I. WODÓR

1. Położenie wodoru w układzie okresowym i jego ogólne właściwości

Struktura elektronowa atomu wodoru: 1s¹

Stopnie utlenienia wodoru: +1 i -1:

*Podobieństwo do litowców

+ 1 stopień utlenienia (H⁺), np. HCl, H₂O, H₂SO₄

*Podobieństwo do fluorowców

- 1 stopień utlenienia (H^-) → wodorki metali (np. LiH),

- nietrwały w obecności wody :

H^- + H₂O = H₂ + OH^-

- elektroujemność (A-R):

H 2,20

Litowce 0,97 - 0,86

Fluorowce 4,10 - 2,21

Wodór jest niemetalem, ale w specjalnych warunkach może być metalem (wysokie ciśnienie).

- promień atomowy:

Wodór 37 pm

Litowce 90 - 194 pm

2. Metody otrzymywania wodoru

1. Rozkład wody

Niektóre metale roztwarzają się w wodzie:

Na + H₂O = ¹/₂H₂ + Na⁺ + OH^-

W wodzie roztwarzają się także: Li, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba

Elektroliza wody - wodnych roztworów elektrolitów, np. NaCl

katoda : 2H⁺ + 2e = H₂

b) Z kwasów i zasad

metal nieszlachetny + kwas → wodór

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂

Fe + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂

amfoteryczny metal nieszlachetny + zasada → wodór

Zn + 2OH^- + 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2- + H₂

2Al + 2OH^- + 6H₂O = 2[Al(OH)₄]^- + 3H₂

c) Z gazu ziemnego

CH₄ + 2H₂O = CO + 3H₂ 700 K

CO + H₂O = CO₂ + H₂ katalizator Ni

d) Z koksu

C + H₂O = CO + H₂ 1500 K

CO + H₂O = CO₂ + H₂

Uwaga:

otrzymywanie wodoru przez elektrolizę wody, z gazu ziemnego i koksu to metody przemysłowe.

Pozostałe metody mają jedynie zastosowanie w laboratorium (metody laboratoryjne).

3. Izotopy wodoru

Znane są 3 izotopy wodoru:

H 99,98% prot

D 0,016% deuter

T ~10^-16% tryt

D ≡ ₁²H, T ≡ ₁³H

Tryt (₁³H) jest promieniotwórczy; powstaje samorzutnie w atmosferze w wyniku reakcji jądrowej:

D₂O - ciężka woda - otrzymywanie przez długotrwałą elektrolizę wody

4. Wodór atomowy i cząsteczkowy

H₂ - cząsteczka bardzo trwała (w normalnych warunkach)

H₂ ⇔ 2H ΔH^θ- = +436 kJ/mol

reakcja endotermiczna → reakcji rozkładu sprzyjają wysokie temperatury:

1000 K α = 0,12 %

3000 K α = 9,0 %

4000 K α = 62 %

Wpływ ciśnienia - niskie ciśnienie sprzyja rozkładowi wodoru.

Wodór aktywny = wodór in statu nascendi (w chwili powstania)

np. redukuje KMnO₄

5. Dwie odmiany wodoru cząsteczkowego

• ortowodór i parawodór

Jądra zawierają protony, które mają określone spinowe momenty magnetyczne orto - zgodne para - przeciwne

W temperaturze 25 ⁰C wodór składa się z 75 % obj. ortowodoru i w 25 % obj. parawodoru.

W miarę oziębiania, zawartość parawodoru rośnie (odmiany uboższej
w energię) i w 20 K dochodzi do 99,7%.

Odmiany te różnią się m.in. ciepłem właściwym.

6. Właściwości chemiczne wodoru

W temperaturze pokojowej - niezbyt aktywny.

Łączy się z fluorem (HF) a podczas naświetlania też z chlorem (HCl).

W podwyższonych temperaturach reaguje :

- z niemetalami

- z metalami

Reakcja z tlenem :

- do 450 K brak reakcji

- 450 ÷ 720 K reakcja przebiega z bardzo niską szybkością

- > 720 K reakcja przebiega wybuchowo:

H₂ + 1/2 O₂ = H₂O ΔH^{o -} = -286 kJ/mol

Mieszanina H₂ : O₂ w stosunku objętościowym 2 : 1 to mieszanina

piorunująca.

Palnik Daniella - temp. do 3000 K

Palnik Daniella

Wodór jest silnym reduktorem w podwyższonych temperaturach

CuO + H₂ Cu + H₂O

3Fe₂O₃ + H₂ 2Fe₃O₄ + H₂O

Fe₂O₃ + H₂ 2FeO + H₂O

Fe₂O₃ + 3H₂ 2Fe + 3H₂O

7. Wodorki

Są to połączenia wodoru z innymi pierwiastkami o ogólnym wzorze:

XmHn

H

Li

Be

B

C

N

O

F

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Cs

Ba

La-Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Fr

Ra

Ac

U, Pu

jonowe metaliczne kowalencyjne*

*z pierwiastkami najbardziej elektroujemnymi (N, O, F, Cl) łączą się tworząc spolaryzowane wiązania kowalencyjne.

Wodorki metali I-szej i II grupy głównej rozkładają się w wodzie:

CaH₂ - wodorek wapnia

CaH₂ + 2H₂O = Ca²⁺ + 2OH^- + 2H₂

Inne przykłady wodorków:

H₂O, NH₃, CH₄, HCl - wodorki stechiometryczne

PdH_0,6 TiH_1,73 ZrH_1,92 - wodorki niestechiometryczne

Zastosowanie wodorków - magazynowanie wodoru, np.

MgH₂, LaNi₅H₆ → po podgrzaniu wydzielają wodór

wodorek metal + wodór

7.1. Woda

1) Budowa cząsteczki wody - patrz wykład Chemia Ogólna

Skutek: hydratacja jonów oraz rozpuszczalność elektrolitów w wodzie.

2) Woda w świetle teorii kwasowo-zasadowych - patrz wykład Podstawy Chemii Nieorganicznej

3) Wiązania wodorowe - skutki tego wiązania w przypadku wody
- patrz wykład Chemia Ogólna

Woda jest jedynym związkiem chemicznym występującym na Ziemi
we wszystkich trzech stanach skupienia (woda, lód, para wodna). Posiada niezwykłe właściwości fizykochemiczne.

Gęstość wody wraz z temperaturą zmienia się w sposób anormalny - maksymalną gęstość posiada woda w temperaturze +3,98 ^oC

temp. (^oC) gęstość (kg/dm³)

0 (lód) 0,9159

0 (ciecz) 0,9998

3,98 1,000

5 0,9999

20 0,9982

40 0,9922

300 0,7100

Patrz - wykres fazowy wody - wykład z Chemii Ogólnej.

Inne właściwości wody (w 25^oC):

Ciepło topnienia 6,01 kJ/mol

Ciepło parowania 44,0 kJ/mol

Pojemność cieplna 4,17 J/g ⋅K

Napięcie powierzchniowe 72,0 ⋅ 10^-3 J/m²

Jedną z najbardziej anormalnych właściwości ciekłej wody jest jej wysoka pojemność cieplna - zapobiega gwałtownym zmianom klimatu.

Umożliwia to prądom oceanicznym zanieść ciepło znad równika w rejony podbiegunowe.

Właściwości różnych form wody:

	H2O	^2H2O	^1H2^18O	^2H2^18O	^3H2O
gęstość maks., kg/m^3 Temp. maks. gęstości, ^oC	999,972 3,984	1106,00 11,185	1112,49 4,211	1216,88 11,438	1215,01 13,403

²H₂O ≡ D₂O (woda ciężka)

Różne rodzaje wody

• ciężka - królewska,

• gruntowa, głębinowa, - wapienna,

• morska, - chlorowa,

• czysta, zanieczyszczona (ścieki), - siarkowodorowa,

• destylowana, - krystalizacyjna,

demineralizowana, - konstytucyjna,

• mineralna, - twarda, miękka.

• utleniona,

7.2. Nadtlenek wodoru

Powstaje z nadtlenków metali; np. z nadtlenku baru

BaO₂ + H₂SO₄ = BaSO₄ + H₂O₂

Roztwory wodne nadtlenku wodoru:

30% - perhydrol, 3% - woda utleniona

Nadtlenek wodoru jest nietrwały:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂ ΔH^o = +99 kJ/mol

Dodatek rozdrobnionej Pt, Ag, MnO₂ oraz matowana powierzchnia przyspieszają rozkład H₂O₂.

Wykazuje słabe właściwości kwasowe:

H₂O₂ + H₂O = H₃O⁺ + HO₂^- K_a = 1,5 ⋅10^-12

H₂O₂ jest silnym środkiem utleniającym:

H₂O₂ + 2H⁺ + 2e → 2H₂O E^o = +1,77 V

np:

2[Cr(OH)₄]^- + 3H₂O₂ + 2OH^- = 2CrO₄^2- + 8H₂O

H₂O₂ może również wykazywać właściwości redukujące:

H₂O₂ → 2H⁺ + O₂ + 2e E⁰ = +0,695 V

np:

2MnO₄^- + 6H⁺ + 5H₂O₂ = 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5O₂

8.Wodór jako paliwo przyszłości

Najbardziej perspektywicznym paliwem jest wodór, który spala się wg reakcji:

2H₂ + O₂ = 2H₂O -142 MJ/kg

Podczas spalania 1kg wodoru wydziela się 142 MJ energii, a powstająca woda, jest w 100 % ekologiczna. Reakcja ta może być realizowana w tzw. ogniwie paliwowym.

Dla porównania ze spalenia 1 kg węgla i 1 kg metanu otrzymuje się odpowiednio 33 i 50 MJ energii (przy 100 % wydajności tych reakcji). Jednak nie rozwiązany jest, jak dotychczas, problem magazynowania tego paliwa gazowego. Można to realizować na następujące sposoby:

1. Sprężanie wodoru - ciśnienie 300 - 700 atm.,

2. Skraplanie wodoru - temperatura - 253  ºC,

3. Zamiana w wodorki, np. NaAlH₄ oraz wodorki Sm i Co,

4. Absorbenty wodoru, np. nanorurki węglowe.

Status stosowalności tych sposobów magazynowania wodoru jest: - w przypadku dwóch pierwszych - dostępny,

- w trzecim w opracowaniu,

- a w czwartym na etapie wczesnych prac badawczych.

Koniec rozdz. I

Władysław Walkowiak Wykład - Chemia Nieorganiczna

1/17

ChN_Wykład 1_I. Wodór

spiny

}

} powstają wodorki

420 K

530 K

800 K

900 K

wysoka temp.

Budowa cząsteczki H₂O₂:

---