PIERWIASTKI GRUP

GŁÓWNYCH ORAZ METALE

PRZEJŚCIOWE BLOKU D

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

WODÓR

 Jest pierwiastkiem o najprostszej budowie atomu

(jądro

o

ładunku +1 z jednym elektronem).

 Jest

najlżejszym gazem.

 Nie ma barwy, zapachu ani smaku,

słabo rozpuszcza się

w wodzie.

 Nie tworzy odmian alotropowych.

Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we

Wszechświecie.

WYSTĘPOWANIE WODORU

Na Ziemi wodór występuje prawie wyłącznie w związkach chemicznych np.:
- woda,
-

węglowodory (ropa naftowa, gaz ziemny),

-

organizmy zwierzęce i roślinne.

W postaci wolnej można go przede wszystkim
spotkać w górnych warstwach atmosfery
(cząsteczki H

2

są lekkie i mogą pokonywać

przyciąganie ziemskie i uciekać w przestrzeń
kosmiczną).

PROBLEMY Z UMIESZCZENIEM WODORU W UKŁADZIE OKRESOWYM

Najczęściej zajmuje pierwszą pozycję w pierwszej grupie układ okresowego
(czasem przymierzany jest również do grupy fluorowców).

Okazuje się jednak, że jego właściwości nie pasują do charakterystyki żadnej

z tych grup.

Podobieństwa

Grupa 1 (litowce)

Ma jeden elektron walencyjny,

który łatwo traci tworząc jony

dodatnie (+I

stopień utlenienia).

Grupa 17 (fluorowce)

Brakuje mu jednego elektronu do

osiągnięcia konfiguracji

gazu szlachetnego

(może tworzyć jony na –I stopniu

utlenienia.

Różnice

Grupa 1 (litowce)

Wodór w przeciwieństwie do litowców tworzy wiązania
o

dominującym charakterze kowalencyjnym.

Grupa 17 (fluorowce)

Jon H

-

w

odróżnieniu od jonów fluorowców(np. F

-

) jest

nietrwały w obecności wody, która utlenia go do wolnego
wodoru.

Litowce

– pierwiastki o najniższej elektroujemności, fluorowce – najwyższa

elektroujemność, wodór – elektroujemność pośrednia.

OTRZYMYWANIE WDORU

W skali laboratoryjnej

1. Działanie kwasem na metal o ujemnym standardowym potencjale

elektrochemicznym

Zn + 2HCl → ZnCl

2

+ H

2

2.

Reakcja metalu alkalicznego z wodą

2Na + 2H

2

O → 2NaOH + H

2

3. Elektroliza wody

2H

2

O → 2H

2

+ O

2

Katoda: 2H

2

O + 2e → H

2

+ 2OH

-

Anoda: 2OH

-

→ 1/2O

2

+ H

2

O

Metoda kosztowna ze względu na duże zużycie energii.

W skali technicznej

1. Metoda konwersji CH

4

lub lekkiej frakcji ropy naftowej

CH

4

+ H

2

O

→ CO + 3H

2

(temp. 700-1100

°C, katalizator Ni)

Powstały produkt to gaz syntezowy, który może być wykorzystany
jako reduktor lub

źródło energii.

CO + H

2

O

→ CO

2

+ H

2

(temp. ok. 450

°C, katal. Fe/Cu)

Dwutlenek

węgla może być usunięty przez absorpcję w wodzie pod

zwiększonym ciśnieniem, a jego resztki związkami o charakterze
zasadowym.

2.

Półspalanie

2CH

4

+ O

2

→ 2CO + 4H

2

(ograniczona

ilość tlenu, specjalne warunki)

3. Dawniej do produkcji wodoru wykorzystywano

również węgiel

C + H

2

O

→ CO + H

2

4. Mniejsze znaczenie ma

następująca reakcja:

3Fe + 4H

2

O

→ Fe

3

O

4

+ 4H

2

(ok. 600

°C, opiłki żelaza)

Fe

3

O

4

+ CO

→ 3Fe + 4CO

2

(900

°C, regeneracja)

WŁAŚCIWOŚCI WODORU

TABELA 19.1 STR 893 Atkins

Właściwości fizyczne

Deuter i jego

związki można otrzymać przez elektrolizę wody.

Okazuje

się, że podczas elektrolizy H wydziela się 6-krotnie łatwiej niż D,

dlatego

zawartość deuteru w pozostałej wodzie wzrasta.

Powtarzając procedurę elektrolizy wielokrotnie można uzyskać wodę
wzbogaconą w deuter.

Właściwości fizyczne H

2

O i D

2

O

Tabela str 128 Lee

Stopnie utlenienia wodoru

H

1-

- NaH, CaH

2

H

0

– H

2

H

1+

- H

2

O, NH

3

, CH

4

Wybrane reakcje wodoru:

Synteza wody

2H

2

+O

2

→ 2H

2

O

Synteza wodorków

2Na + H

2

→ 2NaH

N

2

+ 3H

2

→ 2NH

3

(katalizator Fe, podwyższone ciśnienie i temp.)

Redukcja tlenków metali

CuO + H

2

→ Cu + H

2

O

Reakcja z fluorowcami

H

2

+ Cl

2

→ 2HCl

(reakcja z fluorem przebiega wybuchowo nawet w temp. ciekłego wodoru).

Reakcja z metalami

przejściowymi

→ Tworzenie niestechiometrycznych

wodorków np. z palladem.

Uwodornienie

związków organicznych

w

obecności katalizatora np. Nikiel

Raney’a.

WYBUCHOWA MIESZANINA WODORU Z TLENEM

KATASTROFA HINDENBURGA

6 maja 1937 roku -

mierzący 245 metrów długości i 41 metrów średnicy

sterowiec LZ 129 Hindenburg

wiózł na pokładzie 36 pasażerów i 61 członków

załogi. Stojąc na holu i oczekując na lądowanie na lotnisku w pobliżu Nowego
Jorku, sterowiec nagle

stanął w płomieniach.

Zeppelin

spadł na ziemię, a jego kadłub spalił się w mniej niż minutę.

13

pasażerów, 21 członków załogi i 1 pracownik naziemny stracili życie.

Jaki będzie efekt reakcji???

H

2

C

2

H

2

C

2

H

2

/O

2

Palnik Daniella

Duże ciepło spalania wodoru zostało wykorzystane w palniku
tlenowodorowym.

Tlen i

wodór są doprowadzane osobnymi przewodami do wylotu

palnika.

Palnik pozwala na uzyskiwanie temperatur ok. 3000 K.

Rys. 20 str 74
Sołoniewicz

ZASTOSOWANIE WODORU

Produkcja wodoru w

przemyśle – ok. 3 x 10

8

kg na rok.

1. Ok. 50% wyprodukowanego wodoru wykorzystuje

się do syntezy

amoniaku

metodą Habera

N

2

+ 3H

2

→ 2NH

3

(temp. 400-500

°C, ciśń. 130-150 atm, katal. Fe)

2. Reakcja Fischera-Tropscha (otrzymywanie benzyny syntetycznej)

nCO + (n+m/2)H

2

→ C

n

H

m

+ nH

2

O (katalizator Co/Fe)

3. Produkcja metanolu

2H

2

+ CO

→ CH

3

OH (katalizator Zn/Cu)

4.

Ok.

1/3

wyprodukowanego

wodoru

wykorzystuje

się do hydrometalurgicznego

wydzielania miedzi i innych metali z rud
przez

redukcję w roztworze wodnym

Cu

2+

+ H

2

→ Cu + 2H

+

Rudę zawierającą CuO i CuS rozpuszcza się
w

kwasie

siarkowym

(VI),

a

następnie

przepuszcza

wodór przez roztwór. Powyższą

metodę można stosować tylko do metali
o dodatnim potencjale standardowym.

5. Paliwo rakietowe

(duża entalpia właściwa

wodoru)

2H

2

+ O

2

→ 2H

2

O

Rys.
19.7
str 894
Atkins

6. Reakcja uwodornienia

tłuszczów nienasyconych

CH

3

-(CH

2

)

n

-CH=CH-(CH

2

)

n

-COOH + H

2

→ CH

3

-(CH

2

)

x

-COOH (katal. Ni)

Olej

– wiązania podwójne – odporne na skręcanie – ułożenie cząsteczek

niezbyt

gęste – ciecz.

