Vodík – maturitní otázka z chemie (3)

 

   Otázka: Vodík

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): zdenka23

 

 

 

 

Název Chemická značka Protonové číslo … Z Elektronová konfigurace Elektronegativita Teplota (°C) Oxidační číslo
latinský tání varu kladné záporné
Hydrogenium H 1 1s1 2,2 -259,2 -252,6 I -I
  • objeven v roce 1766 (Henry Cavendish)
  • nejrozšířenější prvek ve vesmíru (v plynném obalu Slunce a stálic i v mlhovinách)
  • nejlehčí atom, nejmenší poloměr
  • v atomovém jádře má jeden proton a v elektronovém obalu jeden elektron (1s1)
  • atomární vodík se označuje jako vodík ve stavu zrodu, je vysoce reaktivní a okamžitě se slučuje s jiným vodíkem nebo jinými prvky, anebo přijímá elektron a stává se z něj anion (nebo naopak kation)
  • tvoří dvouatomové molekuly H2, ve kterých jsou atomy vodíku poutány nepolární kovalentní jednoduchou vazbou
  • biogenní prvek, společně s C tvoří základ živé hmoty
  • vazby
  • nepolární H2, CH4
  • polární HCl
  • vodíkové můstky s F, O, N
  • koordinační – vodíku je poskytnut celý elektronový pár
  • přírodní vodík je směs tří izotopů
  • lehký vodík PROCIUM
  • nejrozšířenější
  • těžký vodík DEUTERIUM  (D)
  • v přírodě se vyskytuje ve formě D2O = tzv. těžká voda, používá se v jaderných reaktorech ke zpomalování rychlých neuronů, uplatňuje se jako tzv. moderátor
  • v porovnání s lehkým vodíkem má vyšší bod tání i varu
  • radioaktivní TRICIUM  (T)
  • vyskytuje se v horních vrstvách atmosféry, kde vzniká jadernou reakcí 14N + n -> 3H + 12C


vlastnosti

  • bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, je 14x lehčí než vzduch
  • nekov, a proto má na rozdíl od ostatních prvků I. skupiny podstatně vyšší hodnotu elektronegativity -> v pevných látkách se nevyskytuje v podobě jednoduchých kationtů, jak je charakteristické pro ostatní prvky I. skupiny, které patří mezi kovy
  • je hořlavý, ale on sám hoření nepodporuje, ve směsi s kyslíkem výbušný
  • za laboratorní teploty málo reaktivní (vysoká energie vazby H-H)
  • v průběhu většiny chemických reakcí vystupuje vodík jako redukční činidlo -> odevzdává elektrony
  • reaguje až za vyšší teploty nebo při použití katalyzátoru (vysoká disociační energie vazby H2)
  • směs vodíku s kyslíkem při teplotě vyšší než 600°C nebo po iniciaci jiskrou prudce exploduje, při laboratorní teplotě probíhá uvedená reakce i v přítomnosti katalyzátoru velmi pomalu

 

výskyt

  • nejrozšířenější prvek ve vesmíru
  • na zemi III. nejrozšířenější prvek
  • samotný vodík je obsažen v sopečných plynech nebo v zemním plynu, ale na Zemi se vyskytuje pouze vázaný ve sloučeninách
  • největší množství vodíku je vázáno ve vodě
  • reakce vodíku (reaguje téměř se všemi prvky kromě vzácných plynů)

 

  1. REAKCE VODÍKU S HALOGENY
    • H2 + X2 -> 2HX kde X=F,Cl, Br, I
  • reakce vodíku s fluorem probíhá explozivně i při velmi nízkých teplotách (za laboratorní teploty a při osvětlení podobně reakce s chlorem)
  • reakci s bromem a jodem je třeba provádět za zvýšené teploty a s využitím katalyzátoru

 

  1. REAKCE S DUSÍKEM
  • 3H2 + N2 -> 2NH3

 

