Vodík, kyslík - maturitní otázka

Otázka: Vodík, kyslík

Předmět: Chemie

Přidal(a): Prang

Vodík

Charakteristika

¹₁H – 1s¹ ; 1 proton, jeden elektron
nejlehčí prvek

Výskyt:

volný – horní vrstva atmosféry, vesmír – elementární
vázaný- anorganické, organické sloučeniny => biogenní prvek
- H₂O, H₂O₂, kyseliny, hydroxidy, uhlovodíky + deriváty
izotopy:
- protium : ¹₁H
- deuterium: ²₁H (²₁D) – D₂O (těžká voda)
- tritium: ³₁H (³₁T) – radioaktivní
vazba:
- s-s ¾> s, jednoduchá vazba (H-H)
- vydoká energie
oxidační číslo:
- volný H, H₂ … 0
- H⁺ … +I
- H^– … -I (hydridy kovů)

Vlastnosti:

plyn – nekov
14x lehčí než vzduch
bez barvy, chuti, zápachu
se vzduchem tvoří výbušnou směs
redukční činidlo

Výroba

ze zředěných kyselin kovem, který leží před vodíkem
- 2HCl + Zn ¾> H₂ + ZnCl₂
- H₂SO₄ + Fe ¾> H₂ + FeSO₄
- 6HNO₃ + 2Al ¾> 3H₂ + 2Al(NO₃)₃
z vody alkalickým kovem
- 2H₂O + 2Na ¾> H₂ + 2NaOH
- 2H₂O + 2K ¾> H₂ + 2KOH
- 2H₂O + 2Li ¾> H₂ + 2LiOH
elektrolýzou vody
- 2H₂O ¾> (el. proud) 2H₂ + O₂
  - vodík- katoda; kyslík – anoda
reakcí amfoterních kovů s hydroxidy
- Zn + NaOH + H₂O ¾> Na₂[Zn(OH)₄] + H₂
- 2Al + 2NaOH + 6H₂O ¾> 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂
přehánění páry přes rozžhavený koks
- H₂O + C ¾> CO + H₂
- CO + H₂O ¾> CO₂ + H₂
ze zemního plynu
- CH₄ + H₂O ¾> 3H₂ + CO
  - katalyzátor Ni, 1000 °

Reakce

atomární je reaktivnější
snaží se získat konfiguraci He
- buď přijme elektron
  - H^-1 – v hydridech
- sdílí elektron – kovalentní vazba
- odštěpí elektron
  - H⁺¹
- s halogeny
  - H + F ¾> bouřlivá reakce za nízké teploty
  - H + Cl ¾> reakce za laboratorních podmínek, osvětlení
  - H + Br, I ¾> musí se zahřát, použít katalyzátory
- s kyslíkem
  - 2H₂ + O₂ ¾> 2H₂O – pára
    - tvoří třaskavou směs
    - bouchá při plameni nebo jiskrách
    - hoření H – řezání kovů
  - výroba kovů
    - CuO + H₂ ¾> H₂O + Cu
  - hydrogenace
    - CO + H₂ ¾> CH₃OH – methanol
  - na hydridy
    - nekovů
      - H⁺ -> ox. číslo +I
      - H₂ + Cl₂ ¾> 2HCl
      - 2H₂ + O₂ ¾> 2H₂O + energie
      - H₂ + S ¾> H₂S
    - kovů
      - H^– -> ox. číslo –I
      - H₂ + 2Na ¾> 2NaH

Využití

80% – výroba amoniaku
- přímou syntézou
výroba kovů – metalurgie
ztužování tuků
balony (dřív)
palivo pro raketové motory
sváření a řezání kovů (autogenem)
součást syntézního plynu
- CO + H₂ ¾> H – C^{= O}_{– H}– formaldehyd HCOH
- CO + 2H₂ ¾> CH₃OH – metanol

Sloučeniny

hydridy
- dvouprvkové sloučeniny vodíku s jiným prvkem
- dělí se podle typu vazby
iontové
- H + s¹, s² prvky
- přímá syntéza za vyšší teploty
  - 2Na + H₂ ¾> 2 NaH
- reaktivní, termicky málo stálé
- pevné látky
- vysoká teplota tání
- v tavenině vedou el. proud
  - vodík se vyloučí na anodě
- rozkládají vodu
  - NaH + H₂O ¾> NaOH + H₂
- NaH
  - redukční činidlo v organické chemii
- LiH
  - zdroj vodík pro meteorologické balóny
- kovalentní
  - p prvky
  - vlastnosti závisí na polaritě vazby
  - s vosou reagují za uvolnění protonu
    - HCl + H₂O ¾> H₃O⁺ + Cl^–
      - kyselý charakter
    - kovové
      - pevné, křehké, kovový lesk
      - prvky skupiny Cr, triády Fe, palladium

Kyslík

Charakteristika

nejrozšířenější prvek v zemské kůře
¹⁶₈O (He) 2s² 2p⁴
dvouatomové molekuly O=O => O₂
O₃ – ozon
- jedovatý bezbarvý plyn, charakteristický zápach
- kapalný – modrý, pevný – černý
- ve stratosféře – ozónová vrstva
  - 3O₂ ¾> (el. výboj) 2O₃
  - chrání nás před UV z vesmíru
- silné oxidační účinky
- O₃ ¾> O₂ + O
  - atomární kyslík – silné oxidační, bělící, desinfekční účinky
  - čištění vody, bělení olejů, škrobu
- směs se vzduchem s 70% O₃ – výbušná
izotopy:
- ¹⁶₈O ; ¹⁷₈O; ¹⁸₈O

Výskyt:

volný – ve vzduchu 21%
vázaný
- anorganické sloučeniny – oxidy, kyslíkaté kyseliny + jejich soli
- organické sloučeniny- kyseliny, tuky, sacharidy, bílkoviny => biogenní prvek

Vlastnosti:

bez barvy, chuti, zápachu
dvouatomové molekuly
bezbarvý plyn, bez chuti, bez zápachu
částečně rozpustný ve vodě
chemické vlastnosti vyplývají z konfigurace
snaží se dosáhnout konfigurace vzácného plynu
- přijme 2 elektrony ¾> O^2-
  - oxidy
- vytvoří 2 kovalentní vazby
  - 2 jednoduché
  - 1 dvojnou
- vytvoří 1 vazbu a přijme jeden elektron
  - hydroxidy
- vysoká elektronegativita (po Cl nejvyšší)
- oxidační činidlo

Výroba

frakční destilací kapalného vzduchu
elektrolýzou vody
termickým rozkladem silných oxidačních činidel
- 2KMnO₄ ¾> (t) MnO₂ + K₂MnO₄ + O₂
- 2KClO₃ ¾> (t) 2KCl + 3O₂
- 2NaNO₃ ¾> (t) 2NaNO₂ + O₂
- 2H₂O₂ ¾> (MnO₂ – burel) 2H₂O + O₂
rozkladem oxidů
- 2HgO ¾> O₂ + 2Hg
- 2Ag₂O ¾> O₂+ 4Ag

Reakce

téměř se všemi prvky – oxidy, peroxidy, hydroxidy
oxidy
- přímá reakce s O₂ : P₂ + O₂ ; …
- kyselinotvorné
  - kyslík + nekov
  - kovy s vysokým Z – Cr, W, Mn
  - reakcí s hydroxidy vzniká sůl
  - CO₂ + H₂O ¾> H₂CO₃
  - SO₃ + H₂O ¾> H₂SO₄
  - P₂O₅ + 3H₂O ¾> 2H₃PO₄
- zásadotvorné
  - iontové – s s¹, s² prvky
  - číslo kovu < 4
  - reakcí s kyselinami vzniká sůl
  - CaO + H₂O ¾> Ca(OH)₂ – hašení vápna
- amfoterní = obojaké
  - nižší ox. číslo prvku
  - oxidace s atomovou strukturou
  - s kyselinami i hydroxidy vznikají soli
- ZnO
  - ZnCl₂ – zinečnatá sůl
  - Na₂[Zn(OH)₄] – zinečnatan
- Al₂O₃
  - AlCl₃ – hlinitá sůl
  - K₃[Al(OH)₆] – hlinitan
- inertní – netečné
  - CO, N₂O – rajský plyn
    - ani kyseliny, ani zásady
peroxidy
- H₂O₂
  - vlastnosti
    - kapalina
      - bezbarvá, sirupovitá
    - polární rozpouštědlo
      - lepší než voda
      - lépe se uplatňují vodíkové vazby
    - rozpouští se ve vodě
      - jako slabá kyselina – odštěpuje kationt
    - za laboratorní teploty je stálý
    - pomalu se rozkládá
      - pro zrychlení reakce MnO₂
    - činidlo
      - jodidy na jód
      - sulfidy na sírany
    - i redukční účinky pokud je se silnějším oxidačním činidlem – KMnO₄
  - využití
    - desinfekce, na výrobu O₂
    - součást odbarvovačů
  - příprava
    - BaO₂ + H₂SO₄ ¾> BaSO₄ ¯ +H₂O₂
  - 2Na + O₂ ¾> Na₂O₂ – sodný
  - Ba + O₂ ¾> BaO₂ – barnatý
hyperoxidy
- K + O₂ ¾> KO₂ – silné ox. činidlo, nestálý

Využití

dýchání
hoření
palivo pro rakety
sváření, řezání (autogenem)
výroba oxidů
dýchací přístroje
lékařství

Voda

Charakteristika
- nejrozšířenější sloučenina vodíku a kyslíku
- teplota varu 100 °C
- teplota tání O °C
- součást krystalů ¾> hydráty
- bez chuti, bez zápachu
- hustota 1000 g/ cm³
- 3 skupenství
  - plynné – vodní pára (g)
  - kapalné – voda (l); (H₂O)_n
  - pevné – led (s)
- vazba vodíkovými můstky -> proto není plyn – shlukování molekul
- polární rozpouštědlo
  - polární vazba
  - dobrá na iontové sloučeniny
    - hydratované ionty – vede el. proud = elektrolytická disociace
    - sloučeniny s¹, s² prvků; amonné soli, octany většiny kovů, většina chloridů, bromidů, síranů
  - při rozpouštění nepolárních sloučenin
    - nedochází k disociaci na ionty ¾> nevede el. proud
  - málo rozpustné
    - křemičitany, uhličitany, fosforečnany, sulfidy, hydroxidy
  - poměrně stálá – rozkládá se až za vysokých teplot
  - bouřlivá reakce s s¹, s² prvky ¾> hydroxid a vodík
  - hybridizace sp³ – úhel 105°
    - volné elektronové páry nad kyslíkem

Rozdělení
- slaná
- sladká
  - dešťová – měkká
  - povrchová – znečištěná
- čistíme
  - chemicky – Cl₂O₃
  - mechanicky – filtr
  - biologicky- bakterie
- spodní – pitná
- tvrdá
  - přechodná tvrdost
    - odstraníme varem
    - způsobená: Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂
    - Ca(HCO₃)₂¾> (t) CaCO₃¯ + CO₂ + H₂O
  - trvalá tvrdost
    - CaSO₄, MgSO₄
    - odstraníme sodou a iontoměniči
    - CaSO₄ + Na₂CO₃ ¾> CaCO₃¯ + Na₂SO₄
  - vázaná
    - v anorganických – krystalická
    - v organických

Reakce
- reakce s oxidy
  - zásadotvorný ¾> zásada
  - kyselinotvorný ¾> kyselina
- hydrolýza
  - ionty soli + voda
- neutralizace
  - hydroxid + kyselina ¾> voda + sůl
- pára + kovy
  - koroze (oxidy)

Autoprotolýza
- má amfoterní charakter
  - H₂O + H⁺ ¾> H₃O⁺
  - H₂O ¾> H⁺ + OH^–
- H₂O + H₂O « H₃O⁺ + OH^–
  - ¾> autoprotolýza
  - <¾ neutralizace
Iontový součin vody
- K_v= C_H3O+* C_OH- = 10^-14 mol²/l²

Roztoky

Charakteristika
- roztok = homogenní směs dvou nebo více látek
- vzniká při rozpouštění = promísení látek na molekulární úrovni
- rozpouštědlo
  - většinou látka, která je v soustavě v nadbytku
  - kapalina + pevná látka – rozpouštědlem je kapalina
  - homogenní směs různých ltek s vodou – rozpouštědlem je voda
- rozpustnost
  - hmotnost látky, která se za daných podmínek rozpustí v daném množství rozpouštědla za vzniku nasyceného roztoku
  - v tabulkách

Dělení
- podle skupenství
  - pevné
    - slitiny kovů
  - kapalné
    - cukr nebo kyslík rozpuštěný ve vodě
  - plynné
    - vzduch
- podle vlastností rozpouštěné látky
  - neelektrolytů
    - rozpouštěné látky obsahují pouze nepolární nebo slabě polární kovalentní vazby
    - př. glukóza ve vodě, jód v CCl₄
    - nevedou elektrický proud
  - pravých elektrolytů
    - rozpouštěné látky obsahují iontové kovalentní vazby
    - rozpouští se v polárních rozpouštědlech
    - molekuly rozpouštědla vytrhávají jednotlivé ionty ze struktury krystalu
    - vedou elektrický proud
  - potenciálních elektrolytů
    - v rozpouštěné sloučenině se vyskytuje vazba polární
    - rozpouští se v polárních rozpouštědlech
    - molekuly rozpouštědla mohou roztrhnout molekuly rozpouštěné látky
      - ionty se rozptýlí mezi molekuly rozpouštědla
    - vedou elektrický proud
- podle sytnosti
  - nasycené
    - za daných podmínek se v roztoku už nerozpustí žádná další látka
  - nenasycené
    - látka se rozpouští, dokud nevznikne roztok nasycený
- podle pH
  - neutrální
    - C_H3O+ = C_OH- ¾ pH= 7
  - kyselé
    - C_H3O+ > C_OH- ¾ pH < 7
  - zásadité
    - C_H3O+ < C_OH-¾ pH > 7

Složení
- neomezeně mísitelné látky
  - vytvářejí homogenní směs bez ohledu na to, v jakém poměru je mísíme
  - všechny plynné látky, některé kapaliny
  - př. etanol s vodou, metanol s etanolem
- omezeně mísitelné látky
  - tvoří homogenní směs jen v určitém rozsahu vzájemných poměrů
  - většina soustav vzniklých smísením pevných a kapalných látek
  - vznikají roztoky nasycené nebo nenasycené
- nemísitelné látky
  - jsou vzájemně nerozpustné
    - př. olej a voda
  - neexistují naprosto nemísitelné látky
  - množství vody rozpuštěné v oleji je velmi malé ¾> látky nemísitelné
    - řada jedovatých kapalin, o nichž tvrdíme, že jsou s vodou nemísitelné, se v nepatrném množství ve vodě rozpouští
      - jejich vodný roztok je pro živé organismy (i přes nízkou koncentraci) škodlivý

Koncentrace
- hmotnostní zlomek
  - podíl hmotnosti látky A ku celkové hmotnosti roztoku
  - w_a = m_a / m_r
  - součet hmotnostních zlomků všech složek tvořících roztok = 1
- hmotnostní procento
  - w_a * 100
- objemové procento
  - koncentrace roztoků, vzniklých smísením dvou nebo více kapalin
  - objem % = 100* V_a / V_r
  - pro reálné roztoky platí, že součet objemových procent všech složek ¹100
- molární koncentrace
  - počet molů látky rozpuštěné v 1dm³ roztoku [mol / dm³]
  - c_a = n_a / V_r
    - n_a = m / M ¾>
- ředění roztoků
  - křížové pravidlo
  - směšovací rovnice
    - m₁* c₁ + m₂ * c₂ = (m₁ + m₂) * c

pH
- výpočet
  - pH = – log C_H3O+
  - pOH = – log C_OH-
  - pH + pOH = 14
    - logaritmovaný tvar iontového součinu vody
  - silná jednosytná kyselina
    - HCl, HNO₃, HClO₄
    - je téměř úplně disociovaná
      - koncentrace kyseliny = koncentrace H₃O⁺
  - silná dvojsytná kyselina
    - H₂SO₄
    - z 1 molu kyseliny ¾> 2 moly H₃O⁺
      - koncentrace H₃O⁺ = 2* koncentrace kyseliny
  - silná jednosytná zásada
    - NaOH, KOH
    - téměř úplně disociovaná
      - koncentrace zásady = koncentraci OH^–
      - pH = 14 – pOH
  - silná dvojsytná zásada
    - Ca(OH)₂
    - z 1 molu hydroxidu ¾> 2 moly OH^–
      - koncentrace OH^– = 2* koncentrace hydroxidu
  - slabá jednosytná kyselina
    - CH₃COOH, HCN, HNO₂
    - je velmi málo disociovaná
    - K_dis << 1
      - počet H₃O⁺ závisí na K_dis
    - pK = – log K_dis
    - pH = ½ * (pK_dis – log C_kyseliny)
  - slabá jednosytná zásada
    - NH₃, AgOH
    - C_OH- << 1
      - závisí na K_dis
    - pH = 14 – ½ * (pK_dis – log C_OH-)