Атом водорода имеет всего 1 электрон, поэтому при образовании химических соединений может легко отдавать его, либо образовывать одну общую электронную пару, либо присоединять еще 1 электрон, образуя двухэлектронную внешнюю оболочку, как у благородного газа гелия.
Из-за малого заряда ядра атом водорода сравнительно слабо притягивает электроны и может присоединять их только в том случае, когда другой элемент легко их отдает. Такими элементами являются щелочные и щелочноземельные металлы, которые при нагревании в атмосфере водорода образуют солеобразные соединения — гидриды:
2 К + Н2 = 2 КН (гидрид калия);
Са + Н2 = СаН2 (гидрид кальция).
Для водорода более характерны соединения, в которых он проявляет положительную степень окисления. Он взаимодействует со многими неметаллами. В зависимости от активности неметаллов реакция может протекать с различной скоростью. Так с фтором водород взаимодействует всегда с взрывом:
F2 + H2 = 2 НF (фтороводород).
Хлор взаимодействует с водородом значительно спокойнее: в темноте и без нагревания реакция протекает довольно медленно, на свету — значительно быстрее, а при наличии инициатора (искра, нагревание) — моментально и с взрывом. Поэтому смесь хлора и водорода является гремучей и требует чрезвычайной осторожности в обращении.
Водород хорошо горит в атмосфере хлора. Во всех случаях реакция водорода с хлором протекает по уравнению:
Н2 + С12 = 2 НС1 (хлороводород).
С бромом и иодом водород реагирует очень медленно.
Так же активно, как с хлором, водород реагирует и с кислородом:
2 Н2 + О2 = 2 Н2О.
Смесь водорода с кислородом тоже является гремучей и при наличии инициатора взрывается.
С другими неметаллами водород реагирует либо при высокой температуре, либо при высоких температуре и давлении.
Например с серой водород реагирует только при нагревании, а с азотом — при нагревании и высоком давлении:
Н2 + S = Н2S (сероводород);
3 H2 + N2 = 2 NН3 (аммиак).
Водород может отнимать кислород или галогены от многих металлов и неметаллов. В этом случае он выступает как восстановитель:
СuО + Н2 = Сu + Н2О;
СuСl2 + Н2 = Сu + 2 НСl.
Эти реакции используются в металлургии для получения свободных металлов. Они, как правило, протекают при высокой температуре. Чем активнее металл, тем более высокая температура требуется для его восстановления.
Атомарный водород более активен, чем молекулярный, поэтому все характерные для водорода реакции с атомарными водородом протекают более энергично. Если молекулярный водород восстанавливает металлы из солей только при нагревании, то атомарный водород может восстанавливать многие металлы из их солей даже в водных растворах.
Образование молекулы водорода из его атомов сопровождается выделением большого количества теплоты:
Н + Н = Н2 + 435 кДж.
Если направить ток газа, содержащего атомарный водород, на твердое тело, то за счет теплоты, выделяющейся вследствие образовании молекул водорода из атомов, температура поверхности тела повысится до 4000 град. С. Эту реакцию используют при сварочных работах.