  1. REAKCE S KYSLÍKEM
  • 2H2 + O2 -> 2H2O
  • probíhá řetězovým mechanismem
  • Iniciace – symetrické rozštěpení vazby v molekule vodíku, reakcí vznikají volné atomy s nepárovým elektronem (radikály), volný atom vodíku je velmi reaktivní a napadá molekulu kyslíku a způsobuje tak vznik dalších dvou radikálů
  • Propagace – dochází ke vzniku dalších radikálů
  • Terminace – zánik radikálu = jejich vzájemné spojení
  • při teplotě vyšší než 600° C nebo po iniciaci jiskrou směs prudce exploduje
  • při laboratorní teplotě probíhá uvedená reakce velmi pomalu
  • reakci vodíku s kyslíkem, případně chlorem, lze provést i bez exploze, je však nutné postupovat tak, že vodík v kyslíku či chloru spalujeme, ke slučování dochází pouze na povrchu kužele, který tvoří plyn unikající z trubice (speciální hořáky používané např. při sváření a tavení kovů kyslíkovodíkovým plamenem nebo průmyslová výroba chlorovodíku)

 

  1. PŘÍPRAVA KOVŮ REDUKCÍ PLYNNÝM VODÍKEM
  • CuO + H2 -> Cu + H2O
  • WO3 + 3H2 -> W + 3H2O

 

  1. HYDROGENACE
  • za účasti katalyzátorů
  • CO + 2H2 -> CH3OH


laboratorní příprava vodíku

  1. REAKCE NEUŠLECHTILÝCH KOVŮ S KYSELINAMI (většina kovů s výjimkou Au, Cu Pt, Pd, Ag, Hg), kov vytěsňuje vodk z kyseliny a nahrazuje ho (Becketova řada nalevo od H)
Zn + 2 HCl -> H2 + ZnCl
Fe + 2 HCl -> H2 + FeCl2
2Al + 3H2SO4 -> 3H2 + Al2(SO4)3
Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 (nejčastější příprava vodíku)
  1. REAKCE PRVKŮ I. A II. A SKUPINY S VODOU
2Na + 2H2O -> H2 + 2Na2OH
Ca + 2H2O -> H2+ Ca(OH)2

 

  1. REAKCE ROZŽHAVENÉHO ŽELEZA S VODOU
Fe + 4H2O -> 4H2 + Fe3O4

 

  1. ELEKTROLÝZA OKYSELENÉ VODY, ROZKLAD ELEKTRICKÝM PROUDEM
2H2O -> 2H2 + O2

 

