Vodík - maturitní otázka z chemie (2)

Otázka: Vodík

Předmět: Chemie

Přidal(a): Anonym

Základní charakteristika

Mezinárodní název: hydrogenium
První člen periodické soustavy prvků
Tvoří základ veškeré živé hmoty
Izotopy vodíku
- Lehký vodík (protium) ¹H (P): 1p, 1e, 0n
- Těžký vodík D (deuterium)²H (D): 1p, 1e, 1n
- Radioaktivní T (tritium) ³H (T): 1p, 1e, 2n
  - (Pokusné jaderné výbuchy od roku 1954 způsobili stonásobné zvýšení koncentrace T v prostředí. Po ukončení testů se ale koncentrace T vrátila díky přirozenému rozpadu na původní hladinu.)

Výskyt v přírodě

Nejrozšířenější prvek ve vesmíru (9. na zemi)
- Ve sluneční atmosféře – přeměna fúzí na He
Na Zemi se vyskytuje převážně ve sloučeninách
- Největší množství v H₂O
- Volně jen vzácně: sopečné plyny, zemní plyn
- Na Zemi dvouatomové molekuly H₂(v mezihvězdném prostoru atomární vodík H)
Sloučeniny: voda, hydridy, hydroxidy, kyseliny, všechny org. sloučeniny

Vlastnosti

Za běžných podmínek plyn (bod tání -259,2°C; bod varu -252,8°C)
Bez barvy, chuti a zápachu
Lehčí než vzduch
Molekuly H₂ jsou tak malé, že snadno pronikají pevnými materiály (difundují)
Za běžných podmínek není příliš reaktivní (díky vysoké energii vazby H-H)
Slučuje se s téměř všemi prvky s výjimkou vzácných plynů a některých přechodných kovů
Jako jediný prvek skupiny patří mezi nekovy
Poměrně snadno zkapalnitelný
Přechovává se v ocelových lahvích (označené červeným pruhem)
Hořlavý ve spojení s kyslíkem, ale samostatně hoření nepodporuje
- Se vzduchem tvoří výbušnou směs
Funguje jako významné redukční činidlo

Příprava (laboratorní)

Nejčastěji reakcí zředěné kyseliny sírové se zinkem:
- Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

Výroba (průmyslově)

Přeháněním vodní páry přes rozžhavený koks (vznik oxidu uhličitého a vodíku)
- H₂O + C → CO + H₂
- CO + H₂O → CO₂+ H₂
Reakce methanu s vodní párou
- CH₄ + H₂O → CO + 3H₂
Velmi čistý vodík – elektrolýza vody

Využití

V chemickém průmyslu:
- Výroba HCl, NH₃, HNO₃…
Potravinářství:
- Hydrogenace (ztužování tuků)
Pohonné hmoty:
- Raketové palivo
Autogeny (Řezání a sváření kovů) hoření vodíku s kyslíkem (silně exotermní reakce) vyvíjí teploty přes 3 000 °C
Výroba energie
- Chladivo alternátorů v elektrárnách
Vzducholodě
- Dříve používán jako náplň vzducholodí
- Díky jeho výbušnosti se vzduchem docházelo k haváriím. (Požár vzducholodi Hindenburg)
Experimentálně využíván do směsí při hloubkovém potápění

Hydrogenace a dehydrogenace u organických látek

Reakce navzájem vratné

Hydrogenace
- Přidání atomů vodíku k nějaké molekule
- Exotermní reakce
- Za pomoci katalyzátorů
  - (Nekatalyzovaná reakce pouze za vysokých teplot)
- Využití: Potravinářství – ztužování rostlinných tuků, farmakologie
Dehydrogenace
- Reakce opačná k hydrogenaci, odebrání vodíku
- Endotermní reakce

Kyseliny a zásady

Aby se látka mohla projevit jako kyselina nebo zásada, musí být přítomna v rozpouštědle.
Kyseliny
- Atom vodíku je vázán s atomem elektronegativního prvku.
- Vazba je proto polární
Síla kyselin a zásad
- Čím je kyselina silnější, tím snadněji odštěpí proton a naopak zásada je tím silnější, čím snadněji proton váže.
- Čím silnější je kyselina, tím slabší bude její konjugovaná zásada. (Jestliže kyselina velmi jednoduše odštěpí proton, pak zásada, která z ní tím vznikne, nebude mít velkou tendenci přijmout proton zpět.) Naopak platí to samé.

Teorie kyselin a zásad

Definice a význam pH

Pomocí stupnice pH můžeme vyjádřit kyselost nebo zásaditost libovolného roztoku
Roztoky ve kterých je molární koncentrace kationtů H₃O⁺ stejná jako koncentrace aniontů OH^–, se označují jako neutrální.
- H₃O⁺ ˃ OH^– kyselé
- H₃O⁺ ˂ OH^– zásadité
Neutrální pH=7

Indikátory

Látky, které v různě kyselém prostředí mění barvu, se nazývají indikátory.
Využívá se jich právě k měření pH
- Univerzální indikátorové papírky – papírky napuštěné směsí indikátorů
- pH metry – speciální měřicí přístroje, přesnější výsledek

Hydrolýza solí

Určuje, jestli po rozpuštění soli ve vodě bude výsledný vodný roztok kyselý, neutrální, nebo zásaditý.
Podle toho z jak silné kyseliny a zásady daná sůl vznikla
Hydrolýza
- Při rozpuštění soli ve vodě dochází k její ionizaci
- Vzniklé ionty mohou reagovat s molekulami rozpouštědla (Hydrolýza kationtu/aniontu)
- Hydrolýza kationtů
  - Reakcí s H₂O vzniká více H₃O⁺
  - To zvyšuje kyselost roztoku (snižuje pH)
- Hydrolýza aniontů
  - Reakcí s H₂O vzniká více OH^–
  - Zvyšuje se zásaditost roztoku (zvyšuje se pH)

Roztok soli:
- Silná kyselina + silná zásada=neutrální reakce
- Silná kyselina + slabá zásada=kyselá reakce
- Slabá kyselina + silná zásada=alkalická (zásaditá) reakce

Zdroje: