Vodík – maturitní otázka z chemie

 

   Otázka: Vodík

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): Ivana K.

 

 

 

 

Značka: H

El. konfigurace: 1s²

Elektronegativita: 2,2

 

3 Izotopy:

Izotop je označení pro nuklid v rámci souboru nuklidů jednoho chemického prvku. Jádra atomů izotopů jednoho prvku mají stejný počet protonů, ale mohou mít rozdílný počet neutronů.    

Protium = lehký vodík (99,9% všech přírodních atomů H)

Deuterium = těžký vodík

Tritium –  radioaktivní

 

• první člen periodické tabulky s nejmenší relativní atomovou hmotností
• vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru
• na Zemi existuje pouze ve sloučeninách
• největší množství vodíku je vázáno ve vodě, která pokrývá dvě třetiny zemského povrchu

 

• Důkaz vodíku:

• zkumavku s připraveným vodíkem musíme uzavřít palcem, protože vodík je lehčí než vzduch
• důkaz vodíku provádíme přiblížením zkumavky k plameni kahanu a následnou třaskavou reakcí vodíku s kyslíkem

 

Výskyt:

• volný ve formě dvouatomových molekul H₂
• vázaný je součástí:
  • všech organických sloučenin, je to biogenní prvek
  • anorganických sloučenin, např.: vody, kyselin, hydroxidů

 

Vlastnosti:

• vodík je za normálních podmínek plyn bez chuti a zápachu, lehčí než vzduch
• je hořlavý a jeho směs s kyslíkem (vzduchem) je výbušná – třaskavý plyn
• v atomovém jádře má 1 proton a v elektronovém obalu 1 elektron
• tvoří dvouatomové molekuly – H₂, ve kterých jsou atomy vodíku poutány jednoduchou vazbou
• vodík patři mezi nekovy, a proto má na rozdíl od ostatních prvků I. skupiny podstatně vyšší hodnotu elektronegativity
• za laboratorní teploty vodík není příliš reaktivní
• Rozštěpením vazby v molekulovém vodíku vzniká atomový vodík – vodík ve stavu zrodu velmi reaktivní, silné redukční vlastnosti, reaguje s celou řadou látek již za nízkých teplot. Slučuje se téměř se všemi prvky s výjimkou vzácných plynů a některých přechodných kovů.
• je-li spojen polární vazbou s atomy s vysokou elektronegativitou (F,N,O) může tvořit vodíkové vazby (vodíkový můstek)
• ocelová láhev s vodíkem je červená

 

Příprava:

a) laboratorní

• Elektrolýza vody (vylučuje se na katodě): 2 H⁺ + 2e^– H₂

2H₂O  + 2Na           2NaOH + H₂

 

• Reakcí kovů s vodnými roztoky kyselin (hydroxidů)

Zn + H₂SO₄               ZnSO₄ + H₂

 

• Reakcí alkalických kovů nebo kovů alkalických zemin s vodou

2 Na + 2 H₂O       2 NaOH + H₂

 

b) průmyslová

• Tepelným rozkladem methanu

2 CH₄     ^t            3H₂    +    C₂H₂

acetylen

• Reakcí methanu s vodní párou:

CH₄ + H₂O             CO + 3H₂

 

• Reakcí vodní páry s rozžhaveným koksem:

C + H₂O            CO + H₂

 

…Výroba vodíku pokračuje:

          CO + H₂O            CO₂ + H₂

 

Reakce:

• Reakce s halogeny Obecná rovnice:

H₂ + X₂          2HX           kde X = F, CI, Br, I

• Redukční činidlo – důkaz zapálení

2H₂ + O₂         2H₂O      (nejvíce nebezpečný v poměru 2:1)

• Redukcí plynným vodíkem lze připravit řadu kovů z jejích oxidů:

CuO+ H₂              Cu + H₂O

WO₃ +3H₂            W + 3H₂O

 

• Hydrogenace

C    O + 2H₂          CH₃OH (methylalkohol)

• přidávání molekuly vodíku na násobnou vazbu za přítomnosti katalyzátorů
• v průmyslu se jako katalyzátor využívá kov, př.: Zn, Ni
• adiční reakce
• využití ztužování tuků:

 

C₁₇H₃₃COOH  + H₂    C₁₇H₃₅COOH

kys. olejová               ^Ni              kys. stearová

 

Sloučeniny vodíku

 

Hydridy:

• dvouprvkové sloučeniny vodíku
• vznikají často přímou syntézou prvků

 

a) Iontové hydridy jsou sloučeniny vodíku s nejelektropozitivnějšími kovy

• jsou to reaktivní, termicky málo stabilní, bezbarvé krystalické látky, ve kterých má vodík oxidační číslo H^–
• Iontové hydridy lze připravit přímou reakcí vodíku s alkalickými kovy nebo kovy alkalických zemin

2Na + H₂              2NaH (hydrid sodný)

 

Ca + H₂                 CaH₂ (hyd rid vápenatý)

• Iontové hydridy reagují s vodou za vývoje vodíku:

CaH₂ + 2H₂O            Ca(OH)₂ + 2H₂

 

b) Kovové hydridy jsou křehké, pevné látky kovového vzhledu

• tvoří je prvky podskupiny chromu, triády železa a palladium
• tyto sloučeniny se vyznačují vodivými nebo polovodivými vlastnostmi
• jejich struktura není dosud zcela objasněna

 

c) Hydridy přechodného typu tvoří 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 (např.TiH_1,75 nebo VH_0,71)
• vazebné poměry v těchto sloučeninách jsou přechodem mezi vazbami iontovými a kovovými

 

d) Molekulové (Kovalentní) hydridy tvoří nekovy a polokovy IV. až VII. skupiny periodického systému

• pokud jde o jednotlivé skupiny, pevnost vazeb v těchto sloučeninách i jejich termická stabilita klesá s rostoucím atomovým číslem
• v rámci jednotlivých period však roste směrem zleva doprava

 

e) Polymerní hydridy jsou sloučeniny s elektronově deficitními vazbami

• Tvoří je prvky 2. a 3. skupiny periodického systému (Be, Mg, Zn, Cd, B, Al, Ga, ln,Tl)
• studium vazebných poměrů v těchto sloučeninách mělo značný význam pro rozvoj teorie chemické vazby
• hydridy boru a gallia jsou většinou plynné nebo kapalné, zatímco ostatní mají skupenství pevné

 

Využití:

• k syntéze anorganických a organických sloučenin
• raketové palivo – je vysoce výhřevný, neznečišťuje ovduší a je považován za palivo budoucnosti
• ke svařování a tavení kovů
• jako redukční činidlo
• při ztužování tuků

 

Nenasycené uhlovodíky

Alkeny – mají dvojnou vazbu C = C a homologický vzorec:    C_nH_2n

                              – koncovka -EN

 

Alkadieny – mají dvě dvojné vazby C = C a homologický vzorec:  C_nH_{2n – 2}

                                   př.: buta-1,3-dien    H₂C = CH – CH = CH₂  (C₄H₆)

– koncovka –DIEN

 

Alkiny – mají trojnou vazbu CC a homologický vzorec: C_nH_{2n – 2}

                              – koncovka –YN           m

 

Alkeny       

• CHEMICKÉ REAKCE:
  • A_E
  • S_R (probíhá na uhlíku alkenu, který sousedí s dvojnou vazbou)
  • Polymerace

 

Nejvýznamější adice alkenů a alkynů

Adice       A_E – halogenvodíků          HX

A_E –  halogenu                  X₂             halogenace

A_N – vody                          H₂O     hydratace

A_R – vodíku                       H₂             hydrogenace

 

Markovníkovo pravidlo: elektrofilní částice H⁺ se naváže na uhlík s větším počtem vodíku

A_E            CH₃ – CH = CH₂   + HCl                    CH₃ – CH – CH₃

_Cl

POZOR!

A_E      CH₃ – CH = CH₂  + Cl₂             CH₂ – CH – CH₂

 

Cl                 Cl

 

_{t = 500°}

S_R         CH₃ – CH = CH₂  + Cl₂                CH₂ – CH = CH₂   +  HCl

 

Cl        3-chlor prop-1-en

 

• VÝROBA:

1) Katalytickou dehydrogenací nasycených uhlovodíků

E

Al₂O₃   (Cr₂O₃)

CH₃ – CH₂ – CH₃                      CH₂ =  CH – CH₃      

 

2) Dehydratace alkoholu

H₂SO₄

CH₃ – CH₂ – OH                    CH₂ =  CH₂    +   H₂O

 

Vlastnosti:

• podobné alkanům, tvoří homologickou řadu
• roste teplota tání a varu a také hustota (liší se od alkanů díky dvojné vazbě)
• málo rozpustné v H₂O (polární), jsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech

 

Zástupci:

Ethen (Ethylen)         CH₂ =  CH₂

– lehký, bezbarvý plyn nasládlé chuti, ve směsi se vzduchem vybuchuje

– získává se při zpracování ropy

– využití v průmyslu, slouží k výrobě př. polyethylenu, ethanolu, ethylbenzenu, acetaldehydu

 

Propen (Propylen)     CH₂ = CH – CH₃

– plyn

– získává se při zpracování ropy

– slouží k výrobě př. polypropylenu, acetonu, kumenu

 

Alkyny

Hlavní představitel ACETYLEN (slabě kyselá povaha, odštěpuje vodík)

Charakteristika vazby:  – skládá se z 1 vazby s sigma a 2 vazeb p

– s překrytí valenčních elektronů, na spojnici jader

– p mimo spojnici jader

 

Vlastnosti:

• podobné alkenům a alkanům, ale mají t_t,t_v než alkeny se stejným počtem uhlíků
• liší se od alkanů díky trojné vazbě
• větší rozpustnost

 

Ca²⁺   _CC   ^{2 –}

 

karbid vápníku                             Acetylen má kyselou povahu – slabá kyselina

 

Důkaz násobné vazby:

– pomocí bromové vody  (roztok Br₂)

– je-li přítomna násobná vazba, bromová voda se odbarví, protože po přidání bromové vody dojde k rozrušení násobných vazeb a jednotlivé atomy bromu naváží na uhlík

• VÝROBA acetylenu

CaC₂  +  2H₂O            HCCH  +  Ca(OH)₂          pozn.:  Vodíky se dají nahradit, soly jsou acetylidy.

karbid vápníku                     acetylen                

acetylid vápenatý

 

Acetilidy neboli karbidy – 3druhy:

• alkalických kovů Na₂C₂
• kovů alkalických zemin CaC₂           reagují bouřlivě s vodou za vzniku
• těžkých kovů Ag₂C₂        acetylenu, při vyšší teplotách jsou stálé

 

• REAKCE

Typická vlastnost nenasycených uhlovodíků  Adice (především A_E)

 

C₂H₂   +   H₂O   H₂SO₄        H₂C = CH     ^přesmyk                                   A_N

acetylen                                vinylalkohol     _OH                     acetaldehyd

(v bílé ocelové lahvi)         (nestálý)                             (stabilní)

 

Cl    Cl

_{2            1}                                                                           

CH₃ – C  CH +   Cl₂               CH₃ – C = CH  + Cl₂         CH₃ – C –  CH             A_E

 

Cl    Cl                               Cl    Cl

1,2 dichlorpropen                1,1,2,2 tetrachlorpropan

Další reakce alkynů:

DIMERACE

2 CH  CH ® CH₂=CH–CCH ® CH₂=CH–CH= CH₂

vinylacetylen                 H₂                   but-1,3-dien         (polymerace -> buna)

                              1buten-3-yn

TRIMERACE

_{t = 400°C}

3 CH  CH     ®

 

TETRAMERACE

_{t = 400°C}                            CH=CH₂

4 CH  CH     ®

vinylbenzen      (polymerace -> polystyren)

 

Zástupce: Acetylen

• bezbarvý ply, bez zápachu, ve směsi se vzduchem vybuchuje
• používá se při autogenním sváření (s kyslíkem vytváří speciální plamen)
• pro výrobu acetaldehydu, vinylchloridu