Tłuszcze nasycone – wzrasta giętkość łańcucha, ułożenie cząsteczek
bardziej

gęste – ciało stałe.

7. Inne procesy uwodornienia

-redukcja nitrobenzenu do aniliny
(w przemyśle barwników),
-katalityczna redukcja benzenu
(produkcja włókien sztucznych).

Wodoroodsiarczanie

(oczyszczanie

paliw z siarki)

– podwyższone

ciśnienie, katal. Co-Mo
Reakcję prowadzi się w obecności
wodoru

– siarka usuwana w postaci

H

2

S.

Wodoroodchlorowanie

(np. odpadów

przemysłowych) – katal. Pd
Konwersja produktów ubocznych,
zużytych rozpuszczalników do
związków mniej niebezpiecznych dla
środowiska.

WODA

Cząsteczka wody:
wiązania H–O są silnie spolaryzowane i stąd woda ma
charakter polarny.

Kąt między wiązaniami wodór-tlen-

wodór (H―O―H) w fazie ciekłej wynosi ok. 105°.

W postaci

stałej (lodu) kąt między tymi wiązaniami

jest

równy ok. 108°.

W wodzie w fazie

ciekłej wiązania wodorowe nieustannie powstają i pękają.

W fazie

stałej wiązania wodorowe nie ulegają zrywaniu i determinują

powstanie heksagonalnego

układ krystalograficznego.

Woda, jako jedna z niewielu substancji, nie

zwiększa swojej objętości

monotonicznie

w

przedziale

temperatur

od

0

do

100

°C. Anomalia

spowodowana jest istnieniem

wiązań wodorowych. Wiązania te pękają

w obszarze anomalnym

(największa gęstość w temp. ok. 4°C), zwiększając

nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również
objętość cieczy.

Zima

Lato

Temperatury wrzenia wybranych związków chemicznych

Co powoduje, że lód jest śliski???

HYDRATY METANU

Pierwsze hydraty gazu opisane zostały

w 1811 roku przez sir

Humphry’a Dave.

W latach 60. XX wieku znaleziono

złoża

hydratów na Syberii, a w następnym
dziesięcioleciu znaczne ich ilości odkryto na
szelfach kontynentalnych.

W 1981 wydobyto u

wybrzeży Gwatemali

pierwszą próbkę klatratu.

Obecnie

rozważane

jest

wykorzystanie

zasobów klatratu metanu jako potencjalnego
źródła gazu ziemnego. W ciągu ostatnich
kilkunastu lat, metan

uwięziony w hydratach,

zaczęto postrzegać również jako potencjalne
źródło zmian klimatu.

WARUNKI POWSTAWANIA

Warunki niezbędne do tworzenia hydratów:

1.

Obecność metanu pochodzącego

zazwyczaj z rozkładu substancji
organicznych.

2. Przesycenie wody metanem.

3. Niska temperatura wody, nie

przekraczająca kilku stopni powyżej
temperatury zamarzania.

4. Wysokie ciśnienie panujące na

głębokości poniżej 500m.

ROZMIESZCZENIE HYDRATÓW METANU

NIESTABILNOŚĆ HYDRATÓW

Kawałki hydratów wielkości lodówki
mogą oderwać się od dna i dotrzeć
do powierzchni wody.

Niestabilność i uwalnianie hydratów może być spowodowane przez ruchy

tektoniczne, osunięcia dna oraz zmiany temperatury wody morskiej.

Hipoteza związana z przyczyną wypadków w Trójkącie Bermudzkim

HYDRATY JAKO PALIWO???

Problemy związane z zastosowaniem hydratów
metanu jako źródła energii:

-

wydobycie (hydraty metanu nie są niestabilne),

-

opłacalność eksploatacji złóż – brak komercyjnych

technologii,

- transport surowca,

-

zanieczyszczenie surowca mułem, wapieniem.