  1. REAKCE AMFOTERNÍCH KOVŮ S ROZTOKY HYDROXIDŮ ALKALICKÝCH KOVŮ
Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2
2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2
  • průmyslová výroba
  • energeticky náročná
  • TERMICKÝ ROZKLAD METANU (reakce methanu s vodní párou)
  • teplota 1100°C
  • katalyzátor – nikl rozptýlený na povrchu oxidu hlinitého
CH4 + H2O-> CO2 + H2
  • PŘEHÁNĚNÍ VODNÍ PÁRY PŘES ROZŽHAVENÝ KOKS (koks je v podstatě čistý uhlík)
C + H2O -> H2 + CO
  • v první fázi reakce vzniká směs oxidu uhelnatého a vodíku = vodní plyn, používá se jako plynné palivo
CO + H2O-> H2 + CO2
  • výroba vodíku pokračuje reakcí oxidu uhelnatého s dalším podílem vodní páry, vznikající oxid uhličitý se z reakční soustavy odstraňuje vypíráním vodou
  • ELEKTROLÝZA VODNÍHO ROZTOKU CHLORIDU SODNÉHO (nebo kyseliny sýrové)
  • energeticky náročné, ale vzniká čistý vodík
  • využití
  • přechovává se v ocelových lahvích, označených červeným pruhem
  • je součástí kyslíkovodíkového plamenu využití při řezání a sváření kovů
  • kapalný vodík jako raketové palivo
  • k výrobě různých sloučenin (amoniak)
  • ke ztužování tuků
  • výroba kovů (vodík má možnost vytěsňovat některé kovy z jejich sloučenin = redukční činidla)
  • jako náplň vzducholodí
  • v chemickém průmyslu se využívá k syntézám, např. k výrobě amoniaku
    • N2 + H2   — Fe +500C   —> 2NH3
  • palivo budoucnosti – TOKAMAK (uvolní se velké množství E a odpadem je voda)
  • hydridy
  • jsou dvouprvkové (=binární) sloučeniny vodíku s jiným prvkem
  • Iontové hydridy = solné
  • s prvky I. a II. A skupiny (nejelektropozitivnější kovy), prvky s nižší elektronegativitou
  • vodík s oxidačním číslem –I (anion H)
  • obsahují iontovou vazbu
  • reaktivní, termicky málo stabilní, bezbarvé krystalické látky
  • příprava přímou reakcí vodíku s alkalickými kovy nebo kovy alkalických zemin
2 Na + H2 -> 2 NaH
Ca + H2 -> CaH2
  • iontové hydridy reagují s vodou za výboje vodíku
CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2
  • NaH, CaH2
  • silná redukční činidla
  • vodík se při elektrolýze uvolňuje na anodě
  • Hydridy přechodného typu
  • prvky podskupin skandia, titanu a vanadu a také některé lanthanoidy a aktinoidy
  • s uvedenými prvky vodík dobře reaguje za vzniku sloučenin, které nejsou přesně definované, většinou mají charakter berthollidů (mají porušenou krystalovou strukturu)
  • TiH1,75, VH0,71
  • vazebné poměry v těchto sloučeninách jsou přechodem mezi vazbami iontovými a kovovými
  • Kovové hydridy
  • křehké pevné látky kovového vzhledu
  • tvoří je prvky podskupiny chromu, triády železa a palladium (vodivé nebo polovodivé vlastnosti)
  • Molekulové hydridy
  • nekovy a polokovy IV. až VII. skupiny periodického systému
  • pevnost vazeb v těchto sloučeninách i jejich termická stabilita klesá s rostoucím atomovým číslem
  • Polymerní hydridy
  • sloučeniny s elektronově deficitními vazbami
  • prvky 2. a 3. skupiny periodického systému
  • hydridy boru a gallia jsou většinou plynné nebo kapalné, zatímco ostatní mají skupenství pevné

 

Atomové teorie

  • atom
  • základní stavební částice hmoty dále již chemickým způsobem nedělitelná
  • skládá se z kladně nabitého jádra a záporně nabitého obalu
  • Demokritos a Leukippos (řečtí filozofové, 5. stol. př. n. l.)
  • vyslovili názor, že hmota se skládá z nedělitelných částeček – atomů (řecky atomos = nedělitelný)
  • John Dalton (britský chemik, začátek 19. století)
  • prvky jsou složené z atomů, atomy téhož prvku jsou stejné, atomy různých prků se liší hmotností a dalšími vlastnostmi
  • při chemické reakci se atomy spojují, oddělují a přeskupují, ale nikdy nevznikají, nezanikají, ani se nemění
  • slučováním atomů dvou a více prvků vznikají sloučeniny
  • Lomonosov a Lavoiser (zákon o zachování hmotnosti)
  • Proust
  • zákon stálých poměrů slučovacích
  • hmotnostní poměr prvků či součástí dané sloučeniny je vždy stejný a nezávisí na velikosti ani původu vzorku
  • Thomson (britský fyzik, konec 19. století)
  • struktura atomu (elektron – a jsou 2000y menší hmotností než hmotnost atomu vodíku)
  • PUDINKOVÝ MODEL ATOMU – atom je složený z kladně nabité hmoty (puding) a v ní jsou rozmístěné záporně nabité elektrony (jako rozinky v pudinku)
  • Ernst Rutherford (novozélandský fyzik, začátek 20. století)
  • RUTHENDORFŮV PLANETÁRNÍ MODEL
  • objevitel jádra atomu a protonů; atom rozdělil na velmi malé jádro (10–14 m) s prakticky veškerou hmotností atomu (99,9 %) a podstatně větší elektronový obal (10–10 m) se zanedbatelnou hmotností
  • kolem kladně nabitého jádra obíhají záporně nabité elektrony, a to po kružnicích
  • nedostatky této teorie: podle zákonů klasické fyziky, by pohyb elektronu kolem jádra musel být doprovázen vyzařováním elektromagnetického vlnění – energie elektronu by klesala – zmenšoval by se poloměr dráhy – elektron by byl nakonec jádrem pohlcen – atom by zanikl; atom je ale velmi stabilní částice
  • Bohr (dánský fyzik, 1. polovina 20. století)
  • elektrony se v obalu vyskytují v určitých vrstvách, které mají stálou energii
  • elektron se může dostat do energetické hladiny pouze dodáním nebe odebráním energie
  • dávka energie přeskočení elektronu – kvantum
  • nedostatky této teorie: platí pouze pro vodík a kationty s jedním elektronem (např. He+, Li2+); nevyhovuje při výkladu jiných chemických jevů (např. chemická vazba, …)
  • Schrödinger (rakouský fyzik, 1. polovina 20. století)
  • experimentálně potvrzena hypotéza, že elektron má dualistický charakter -> chová se jako kulička (částice = korpuskule) a současně jako vlnění
  • kvantově mechanický model atomu

 

Atomové jádro

  • studie atomového jádra = jaderná fyzika
  • skládá se ze dvou elementárních částic – protonů a neutronů = nukleony
  • proton – částice s jednotkovým kladným nábojem
  • neutron – částice bez náboje
  • klidová hmotnost protonu a neutronu je přibližně stejná
  • velikost: 10–14 m
  • protonové číslo … Z
  • udává počet protonů v jádře a elektronů v obalu u neutrálního atomu
  • udává též pořadí prvků v PSP, zapisuje se pomocí dolního indexu před chemickou značkou
  • proton …11p
  • kladně nabitá částice
  • náboj protonu: Qp = e = 1,6021.10–19 C (elementární náboj)
  • klidová hmotnost protonu: mp = 1,6725.10–27 kg
  • elektron …0-1e
  • !!! není součástí jádra !!!
  • záporně nabitá částice
  • náboj elektronu: Qe = –e = –1,6021.10–19 C
  • klidová hmotnost elektronu: me = 9,11.1031 kg (v porovnání s jádrem zanedbatelná)
  • neutronové číslo … N
  • udává počet neutronů v jádře (obvykle se neuvádí)
  • neutronů může být v jádře odlišný nebo stejný počet jako protonů
  • neutron …10n
  • částice bez náboje (neutrální) = Qn = 0
  • klidová hmotnost neutronu: mn = 1,6748.10–27kg (o něco menší než u protonu)
  • nukleonové číslo … A
  • udává součet protonů + neutronů v jádře
  • platí: A = Z + N
  • zápis pomocí horního indexu
  • na základě hodnoty N a Z lze rozlišit

 

  • PRVEK
  • látka složená z atomů, jejichž jádra mají stejný počet protonů (stejné Z)
  • neutronů při tom u jednotlivých atomů této látky může, nebo nemusí bít stejný počet

 

  • NUKLID
  • látka složená z atomů, jejichž jádra mají určitý stejný počet protonů a určitý stejný počet neutronů (látka, jejíž atomy jsou naprosto shodné
  • atomy mají stejný náboj i hmotnost

 

  • IZOTOPY
  • atomy téhož prvku, které se od sebe liší pouze počtem neutronů v jádře
  • souboru takových atomů se říká nuklidy téhož prvku

 

Např. VODÍK

3 nuklidy vytvořené ze 3 izotopů vodíku

11H….. protium (lehký vodík)

21H….. deuterium (těžký vodík)

31H….. tritium

  • většina prvků se v přírodě vyskytuje jako směs několika izotopů, z nichž jeden převažuje
  • izotopy mají stejné chemické vlastnosti (díky stejnému Z – stejný počet protonů a hlavně elektronů- stejná konfigurace obalu, kde je valenční vrstvou, která rozhoduje o chemických vlastnostech) ale mírně odlišné fyzikální vlastnosti

 

Atomový obal

  • elektrony se nachází v el. obalu v orbitalech
  • orbital = část prostoru v el. obalu atomu, kde se elektron nachází s 95% pravděpodobností
  • orbitaly se vyskytují na energetických hladinách
  • čím je elektron více vzdálen od jádra, tím je vyšší energie
  • základní stavba atomu – všechny elektrony jsou na nejnižších energetických hladinách
  • excitovaný stav = nabuzený
  • nastává dodáním energie, která způsobí přeskok elektronu do vyšší el. hladiny
  • polohu elektronu v el. obalu je možno popsat pomocí 4 kvantových čísel

 

  • Hlavní kvantové číslo – n
  • označuje číslo energetické hladiny, ve které se elektron nachází a tím určuje jeho energii
  • čím vyšší kvantové číslo, tím je vyšší energie
  • počet energetický hladin atomu vyjadřuje číslo periody

 

  • Vedlejší kvantové číslo – l
  • určuje energii elektronu, čím vyšší n a l, tím vyšší energie
  • určuje tvar orbitalu
  • n=2 … l=0, 1 n=3…l=0,1,2
  • značí se písmeny s, p, d, f

 

  • Magnetické kvantové číslo me
  • určuje uspořádání orbitalu v prostoru
  • l= 2… me = -2,-1,0,1,2

 

  • Spinové kvantové číslo – m0
  • vyjadřuje rotaci elektronu
  • m0 = ½, -½
  • Pauliho princip výlučnosti
  • v atomu nemohou existovat dva elektrony, které by měly všechna čtyři kvantová čísla stejná, tzn. že v jednom orbitalu mohou existovat max. dva elektrony lišící se spinovým kvantovým číslem
  • tvary a prostorová orientace orbitalů
  • l = 0… tvar koule, čím větší hlavní kvantové číslo, tím větší poloměr, každá hladina obsahuje jeden orbital s
  • l = 1… orbital p… má tvar prostorové 8, je v prostoru orientován třemi způsoby (podle osy x, y a z), ml=-1 pX, ml = 0 py, ml=1 pz, od 2. hladiny obsahuje každá hladiny tři orbitaly p, orbitaly, které mají stejnou hodnotu n a l mají i stejnou energii a označují se jako degenerované
  • l = 2 … orbital d… složitější prostorové útvary, orientace 5ti způsoby v hladině je jich 5 degenerovaných
  • l = 3… orbital f… složitější prostorové uspořádání, 7 degenerovaných orbitalů v hladině
  • znázorňování orbitalů
  • pomocí rámečku

 

  • pomocí hlavního a vedlejšího kvantového čísla
  • arabská číslice + písmeno + počet elektronů v orbitalu (exponent)
  • 1s2

 

pravidla zaplňování orbitalů

  1. Pauliho princip výlučnosti
  2. Hundovo pravidlo – v degenerovaných orbitalech se tvoří elektronové páry teprve po obsazení každého orbitalu jedním elektronem, všechny nespárované elektrony mají stejný spin
  3. Výstavbový princip – orbitaly s nižší energií se zaplňují elektrony dřív než orbitaly s energií vyšší, pravidlo n + l = orbital s nižším n + l má nižší energii, u orbitalů se stejným n + l se zaplňuje první ten s nižším n

 

  • pořadí orbitalů v elektronovém obalu
    • 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p
  • uspořádání elektronů v elektronovém obalu se označuje jako elektronová konfigurace
  • poslední vrstva = valenční – její číslo je stejné jako číslo periody






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: