși, introdus într-o celulă electrolitică, între doi electrozi de grafit, în care circulă un curent de apă de spălare. Ionii, care constituie impuritățile apei, trec prin pereții poroși, atrași spre electrozii respectivi, și sunt antrenați de curentul de apă de spălare. Apa din vasul poros, eliberată de impurități are o conductibilitate specifică foarte mică (de ordinul 10-6).

Apa higroscopică
Multe substanțe ținute în aer rețin apa din atmosferă, fie sub formă de combinații chimice, fie adsorbită la suprafața lor. Apa adsorbită pe suprafață și în porii unei substanțe se numește apă higroscopică. Cantitatea de apă higroscopică reținută de o substanță nu depinde de cantitatea de substanță care o reține, ci de suprafața acesteia. De aceea, substanțele în pulbere, menținute la aer, se umezesc mai ușor decât cele în bucăți mari. 

Apa higroscopică poate fi îndepărtată prin uscarea substanțelor la o temperatură de 105-110°C, în etuvă (în laborator) sau în cuptoare (în industrie). 

Compoziția apei pure
Acum mai bine de două secole, Lavoisier a dovedit experimental că apa este o substanță compusă; trecând vapori de apă peste fier înroșit, el a obținut oxid de fier, Fe3O4, și hidrogen:


\(4H_2O+3Fe\rightarrow Fe_3O_4+4H_2\)


Compoziția apei poate fi stabilită pe cale de analiză sau pe cale de sinteză. 
Molecula de apă fiind foarte stabilă, descompunerea apei în componentele ei poate fi realizată prin disociație termică la temperaturi înalte (peste 1000°C):

\(H_2O\overset{1000^\circ C}{\rightarrow} H_2+\frac{1}{2}O_2;\: \: \: \: \Delta H=-68,4\: kcal/mol\)

Descompunerea apei în componentele ei mai poate fi realizată și prin electroliză. În laborator se poate folosi în acest scop voltametrul:
 


Schema dispozitivului pentru electroliza apei în laborator:
1 - acumulator;
2 - voltametru;
3 - întrerupător.

În voltametru se introduce apă slab acidulată cu acid sulfuric (circa 10%), cu care se umplu și cele două eprubete puse peste electrozi. După închiderea circuitului electric, în eprubete se degajă gaze; când eprubeta de la polul negativ este complet umplută cu gaz (hidrogen), eprubeta de la polul pozitiv este umplută pe jumătate cu gaz (oxigen).

Pentru stabilirea compoziției apei pe cale de sinteză, în laborator se folosește eudiometrul:


        Eudiometru cu mercur

În eudiometru se introduc două volume de hidrogen și un volum de oxigen; nivelul mercurului din tub coboară până la diviziunea respectivă a trei volume de gaz. Când se închide circuitul electric, în eudiometru se produce o scânteie: are loc o explozie și rezultă apă, iar mercurul se ridică în tub. 
La temperatura camerei, apa formată este lichidă. Dacă tubul eudiometric este însă încălzit la temperatura de peste 100°C, apa rămâne în formă de vapori; aceștia ocupă două treimi din volumul ocupat de gaze, înainte de explozie. 

Ținând seamă de raportul de combinare între hidrogen și oxigen (2:1, în volume, respectiv 1:8, în mase) rezultă compoziția masică a apei: 11,1% H2 și 88,9% O2

Proprietăți fizice
Apa este un lichid incolor în cantități mici; privită în straturi groase are o culoare albăstruie-verzuie. Nu are miros și nici gust. Densitatea apei este maximă la 3,98°C, când este egală cu 1. La temperaturi mai mari sau mai mici de 3,98°C densitatea scade (conform tabelului de mai jos). Prin urmare, apa se comportă diferit față de celelalte lichide, a căror densitate scade continuu cu creșterea temperaturii. Acest lucru este extrem de important, atât din punct de vedere climatic, cât și biologic. În timpul iernii, apa de la suprafața râurilor, lacurilor, etc. se răcește și, având densitatea din ce în ce mai mare, se așază la fund, până când temperatura apei scade de la 3,98°C. La micșorarea temperaturii sub 3,98°C, apa, a cărei densitate începe să scadă, și apoi gheața, rămân la suprafață, unde formează un strat izolator față de frigul din afară. În acest fel, apele adânci nu îngheață până la fund, făcând astfel posibilă existența, în timpul iernii, a viețuitoarelor care trăiesc la fundul apelor. 

Caracteristica fizică Valoare
Punct de topire, °C 0,00 (273,16°K)
Punct de fierbere, °C 100,00
Densitatea, g/ml  
la 0°C - solid
0,9168
la 0°C - lichid
0,999868
la 3,98°C
1,00
la 20°C
0,998230
Căldura specifică la 15°C, cal/g 1,00
Căldura de topire, kcal/mol 1,435
Căldura de vaporizare, kcal/mol 9,719
Presiunea de vapori, mm Hg  
la -5°C
3,01
la 0°C
4,58
la 20°C
17,53
la 50°C
92,51
la 100°C
760 (1 At)
Constanta dielectrică la 18°C 80,1
Conductivitatea, la 18°C, \(\Omega\)-1•cm-1 0,04•10-4
Energia de disociere H2O → H++OH-, kcal/mol 117,7

Căldura specifică a apei la 15°C este 1 cal/g. Ea este, în general, mai mare decât la alte substanțe. Din această cauză, temperatura cantităților mari de apă - cum e cazul lacurilor și al mărilor - se schimbă cu mult mai lent decât temperatura rocilor și a solului care alcătuiesc uscatul. Temperatura mai constantă a apei are, de aceea, un rol regulator asupra temperaturii aerului. Așa se explică de ce climatul la țărmul mării variază mai puțin în decursul anotimpurilor decât climatul pe continent. 

Punctul de solidificare: apa se solidifică la 0°C. Spre deosebire de cele mai multe substanțe solide, gheața este mai ușoară decât apa în stare lichidă; în timpul solidificării, volumul apei se mărește cu 9%, astfel că gheața plutește pe apă. Mărirea volumului apei când îngheață poate cauza în timpul iernii spargerea vaselor, cazanelor, conductelor în care se găsește apa, fărâmarea unor stânci din munți prin ale căror crăpături a pătruns apa, etc. 

Căldura latentă de solidificare a apei este de 79,4 cal/g H2O, adică 1.43 kcal/mol H2O. 

După punctul de solidificare al apei, definit ca temperatura la care pot coexista gheața și apa, la presiune normală, a fost fixată temperatura 0°C

Uneori, răcind apa sub 0°C, nu se formează gheața. Acest fenomen se numește subrăcire. Introducând un cristal de gheață în apa subrăcită are loc înghețarea ei bruscă și ridicarea temperaturii la 0°C. 

Punctul de fierbere: la 100°C apa trece în stare de vapori mărindu-și volumul de circa 1700 ori. Căldura latentă de vaporizare a apei (respectiv căldura latentă de condensare a vaporilor de apă) este de 540 cal/g H2O, adică 9,72 kcal/mol H2O. 

După punctul de fierbere al apei, adică temperatura la care pot coexista la echilibru apa și vaporii de apă, la presiune normală, a fost definită temperatura 100°C

Uneori însă, încălzind apa, punctul de fierbere este depășit, fără ca fierberea să se producă; în acest caz are loc o supraîncălzire. Când apa supraîncălzită începe, însă, să fiarbă, atunci, din cauza cantității mari de vapori formați brusc, ea poate fi împroșcată din vasul în care se găsește. Așa se explică anumite explozii ale cazanelor de abur. Pentru a împiedica acest fenomen, în laboratoare se obișnuiește să se introducă în vasele de fierbere obiecte poroase sau cu muchii (cioburi de porțelan, piatră ponce, etc), datorită cărora se favorizează trecerea lichidului în stare de vapori. 

Apa pură are conductibilitate electrică foarte mică datorită ionizării ei proprii extrem de reduse. Se știe că produsul ionic al apei este: [H3O]+•[OH]- → 1,1•10-14 ioni-g/l, la 20°C. 

Deosebit de mare este însă constanta dielectrică a apei (\(\varepsilon\)=81), ceea ce explică puterea ei ionizantă, precum și proprietatea deosebită de dizolvant pe care o posedă. 

Sunt solubile în apă acele substanțe care au în molecule grupe ce pot forma cu apa legături de hidrogen sau compuși care formează ioni hidratați. 

Cationii sunt cu atât mai puternic hidratați, cu cât sarcina lor este mai mare și dimensiunea mai mică. De exemplu, în soluții de concentrații egale, ionul Na+ poate lega opt molecule de apă, pe când ionul K+ poate lega patru molecule de apă. Tot așa, ionul Mg2+ poate lega 14 molecule de apă, pe când ionul Ca2+ poate lega zece molecule de apă. Anionii sunt de obicei mai puțin hidratați decât cationii. De exemplu, ionii de halogeni fixează 2-3 molecule de apă (prin legături de hidrogen). 

Proprietatea de dizolvant a apei are mare importanță în tehnică, deoarece cele mai multe reacții chimice au loc în soluții apoase. Proprietatea de dizolvant a apei are un rol primordial și în natură; astfel, seva plantelor este o soluție apoasă de diferite săruri minerale extrase din sol; reacțiile biochimice sunt reacții în soluții apoase între diferitele substanțe din organismul animal, etc. 

Structura moleculei de apă
 

 
În molecula de apă, nucleele celor doi atomi de hidrogen formează cu centrul atomului de oxigen un unghi de 104°30' (fig. IV, deasupra). Ca urmare a acestei structuri asimetrice, molecula de apă are un moment electric pronunțat. Momentul electric al moleculei de apă este \(\mu\)=1,84 D. 

În atomul de oxigen toți cei trei orbitali p sunt ocupați: un orbital (de exemplu py) cu doi electroni, iar ceilalți doi orbitali (px și pz) cu câte un electron (fig. I, deasupra). Prin urmare, în acest atom cei doi electroni necuplați se cuplează cu câte un electron provenit de la cei doi atomi de hidrogen; întrepătrunderea se face în lungul axelor x - z (fig. II și III, deasupra). Deci, în molecula de apă formată, cele două legături O-H sunt dirijate în unghi drept. 
Faptul că, în realitate, unghiul legăturilor O-H este mai mare de 90°, și anume de 104°30', se datorează în primul rând repulsiilor dintre atomii de hidrogen. 

Pentru explicarea particularităților apei ca: densitatea maximă la 3,98°C, creșterea volumlui la trecerea apei în stare solidă, valoarea ridicată a căldurii latente de topire, etc. s-a admis că moleculele de apă sunt asociate și că trecerea din starea solidă în stare lichidă, de exemplu, este însoțită de o desfacere a moleculelor între ele, care necesită un plus de căldură față de căldura de topire propriu-zisă. Din motive analoge, și căldura latentă de vaporizare are o valoare atât de mare. 

Cercetările efectuate au arătat că, la 100°C, vaporii de apă au o masă moleculară medie de 18,31, deci foarte apropiată de cea corespunzătoare formulei H2O (18,16), ceea ce dovedește că moleculele sunt asociate numai în foarte mică măsură. În stare lichidă, apa este însă formată din asociația unui număr mai mare de molecule prin legături de hidrogen. 

Proprietățile chimice
Datorită caracterului exoterm pronunțat, molecula de apă este stabilă; abia pe la 2500°C, circa 10% din moleculele de apă sunt disociate termic. 

Metalele acționează în mod diferit asupra apei, după poziția lor din seria tensiunilor electrochimice. Astfel, metalele alcaline, ca sodiul sau potasiul, reacționează cu apa chiar la temperatura obișnuită punând hidrogen în libertate. Reacția este atât de puternic exotermă, încât hidrogenul eliberat se aprinde. Calciul reacționează cu apa tot la temperatura obișnuită, însă reacția este lentă. Magneziul reacționează cu apa numai la 100°C. Fierul reacționează cu apa numai la temperaturi înalte. 

Și unele nemetale reacționează cu apa. Astfel, dacă se trec vapori de apă peste cărbune înroșit rezultă oxid de carbon, CO, și hidrogen:

\(H_2O+C\rightarrow CO+H_2\)

Apa reacționează și cu unii oxizi, și anume:
- cu oxizi ai metalelor formează baze; de exemplu, cu oxidul de calciu, CaO, formează hidroxidul de calciu, Ca(OH)2:

\(H_2O+CaO\rightarrow Ca(OH)_2\)
 
- cu oxizi ai nemetalelor formează acizi; de exemplu, cu trioxid de sulf, SO3, formează acid sulfuric, H2SO4:

\(H_2O+SO_3\rightarrow H_2SO_4\)

Hidrați
Atracția între moleculele substanței dizolvate și apa de hidratare este diferită după natura substanței. Uneori apa de hidratare se elimină chiar la evaporarea soluțiilor; alteori însă, apa este atât de puternic legată, încât intră în compoziția cristalelor substanței dizolvate, ca molecule întregi, formând apă de cristalizare. Sunt multe substanțe care cristalizează cu apă de cristalizare: carbonatul de sodiu, Na2CO• 10H2O, clorura de magneziu, MgCl• 6H2O, clorura de calciu, CaCl2 • 6H2O, sulfatul de fier, FeSO4 • 7H2O, sulfatul de aluminiu, Al2(SO4)3 • 18H2O, etc. 

Hidrații au o compoziție chimică definită, care poate fi exprimată prin formulă, și au proprietăți fizice diferite de cele ale apei, precum și de ale substanțelor anhidre de la care derivă. Astfel, sulfatul de cupru anhidru, CuSO4, este o substanță albă, care cristalizează în prisme aciculare; pentahidratul CuSO4 • 5H2O cristalizează din soluție apoasă în cristale triclinice de culoare albastră. 

Se consideră că în sulfatul de cupru pentahidrat, CuSO4 • 5H2O, patru molecule de apă sunt legate de ionul Cu2+ prin legături coordinative ("apă cationică"), iar a cincea moleculă este legată de ionul SO42- prin legături de hidrogen ("apă anionică"). 

Apa mai poate face parte din rețeaua cristalină a unor substanțe, ocupând poziții definite, fără să fie însă legată de anioni sau cationi ("apă de rețea"). De asemenea, ea poate intra în golurile rețelelor cristaline, fără însă să ocupe poziții definite în aceste rețele. Astfel de situații se întâlnesc de exemplu la rășini schimbătoare de ioni, unde pierderile de apă nu produc modificări ale structurii rețelelor cristaline. 

Unele substanțe pot cristaliza cu cantități variabile de apă de cristalizare; de exemplu, chiar în cazul sulfatului de cupru, în afara pentahidratului menționat, mai există un trihidrat, CuSO4 • 3H2O, și un monohidrat, CuSO4 • H2O.

Prin încălzire, hidrații pierd treptat apa de cristalizare până când substanța rămâne anhidră:

CuSO4 • 5H2O → CuSO4 + 5H2O

Cu cât sunt mai puțin stabili, cu atât hidrații se descompun mai repede. De exemplu, carbonatul de sodiu cristalizat, Na2CO3•10H2O, numai expus la aer uscat pierde din apa de cristalizare și capătă aspectul unei pulberi. Asemenea substanțe se numesc eflorescente

Există substanțe anhidre care, lăsate în aer umed, absorb vaporii de apă din atmosferă și trec în hidrați. De exemplu, clorura de magneziu, MgCl2, formează hidrați cu 2, 4, sau 6 molecule de apă. Astfel de substanțe se numesc higroscopice

Când substanța higroscopică continuă să absoarbă apă, astfel încât în timp formează o soluție, aceasta se numește delicvescentă. O substanță foarte delicvescentă este clorura de calciu, CaCl2 • 6H2O. 

Formarea de hidrați este un proces exoterm. Variația entalpiei sistemului la formarea unui mol de hidrat din compusul anhidru și apa lichidă se numește căldura de hidratare. 

 
 




 

Duritatea apei

Duritatea apei
Dintre toate sărurile dizolvate în apă, carbonații, în special carbonatul de calciu, reprezintă un factor de care trebuie să se țină seamă la întrebuințările apei în industrie. 

Prezența în apă a sărurilor mai ales de calciu și de magneziu, formează duritatea apei. Carbonații acizi (de calciu, de magneziu și, uneori, de fier) dizolvați în apă, prin fierbere, se descompun; carbonații neutri rezultați, fiind insolubili, pot fi îndepărtați din apă. Conținutul în carbonați acizi reprezintă duritatea temporară a apei. Celelalte săruri dizolvate care nu pot fi îndepărtate prin fierbere, de exemplu sulfații și clorurile de calciu și de magneziu, reprezintă duritatea permanentă a apei. Suma celor două durități (temporare și permanente) formează duritatea totală a apei. 

Duritatea apei se exprimă în grade de duritate, un grad de duritate reprezentând duritatea cauzată prin dizolvarea a 10 mg CaO într-un litru de apă. Conținutul celorlalte săruri se calculează pe baza cantității echivalente de CaO; de exemplu 10 mg CaO sunt echivalente cu 7,14 mg MgO sau cu 24,3 mg CaSO4

Duritatea apelor în natură variază în limite foarte largi; de exemplu apa de ploaie are duritatea 0,5-15°, apa de râu 4-14°, iar unele ape calcaroase pot avea duritatea până la 60°. Apele cu o duritate peste 30° sunt considerate foarte dure. 

Apele dure nu fac spumă cu săpunul și formează piatră de cazan. Săpunul obișnuit este o sare de sodiu a acizilor grași; el este solubil în apă. Când apa este dură, din sulfatul de calciu conținut în apă și săpun rezultă o sare de calciu a acizilor grași care este insolubilă în apă. De aceea, în tehnică, înainte de folosire, apele sunt supuse unor operații de dedurizare.

Dedurizarea apei
De obicei, dedurizarea se realizează prin metode chimice. Astfel, duritatea temporară se îndepărtează prin tratarea apei cu lapte de var; carbonatul acid de calciu trece în carbonat neutru:

\(Ca(HCO_3)_2+Ca(OH)_2\rightarrow 2CaCO_3+2H_2O\)

Concomitent sunt îndepărtate și sărurile de magneziu eventual prezente, ca de exemplu:

\(MgCl_2+Ca(OH)_2\rightarrow Mg(OH)_2+CaCl_2\)

Duritatea permanentă se îndepărtează prin adăugarea de carbonat de sodiu care reacționează cu sulfatul de calciu din apă; precipită carbonatul de calciu:
 
\(CaSO_4+Na_2CO_2\rightarrow CaCO_3+Na_2SO_4\)
 
Prin tratarea apelor dure cu var și sodă, dedurizarea nu este însă completă. De aceea, pentru o dedurizare mai avansată, se folosește fosfatul trisodic, Na3PO4, care precipită sărurile de calciu și de magneziu, sub formă de fosfați greu solubili:

\(3Ca^{2++2}PO_4^{2-}\rightarrow Ca_3(PO_4)_2\)

Alt procedeu de dedurizare folosește permutiții. Deoarece sărurile de sodiu rezultate prin tratarea apelor cu permutiți nu formează duritate, apele dedurizate cu permutit pot fi folosite pentru cazane cu abur. 

În ultimul timp, pentru dedurizarea apelor industriale se folosesc rășini sintetice, schimbătoare de ioni. Asemenea rășini pot fi cationiți, adică schimbătoare de cationi:

\(CaSO_4+2RH\rightarrow H_2SO_4+R_2Ca\)

\(NaCl+RH\rightarrow HCl+RNa\)
 
Schimbătoarele de ioni pot fi și anioniți, adică schimbătoare de anioni:

\(H_2SO_4+2ROH\rightarrow 2H_2+R_2SO_4\)

\(HCl+ROH\rightarrow H_2O+RCl\)

în care R reprezintă scheletul rășinii sintetice de care se leagă ionii (cationi sau anioni). 

Pentru obținerea unei ape pure, complet demineralizate, apa se tratează mai întâi cu un cationit (H+); aciditatea formată este apoi îndepărtată din apă prin tratarea acesteia cu un anionit (OH-) conform reacțiilor de mai sus. 



 

Hidrogenul, H


Caracteristici generale
Hidrogenul este primul element din tabelul periodic. Hidrogenul are atomul format din nucleu (unde se găsește un  proton) și un singur electron în stratul n=1. Configurația electronică a atomului de hidrogen este 1s1

Datorită proprietăților lui, hidrogenul se apropie de elementele grupei a VII-a principale, dar și într-o măsură de proprietățile elementelor grupei I principale. Într-adevăr, la hidrogen se pot observa două tendințe:

a) Tendința de a accepta un electron, pentru a dobândi configurația atomului de heliu:

\(H^\circ +e\rightarrow H^-\)
Aceasta este formarea ionului de hidrură, H-

Afinitatea pentru electron este mică (0,715 eV). Ionul de hidrură, H-, apare în hidrurile metalelor alcaline și alcalino-pământoase, combinații care, ca și combinațiile acestor metale cu halogenii, au caracter de sare, hidrogenul fiind componenta electronegativă. 

b) Tendința de a ceda electronul, trecând într-un ion pozitiv, un proton:

\(H^\circ -e\rightarrow H^+\)
Aceasta este formarea ionului de hidrogen sau a protonului H+

Ionul pozitiv de hidrogen fiind un nucleu fără electroni, posedă un volum incomparabil mai mic decât alți ioni pozitivi. Diametrul protonului este 0,00001 Å, pe când cel al altor ioni pozitivi variază între 0,2 și 3,3 Å. Prin aceasta, hidrogenul se deosebește de toate celelalte elemente. 

Protonul în stare liberă nu apare în nicio reacție chimică. Potențialul de ionizare al atomului de hidrogen fiind foarte mare (13,5 eV), nu există reacție chimică în care se poate degaja suficientă energie pentru ionizarea atomului de hidrogen. De aceea, ionul de hidrogen există numai legat coordinativ  de alte molecule. Așa, de exemplu, se leagă de atomul de oxigen din molecula de apă, formând un ion de hidroniu, H3O+

\(H^++H:\ddot{\underset{\cdot \cdot }{O}}:H\rightarrow \left [ H :\underset{\ddot{H}}{\ddot{O}}:H \right ]^+\)

Hidrogenul manifestă și tendința de a se lega covalent:

\(H\cdot \: \: +\: \: \cdot R\rightarrow H\cdot \cdot R\)

În această formă, legat covalent, hidrogenul se găsește legat de majoritatea nemetalelor: NH3, H2O, H2S, HCl, CH4, etc. 
De asemenea, trebuie amintită proprietatea hidrogenului de a forma legături (punți) de hidrogen

Răspândirea în natură
În stare liberă, hidrogenul este foarte puțin răspândit în natură; în atmosferă, în apropierea pământului, se găsește doar sub formă de urme (5 x 10-5 %). Uneori se mai găsește în amestec cu alte gaze, în emanațiile vulcanice. S-au identificat cantități mari de hidrogen în jurul soarelului și al altor aștri. Sub formă combinată, hidrogenul este însă foarte răspândit în natură, el fiind componenta apei și a majorității compușilor organici. 

Preparare
În laborator, hidrogenul se obține din diferite combinații prin reacții de substituție cu un metal. Aceasta este reacția generală:

\(2H^++2M\rightarrow 2M^++H_2\)

a) Obținerea hidrogenului din acizi: notând acidul sub forma generală HR, reacția este:

\(2HR+2M\rightarrow 2MR+H_2\)

Ca acid se folosesc acidul clorhidric sau acidul sulfuric diluat, iar ca metal, zincul sau fierul:

\(2HCl+Zn\rightarrow ZnCl_2+H_2\)
Prepararea se face de obicei în aparatul Kipp. 
 
b) Obținerea hidrogenului din apă: Sodiul sau potasiul reacționează cu apa la temperatura obișnuită; rezultă hidroxid de sodiu, NaOH, sau hidroxid de potasiiu, KOH, și hidrogen:

\(2Na +2H_2O\rightarrow 2NaOH+H_2\)

Acțiunea acestor metale asupra apei este atât de energică încât hidrogenul care se formează se aprinde din cauza temperaturii ridicate și arde cu flacără colorată în galben - în cazul sodiului, și în violet - în cazul potasiului. 

Și alte metale reacționează cu apa cu formare de hidrogen, dar în condiții diferite de temperatură, în funcție de reactivitatea metalului. De exemplu, cu magneziu, reacția începe de la 70°C. 

c) Obținerea hidrogenului din hidruri metalice: Hidrogenul poate fi obținut și prin reacția unei hidruri metalice cu apa, de exemplu reacția hidrurii de calciu cu apa, din care se obține hidrogen și hidroxid de calciu:

\(CaH_2+2H_2O\rightarrow Ca(OH)_2+2H_2\)
 
d) Obținerea hidrogenului din hidroxizi alcalini: Unele metale, precum zincul sau aluminiul, care nu descompun apa la temperatura obișnuită, acționează asupra apei alcalinizate cu baze tari:

\(Zn+2KOH+2H_2O\rightarrow K_2[Zn(OH)_4]+H_2\)

\(2Al+2NaOH+6H_2O\rightarrow 2Na[Al(OH)_4]+3H_2\)

Industrial, hidrogenul se prepară prin următoarele metode:

a) Acțiunea vaporilor de apă asupra cărbunelui la temperatură înaltă: Prin trecerea vaporilor de apă peste cărbune (cocs) încălzit, la o temepratură mai mare de 1000°C, se obține un amestec de hidrogen și oxid de carbon, numit gaz de apă: 

\(C+H_2O\overset{1000^\circ C}{\rightarrow}CO+H_2\)

În timpu reacției se formează și dioxid de carbon:

\(C+2H_2O{\rightarrow}CO_2+2H_2\)

Hidrogenul poate fi separat din acest amestec, fie prin lichefiere parțială (oxidul de carbon lichefiindu-se la -190°C, hidrogenul rămâne în stare gazoasă), fie trecând gazul de apă în amestec cu vapori de apă peste un catalizator, la temperatură de circa 400°C, când are loc transformarea oxidului de carbon în dioxid de carbon:

\(CO +H_2O(vapori)\rightarrow CO_2+H_2\)
care se îndepărtează apoi prin spălare cu apă sub presiune, sau cu leșie alcalină. 

\(3Fe+4H_2O(vapori)\rightarrow Fe_3O_4+4H_2\)

Din oxidul de fier format se poate obține din nou fierul, trecând peste oxidul de fier un curent de oxid de carbon (din gaz de apă):

\(Fe_3O_4+4CO\rightarrow 3Fe+4CO_2\)

În acest fel, aceeași cantitate de fier poate fi folosită de repetate ori. Metoda a avut în trecut importanță tehnică. 

c) Obținerea hidrogenului prin electroliza apei: Procedeul reprezintă o metodă industrială de obținere a hidrogenului concomitent cu obținerea oxigenului. Acest procedeu este economic atunci când există curent electric ieftin (centrale hidroelectrice) și oxigenul rezultat concomitent are întrebuințare. Altfel se preferă obținerea hidrogenului ca produs secundar la electroliza unei soluții de clorură de sodiu (pentru fabricarea sodei caustice), așa cum se obține în fabricile de sodă caustică de la noi din țară. 

d) Obținerea hidrogenului prin disocierea termică a unor hidrocarburi: De exemplu, metanul, CH4, trecut peste un catalizator, la temperatura de 1100°C, se descompune în carbon și hidrogen:

\(CH_4\overset{catalizator; \: 1100^\circ C}{\rightarrow}C+2H_2\)

Operația se numește cracare. Pentru a împiedica depunerea pe catalizator a carbonului format, metanului i se adaugă vapori de apă; în acest caz rezultă, pe lângă hidrogen, și oxid sau dioxid de carbon, în funcție de cantitatea de apă introdusă:
 
 
\(CH_4+H_2O(vapori)\rightarrow CO+3H_2;\: \: \: \Delta H=+48,9\: kcal/mol\)

\(CH_4+2H_2O(vapori)\rightarrow CO_2+4H_2;\: \: \: \Delta H=+36,5\: kcal/mol\)

Oxizii de carbon formați sunt îndepărtați prin diferite metode și hidrogenul rămâne pur.
Acest procedeu este aplicabil în țările unde sunt izvoare bogate de gaze naturale. În România există instalații pentru obținerea hidrogenului prin această metodă. 

e) Obținerea hidrogenului din gazele de cocserie: Gazele de cocserie, obținute la distilarea huilei la circa 1000°C, conțin un procent mare de hidrogen (aprximativ 50%). Separarea de celelalte gaze din amestec se poate face prin distilare fracționată la temperaturi joase. 

Proprietăți fizice
La temperatură obișnuită, hidrogenul este un gaz fără culoare, fără miros și fără gust. Este cel mai ușor dintre toate gazele, fiind de 14,38 ori mai ușor decât aerul. În apă se dizolvă foarte puțin. 

Constantele fizice ale hidrogenului
 
Masa atomică: 1,008
Densitatea în raport cu aerul: 0,069 g/cm3
Punctul de lichefiere: -252,8°C
Punctul de topire: -257,3°C
Conductibilitatea termică (0°C): \(\lambda\)=0,000412 cal/cm • s • grad
Solubilitatea în apă (18°C): 0,0185 vol/1 vol. apă
Căldura de formare a moleculei H2 din atomi (0°K): 102,72 kcal/mol H2
Distanța între nuclee H-H: 0,75 Å
Momentul electric: 0
Potențialul de ionizare: 13,595 eV(*)
Afinitatea pentru electron: 0,715 eV
Electronegativitatea (conform Linus Pauling): 2,1

(*) Pentru determinarea energiei de ionizare, în kcal/mol, se înmulțește valoarea potențialului de ionizare, în eV, cu factorul de transformare 23,053. Pentru hidrogen, energia de ionizare este 313,4 kcal/mol. 

Din cauza masei moleculare mici, hidrogenul are cea mai mare putere de difuziune dintre toate gazele; el străbate cu ușurință membrane poroase. La temperatură înaltă, hidrogenul poate difuza prin unele metale ca fierul, platina, precum și prin cuarț. Hidrogenul este caracterizat printr-o deosebită conductibilitate termică și electrică. 

Proprietăți chimice
Hidrogenul este puțin reactiv la temperatura obișnuită. În anumite condiții însă, reacționează cu numeroase substanțe simple și compuse. 

Combinațiile hidrogenului cu substanțe simple
Hidrogenul se combină direct cu halogenii formând acizi halogenați. Astfel, cu luorul, cel mai electronegativ element, hidrogenul se combină cu explozie formând acid fluorhidric:

\(H_2+F_2\rightarrow 2HF;\: \: \: \Delta H=-64,2\: kcal/mol\)

Cu clorul, hidrogenul se combină sub influența luminii formând acid clorhidric:

\(H_2+Cl_2=2HCl;\: \: \: \Delta H=21,9\: kcal/mol\)

Prin combinarea hidrogenului cu oxigenul se formează apă, reacție însoțită de mare degajare de căldură:

\(2H_2+O_2\rightarrow 2H_2O;\: \: \: \Delta H=-57,85\: kcal/mol\: H_2O(vapori)\)

Un amestec de hidrogen și oxigen în proporție volumică H2:O2 de 2:1, aprins cu ajutorul unei scântei electrice sau al unei flăcări, explodează. Un asemenea amestec se numește gaz detonant

Cu sulful, hidrogenul reacționează încet formând hidrogen sulfurat:

\(H_2+S\rightarrow H_2S;\: \: \: \Delta H=-4,8\: kcal/mol\)

Combinarea hidrogenului cu azotul se produce numai sub presiune și în prezență de catalizator la temperatură medie (500°C):

\(N_2+3H_2\overset{presiune;\: 500^\circ C}{\rightarrow}2NH_3;\: \: \: \Delta H=-11\: kcal/mol\)

Unele metale se combină, de asemenea, direct cu hidrogenul; de exemplu metalele alcaline:

\(2Li+H_2\rightarrow 2LiH\)

Combinațiile binare ale hidrogenului se numesc hidruri. Există trei categorii de hidruri:
  1. Cu elementele din grupele principale VII, VI, V, IV și unele elemente din grupa a III-a ale sistemului periodic, hidrogenul formează hidruri volatile (vezi mai jos, Tabel Hidruri). În aceste combinații hidrogenul este legat covalent. Energia de combinare a hidrogenului în hidrurile volatile variază după natura elementului. În general, în fiecare grupă combinarea elementelor cu hidrogenul se face cu atât mai greu, cu cât masa lor atomică este mai mare. 
  2. Cu metalele din grupele I și II principale din sistemul periodic, hidrogenul formează hidruri cu caracter de sare, hidruri ionice, în care hidrogenul formează componentul negativ (ionul de hidrură, H-). La electroliza hidrurilor ionice topite, hidrogenul se degajă la anod. Hidrurile unor elemente din grupele II și III principale se găsesc ușor sub formă de asociații de molecule formate prin punți de hidrogen (hidruri polimere). 
  3. Cu metalele din grupele secundare ale sistemului periodic, hidrogenul formează hidruri interstițiale, în care nu au întotdeauna o compoziție stoechiometrică. 
Hidrurile elementelor din grupele principale ale tabelului periodic:
 
Tabel Hidruri
I II III IV V VI VII
LiH  [BeH2]x  (BH3)2  CH4 NH3 OH2 FH
NaH [MgH2]x [AlH3]x SiH4 PH3 SH2 ClH
KH CaH2 (GaH3)2 GeH4 AsH3 SeH2 BrH
RbH SrH2 [InH3]x SnH4 SbH3 TeH2 IH
CsH BaH2 TlH3 PbH4 BiH3 PoH2 AtH
\(\leftarrow\) Crește caracterul ionic                                                         Crește caracterul acid \(\rightarrow\)      
Stabilitatea crește de jos în sus, pe coloană
Hidrurile ionice (saline) sunt îngroșate; hidrurile covalente (volatile) sunt subliniate. 

Reducerea oxizilor 
Afinitatea deosebit de intensă a hidrogenului față de elementele puternic electronegative (F, Cl, O, S) determină acțiunea reducătoare pe care hidrogenul o exercită asupra combinațiilor acestor elemente. Astfel, aproape toți oxizii metalici pot fi reduși de hidrogen până la metalul respectiv, condițiile de temperatură și presiune variind de la caz la caz. Cu cât oxizii sunt mai puțin stabili (au căldură de formare mai mică) cu atât sunt mai ușor reduși de hidrogen. De aceea, oxizii metalelor care urmează după hidrogen în seria tensiunilor electrochimice (a căror căldură de formare este mai mică decât căldura de formare a apei), ca de exemplu Ag2O, HgO, CuO, pot fi reduși de hidrogen:

\(CuO+H_2\rightarrow Cu+H_2O\)

Ortohidrogenul și parahidrogenul
Hidrogenul molecular obișnuit este un amestec de trei părți ortohidrogen și o parte parahidrogen. La temperaturi mai joase, proporția de parahidrogen este mai mare; de aceea, separarea celor două forme se face la temperatură joasă, iar la 20°K, prin absorbția hidrogenului pe cărbune activ, se obține parahidrogen pur. 

Ortohidrogenul și parahidrogenul se deosebesc după sensul de rotație al nucleelor în jurul axelor proprii ale celor doi atomi care formează molecula de hidrogen; la ortohidrogen nucleele se rotesc în același sens, iar la parahidrogen în sens opus. 
ortohidrogen si parahidrogen
        Ortohidrogen (I) și parahidrogen (II)
 
Acest spin al nucleelor este analog prin caracterul lui cu spinul electronilor; câmpurile magnetice care apar sunt însă mult mai slabe decât câmpurile care apar la spinul electronic. 

Ortohidrogenul și parahidrogenul au aceleași proprietăți chimice, dar se deosebesc prin unele proprietăți fizice, cum sunt căldurile specifice și spectrele. 

Hidrogenul atomic
Molecula de hidrogen este o moleculă stabilă. Ea nu poate fi disociată decât la temperaturi foarte înalte, reacția fiind puternic endotermă:

\(H_2\rightleftharpoons2H; \: \: \: \Delta H=102,7\:kcal/mol\)

Se poate obține hidrogen puternic disociat în atomi, de exemplu, trecând un curent de hidrogen printr-un arc electric format între doi electrozi de wolfram. Deși viteza de recombinare a atomilor de hidrogen în molecule H2 este foarte mare, totuși existența hidrogenului atomic a fost pusă în evidență. În contact cu un metal, căldura degajată la recombinarea atomilor poate aduce metalul în stare de topire. 

Hidrogenul atomic este mai reactiv decât hidrogenul molecular. El are proprietatea să reducă, chiar la temperatura obișnuită, o serie de oxizi metalici (de exemplu CuO, PbO, Bi2O3, HgO, Ag2O), sulfuri și halogenuri; cu sulful, arsenul și fosforul se combină formând hidrurile respective; cu oxigenul molecular, la temperatură mai joasă, formează apă oxigenată. 

Întrebuințări
Fiind cel mai ușor dintre toate gazele, una dintre primele întrebuințări ale hidrogenului a fost umplerea baloanelor și dirijabilelor. Astăzi, industria chimică folosește cantități mari de hidrogen, mai ales la fabricarea prin sinteză a amoniacului și a acidului clorhidric. 

Hidrogenarea a devenit astăzi o metodă curentă pentru prepararea a numeroase produse noi din materii prime existente. Astfel, benzinele de sinteză se obțin prin acțiunea hidrogenului asupra cărbunilor, gudroanelor, etc. la temperaturi înalte. Uleiurile vegetale supuse hidrogenării (sub presiune și în prezență de catalizatori) se solidifică; asemenea grăsimi solidificate sunt întrebuințate în alimentație (de exemplu, margarina).

Flacăra de hidrogen și oxigen folosește pentru tăierea metalelor chiar sub apă (important pentru construcția podurilor și reparația vapoarelor), precum și la prelucrarea sticlei de cuarț, a platinei și a altor materiale cu punct de topire înalt. Deoarece hidrogenul are o mare putere reducătoare, el este folosit la lipirea metalelor care se oxidează ușor la cald (Pb, Al). 

Izotopii hidrogenului
Hidrogenul are trei izotopi:
  • izotopul obișnuit, H, numit hidrogen ușor sau protiu, al cărui nucleu, H+, este protonul;
  • izotopul \(_{1}^{2}\textrm{H}\), numit hidrogen greu sau deuteriu, \(_{1}^{2}\textrm{D}\), al cărui nucleu, D+, este deuteronul;
  • izotopul \(_{1}^{3}\textrm{H}\), numit hidrigen supragreu sau tritiu, \(_{1}^{3}\textrm{T}\).
Ca urmare a unor experimente efectuate cu un accelerator puternic de particule s-a preconizat și existența izotopului \(_{1}^{4}\textrm{H}\). El ar rezulta din heliu în urma emisiei unui mezon, având deci nucleul format din trei neutroni și un proton. Izotopul \(_{1}^{4}\textrm{H}\) este foarte nestabil (durata de existență este de 10-21 secunde). 

Tritiul este prezent în hidrogenul obișnuit în cantități minime, abundența relativă fiind de ordinul 10-17:1. Proveniența lui în natură se atribuie reacției nucleare:

\(_{7}^{14}\textrm{N}+_{0}^{1}\textrm{n}\rightarrow _{6}^{12}\textrm{C}+_{1}^{3}\textrm{T}\)
 
Tritiul se obține prin bombardarea beriliului cu deuteroni, sau prin reacții nucleare, ca de exemplu iradierea litiului cu neutroni lenți (în reactor nuclear):

\(_{3}^{6}\textrm{Li}+_{0}^{1}\textrm{n}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{1}^{2}\textrm{T}\)

Tritiul este un izotop radioactiv al hidrogenului; prin dezintegrare \(\beta ^-\) (timp de înjumătățire 12,4 ani) trece în izotopul de heliu \(_{2}^{3}\textrm{He}\). Împreună cu deuteriul este folosit în reacțiile de fuziune nucleară, ca de exemplu:

\(_{1}^{3}\textrm{T}+_{1}^{2}\textrm{D}\rightarrow _{2}^{4}\textrm{He}+_{0}^{1}\textrm{n}\)
Această reacție este foarte puternic exotermă. 

Deuteriul există în hidrogenul obișnuit în proporție de 0,02%. El se poate obține prin mai multe metode, mai ales din oxidul de deuteriu prin descompunere cu un metal, sau prin electroliză. Proprietățile deuteriului sunt asemănătoare cu cele ale hidrogenului; constantele fizice sunt însă diferite. De exemplu, punctul de fierbere (H= -252,7°C; D= -249,5°C), punctul de topire (H= -259,2°C; D= -254,5°C), precum și tensiunea de vapori, căldurile latente de topire și de evaporare, etc. 

Deuteriul reacționează similar hidrogenului formând compuși echivalenți; reacțiile respective se desfășoară însă mai lent. De exemplu, se combină direct cu halogenii și cu azotul. 

Descoperirea deuteriului a deschis un capitol important în chimie, și anume acela al substituției izotopice. Într-adevăr, există numeroase substanțe hidrogenate, care în anumite condiții pot schimba atomii de hidrogen cu atomi de deuteriu. Astfel, la temperatură înaltă, deuteriul reacționează cu hidrogenul și formează HD prin schimb izotopic:

\(D+H_2\rightleftharpoons H+HD\)

Deuteriul poate înlocui hidrogenul din moleculele de CH4, NH3, H2O:

\(D_2+H_2O\rightleftharpoons D_2O+H_2\)

De asemenea, deuteriul poate înlocui hidrogenul din molecula de benzen, C6H6, în prezența negrului de platină:

\(3D_2+C_6H_6\rightleftharpoons C_6D_6+3H_2\)

Nucleul deuteriului, deuteronul, are întrebuințări ca particulă de dezintegrare în reacții nucleare. 

Oxidul de deuteriu, D2O, cunoscut sub numele de apă grea, se găsește în cantități foarte mici în apa obișnuită și se obține prin electroliza îndelungată a apei tratate cu hidroxid de sodiu. Întrucât acest proces este legat de un consum foarte mare de energie electrică, mai ales la început, se supune electrolizei o apă îmbogățită în prealabil cu apă grea. 

Proprietățile fizice ale apei grele diferă de cele ale apei obișnuite; astfel, apa grea are punctul de solidificare 3,82°C, punctul de fierbere 101,42°C, iar densitatea sa la 20°C este 1,105. Apa grea dizolvă mai greu sărurile, iar reacțiile sunt mai lente decât reacțiile cu apa obișnuită. Apa grea este toxică pentru organismele vii. 

Dacă se introduc în apă grea combinații ce conțin hidrogen, atunci acesta înlocuiește deuteriul din apa grea, de exemplu:

\(HCl+D_2O\rightarrow DCl+HOD\)

În felul acesta s-a înlocuit hidrogenul din molecula de acizi hidrogenați, amoniac, apă oxigenată, apoi hidrogenul din grupele hidroxil ale unor combinații organice (acizi carboxilici, fenoli, alcooli). Astfel de reacții de dublu schimb cu apa grea au folosit la stabilirea naturii legăturii atomilor de hidrogen în diferite molecule; de asemenea au adus lămuriri în unele mecanisme de reacții, precum și în unele probleme biologice. Apa grea este folosită și în reactoare nucleare.