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

 

2. REAKCE S DUSÍKEM

• 3H₂ + N₂ -> 2NH₃

 

3. REAKCE S KYSLÍKEM

• 2H_{2 +} 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)

 

4. PŘÍPRAVA KOVŮ REDUKCÍ PLYNNÝM VODÍKEM

• CuO + H₂ -> Cu + H₂O
• WO₃ + 3H₂ -> W + 3H₂O

 

5. 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)

2. REAKCE PRVKŮ I. A II. A SKUPINY S VODOU

2Na + 2H2O -> H2 + 2Na2OH

Ca + 2H2O -> H2+ Ca(OH)2

 

3. REAKCE ROZŽHAVENÉHO ŽELEZA S VODOU

Fe + 4H2O -> 4H2 + Fe3O4

 

4. ELEKTROLÝZA OKYSELENÉ VODY, ROZKLAD ELEKTRICKÝM PROUDEM

2H2O -> 2H2 + O2

 

5. 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)
• TiH_1,75, VH_0,71
• 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: Q_p = e = 1,6021.10^–19 C (elementární náboj)
• klidová hmotnost protonu: m_p = 1,6725.10^–27 kg
• elektron …⁰_-1e
• !!! není součástí jádra !!!
• záporně nabitá částice
• náboj elektronu: Q_e = –e = –1,6021.10^–19 C
• klidová hmotnost elektronu: m_e = 9,11.10^–31 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) = Q_n = 0
• klidová hmotnost neutronu: m_n = 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 m_e
• určuje uspořádání orbitalu v prostoru
• l= 2… m_e = -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), m_l=-1 p_X, m_l = 0 p_y, m_l=1 p_z, 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