Vodík, voda, roztoky

Proč je zakázané kopírování? 💾 Stáhnout materiálVIP členstvíNahlásit chybu

 

Otázka: Vodík, voda, roztoky

Předmět: Chemie

Přidal(a): lenno

 

Vodík (hydrogenium)

  • nejrozšířenější prvek ve vesmíru
  • nejjednodušší atom (konfigurace 1s) => 1H: 1s1 => nepřechodný prvek; s1-prvek
  • volný vodík v horních vrstvách atmosféry a sopečných plynech.
  • vázaný ve sloučeninách (voda; organické sloučeniny)
  • tvoří základ veškeré živé hmoty (biogenní prvek)
  • přírodní vodík je směsí tří izotopů:
    • lehký vodík – protium 11H
    • těžký vodík – deuterium 21H (v přírodě značka D, vyskytuje se ve formě D2O)
    • tritium 31H (značka T, výskyt v horní vrstvě atmosféry, kde vzniká jadernou reakcí: 14N + n  ->  3H + 12C
  • nejčastěji se připravuje reakcí zředěné silné kyseliny (H2SO4 nebo HCl) se zinkem
    • Zn + H2SO4 ->  ZnSO4 + H2
  • další způsob přípravy: z reakce amfoterních kovů s roztoky hydroxidů alkalických kovů
    • Zn + 2NaOH + 2H2O ->  Na2[Zn(OH)4] + H2
      • tetrahydroxidozimečnatan sodný
  • průmyslová výroba: přeháněním vodní páry přes rozžhavený koks
    • První fáze – vznik směsi oxidu uhelnatého a vodíku:
      • H2O + C ->  CO + H2
    • Druhá fáze – reakce oxidu uhelnatého s dalším podílem vodní páry:
      • CO + H2O -> CO2 + H2
    • Třetí fáze – odstranění CO2 roztokem hydroxidu draselného
      • CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O
  • Jiný způsob prům. výroby: reakce methanu s vodní párou, kterou je nutno provádět při vysoké teplotě (1100 °C) a za přítomnosti katalyzátoru: CH4 + H2O ->  CO + 3H 2
  • Velmi čistý vodík se vyrábí elektrolýzou okyselené vody

 

Vlastnosti vodíku:

  • bezbarvý plyn, lehčí než vzduch, málo rozpustný v kapalných rozpouštědlech
  • ve formě dvouatomových molekul H2 (divodík)
  • nekov, a proto má na rozdíl od ostatních prvků I. skupiny podstatně vyšší hodnotu elektronegativity
  • Energie vazby H – H je vysoká, E= 435,88 kJ.mol-1 => relativně malá reaktivita vodíku při laboratorní teplotě. S většinou prvků vodík reaguje za teploty nad 2000 K (asi 1727 °C) nebo za zvýšené teploty v přítomnosti katalyzátoru (Ni, Pt, Pd).
  • Ve sloučeninách se atomy vodíku snaží získat elektr. konfiguraci vzácného plynu:
    • a) přijetím elektronu od atomu s nízkou hodnotou elektronegativity:
      • H(g) + e -> H(g)
      • Vzniká tzv. hydridový anion H.
    • b) vytvořením kovalentních vazeb; vazby nepolární (H2) nebo polární (HCl).
    • c) ztrátou valenčního elektronu, vzniká kation H+ (tzv. hydron, proton).
      • Kation H+ je nestabilní (částice s velmi malým poloměrem) a ihned se váže s látkou obsahující volný elektronový pár, např.
      • H+ + H2O -> H3O+  oxoniový kation (oxonium),
      • H+ + NH3 -> NH4+  amonný kation (amonium).
  • ve sloučeninách jednovazný. Oxidační číslo vodíku ve sloučeninách je I a –I.
  • ve většině chem. reakcí – redukční činidlo

 

Chemické reakce vodíku:

  • Reaguje se všemi halogeny: H2 + X2 ->  2HX (kde X = F, Cl, Br, I)
  • V přítomnosti kyslíku vodík hoří: 2H2(g) + O2(g) -> 2H2O(l)
  • => reakce je výrazně exotermní; tj. směs vodíku a kyslíku je výbušná (tzv. třaskavý plyn)
  • Redukcí plynným vodíkem lze připravit řadu kovů a jejich oxidů:
    • CuO + H2 ->  Cu + H2O
    • WO3 + 3H2 ->  W + 3H2O
  • Hydrogenace: vznik organických látek z látek anorganických
    • CO + 2 H2 ->  CH3OH (methylalkohol)

 

Sloučeniny vodíku: binární (dvouprvkové) sloučeniny = hydridy

Vlastnosti určuje povaha vazby vodíku s dalším prvkem. Podle charakteru vazby rozlišujeme:

  • Iontové hydridy: sloučeniny vodíku s nejelektropozitivnějšími kovy (alkalické kovy nebo kovy alkalických zemin)
    • Př: 2Na + H2 -> 2NaH (hydrid sodný)
      • Ca + H2 ->  Ca H2 (hydrid vápenatý)
    • Jedná se o bílé, krystalické látky s vysokou teplotou tání, v iontové krystalové struktuře mají vázány anionty H a kationty kovu. Taveniny iontových hydridů vedou elektrický proud. Jsou velmi reaktivní, RbH a CsH jsou samozápalné i v suchém vzduchu. Při jejich reakci s vodou vzniká vodík (reakce může být explozivní), např. NaH + H2O -> H2 + NaOH.
    • NaH se používá jako mimořádně silné redukční činidlo. LiH slouží jako přenosný zdroj vodíku.
  • kovalentní hydridy
    • (BeH2, MgH2, sloučeniny prvků 13. – 17. skupiny PSP)
    • názvosloví:
    • BeH2 hydrid beryllnatý, MgH2 hydrid hořečnatý
    • jednoslovné názvy složené z kmene mezinárodního názvu prvku a přípony –an.
    • Ve vzorcích se značka vodíku píše vpravo od značky prvku, výjimkou jsou hydridy prvků 16. a 17.skupiny PSP, kdy se značka vodíku ve vzorci zapisuje vlevo; např. NaH, NH3, H2O, HF.
    • např. PH3 – mezinárodní název phosphorus Þ fosfan
    • Jejich vlastnosti závisí na polaritě vazeb. S výjimkou vody jsou za normálních podmínek plynné, těkavé látky. Hydridy se slabě polární vazbou, např. CH4, PH3, s vodou nereagují. Hydridy se silně polární kovalentní vazbou reagují s vodou za uvolnění kationtu vodíku, vzniká oxoniový kation,
    • např. HCl + H2O -> H3O+ + Cl.
  • Kovové hydridy:
    • křehké, pevné látky, kovového vzhledu, tvoří jej prvky podskupiny chromu, triády železa a palladium
    • Hydridy přechodného typu: tvoří prvky podskupin skandia, titanu, vanadu a některých lanthanoidů a aktinoidů, většinou mají charakter berthollidů – mají proměnlivé chem. složení

 

Využití:

  • syntéza metanolu, výroba léčiv, NH3 (80%), HCl, dusíkatých hnojiv
  • v elektrárnách – chlazení generátorů, motorů
  • katalytické hydrogenaci nenasycených rostlinných olejů, tj. ke ztužování kapalných tuků
  • palivo pro spalovací motory a palivové články
    • v metalurgii (ke sváření, řezání, tavení a získávání kovů)

 

Voda

  • výskyt ve třech skupenstvích-pára, voda, led. pokrývá téměř 2/3 povrchu země, v atmosféře, v půdě, v organismech – cca 72 % lidského těla)
  • druhy: dešťová, pramenitá, mořská, destilovaná, minerální (nad 1 g rozp. látek v 1litru)
  • vlastnosti: bezbarvá kapalina bez chuti a zápachu, dle tta tv utvořena Celsiova stupnice, led má o 10% větší objem (krystalická struktura) => menší hustota, jsou to lomené (105°) molekuly se silně polární kovalentní vazbou, mezi molekulami vodíkové můstky-ty jsou příčinou anomálie vody: -max. hustota při 4 °C, -vysoká teplota tání a varu, -dobrá tepelná vodivost
  • vlastnosti: jedna z nejstálejších sloučenin
  • vlastnosti peroxidu vodíku: bezbarvá kapalina s kovovou chutí, která se rozpouští v jakémkoliv poměru pomocí vody, alkoholu a etheru; vodné roztoky peroxidu jsou výbušné
  • bouřlivě reaguje s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin: 2Na+2H2O–>2NaOH+H2.
  • za vysokých teplot reaguje vodní pára s kovy za vzniku vodíku a oxidu: 3Fe+4H2O–> Fe3O4+H2.
  • acidobazické vlastnosti-vznik hydroxoniového: -kationtu: 2H2O–>H3O++OH, -aniontu: H2O–>H++OH.
  • autoprotolýza vody=disociace vody-podléhá jí 1 z 555mil. molekul H2O–>H++OH; H++H2O—>H3O+.
  • konc molekul H3O+a OH – je 1:1
  • s kyselinotvornými oxidy reaguje za vzniku kyselin (SO3), se zásadotvornými za vzniku hydroxidů (Na2O), je vedlejším produktem mnoha reakcí, např. neutralizace.
  • voda jako rozpouštědlo: voda je častým prostředím mnoha chem. reakcí, je rozpouštědlem mnoha pevných, kapalných i plynných látek-vznikají vodné roztoky
  • tvrdost vody: přechodná – způsobena hydrogenuhličitany-odstraní se varem:
  • Ca (HCO3)2[Mg (HCO3)2] –100 °C–> Ca [Mg]CO3+CO2+H2O
  • trvalá-způsobena sírany, odstraňuje se chemicky(iontoměniči): CaSO4+Na2CO4–> Na2SO4+Ca
  • Hydráty
    • látky, které mají ve svých molekulách obsaženou vodu; v anorganické chemii se jedná především o soli, u nichž je voda zabudována do krystalů; vlastnosti hydrátů solí se liší od jejich bezvodých solí
    • jmenují se podle počtu molekul.. mono, di, tri, tetra, penta, hexa, hepta, okta, nona, deka atd..
  • Elektrolytická disociace
    • štěpení polárních molekul elektrolytu na ionty pod vlivem polárních molekul vody
    • elektrolyt – látka, roztok které vede elektrický proud
    • roztok – homogenní směs dvou nebo několika čistých látek
    • stupně disoace:
      • a > 30% – silné elektrolyty
      • 2% < a < 30% – středně silné elektrolyty
      • a < 2% – slabé elektrolyty

 

Louhy – rozpustné ve vodě hydroxidy

NaOH disociuje takto: disociace KOH:
NaOH ⇆ Na+ + OH KOH ⇆ K+ + OH
Na+ – sodný kationt
OH – hydroxidový aniont
K+ – draselný kationt
OH – hydroxidový aniont

 

disociace Ba(OH)2
1. Ba(OH)2 ⇆ BaOH+ + OH
2. BaOH+ ⇆ Ba+2 + OH
zjednodušený zápis:
Ba(OH)2 ⇆ Ba+2 + 2OH
Ba+2 – barnatý kationt
OH – hydroxidový aniont

 

Kyseliny

disociace HCl disociace HNO3
HCl ⇆ H+ + Cl
H+ – kationt vodíku
Cl – aniont chlorovodíkové kyseliny
HNO3 ⇆ H+ + NO3
H+ – kationt vodíku
NO3 – iont kyseliny dusičné

 

disociace H2SO4
1. H2SO4  ⇆ H+ + HSO4
2. HSO4  ⇆ H+ + SO4-2
zjednodušený zápis:
H2SO4  ⇆ 2H+ + SO4-2
H+ – kationt vodíku
SO4-2 – síranový aniont

 

Soli (jednoduché)

disociace BaCl2 disociace Fe2(SO4)3
BaCl2  ⇆ Ba+2 + 2Cl
Ba+2 – barnatý kationt
Cl – aniont chlorovodíkové kyseliny
Fe2(SO4)3 ⇆ 2Fe+3 + 3SO4-2
Fe+3 – železitý kationt
SO4-2 – síranový aniont

 

Rozpustnost látek

  • Rozpustnost je hodnota udávající koncentraci rozpuštěné látky v nasyceném roztoku za daných podmínek (teplota, tlak). Tyto podmínky je třeba vždy uvádět, neboť rozpustnost se s nimi mění. Rozpustnost se udává různými způsoby, například počet gramů látky na 100 g rozpouštědla, počet gramů látky na 100 g roztoku, látková koncentrace.
  • Pro rozpustnost látek v různých rozpouštědlech platí jednoduché pravidlo:
  • Iontové látky jsou podle tohoto pravidla většinou dobře rozpustné v polárních rozpouštědlech, kovalentní látky jsou většinou dobře rozpustné v nepolárních rozpouštědlech.

 

Roztok

  • homogenní směs dvou nebo několika čistých látek; může být i pevná nebo plynná
  • složení roztoku je v objemu stejné a má tedy všude stejné vlastnosti
  • Nasycenost roztoků:
    • Nasycený roz. – je roztok, ve kterém se další množství látky již nerozpouští
    • Nenasycený roz. – roztok, ve kterém je rozpuštěné látky méně než odpovídá rovnovážnému nasycení roztoku
    • Přesycený roz. – roztok, ve kterém je rozpuštěné látky více než odpovídá rovnovážnému nasycení roztoku

 

Srážecí reakce

  • působením srážedla na nějakou látku vzniká obtížně rozpustná látka – sraženina
  • vznik takové sraženiny je popsán součinem rozpustnosti Ks (určuje termodynamickou stabilitu sraženiny)
  • vyjadřuje rovnováhu mezi málo rozpustnou látkou (sraženinou) a jejím nasyceným roztokem

 

Součin rozpustnosti

  • čím menší hodnota Ks (tedy čím vyšší hodnota pKs), tím je sraženina méně rozpustná


Další podobné materiály na webu: