PIERWIASTKI GRUP
GA
ÓWNYCH ORAZ METALE
PRZEJÅšCIOWE BLOKU D
UKA
AD OKRESOWY PIERWIASTKÓW
UKA
AD OKRESOWY PIERWIASTKÓW
WODÓR
üð Jest pierwiastkiem o najprostszej budowie atomu (jÄ…dro
o Å‚adunku +1 z jednym elektronem).
üð Jest najlżejszym gazem.
üð Nie ma barwy, zapachu ani smaku, sÅ‚abo rozpuszcza siÄ™
w wodzie.
üð Nie tworzy odmian alotropowych.
üðNajbardziej rozpowszechniony pierwiastek we WszechÅ›wiecie.
WYST
POWANIE 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 H2 są lekkie i mogą pokonywać
przyciąganie ziemskie i uciekać w przestrzeń
kosmicznÄ…).
PROBLEMY Z UMIESZCZENIEM WODORU W UKA
ADZIE 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 dominujÄ…cym 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 ZnCl2 + H2
2. Reakcja metalu alkalicznego z wodÄ…
2Na + 2H2O 2NaOH + H2
3. Elektroliza wody
2H2O 2H2 + O2
Katoda: 2H2O + 2e H2 + 2OH-
Anoda: 2OH- 1/2O2 + H2O
Metoda kosztowna ze względu na duże zużycie energii.
W skali technicznej
1. Metoda konwersji CH4 lub lekkiej frakcji ropy naftowej
CH4 + H2O CO + 3H2 (temp. 700-1100°C, katalizator Ni)
Powstały produkt to gaz syntezowy, który może być wykorzystany
jako reduktor lub z
ródło energii.
CO + H2O CO2 + H2 (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
2CH4 + O2 2CO + 4H2 (ograniczona ilość tlenu, specjalne warunki)
3. Dawniej do produkcji wodoru wykorzystywano również węgiel
C + H2O CO + H2
4. Mniejsze znaczenie ma następująca reakcja:
3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 (ok. 600°C, opiÅ‚ki żelaza)
Fe3O4 + CO 3Fe + 4CO2 (900°C, regeneracja)
WA
AÅšCIWOÅšCI WODORU
Właściwości fizyczne
TABELA 19.1 STR 893 Atkins
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
wzbogaconÄ… w deuter.
Właściwości fizyczne H2O i D2O
Tabela str 128 Lee
Stopnie utlenienia wodoru
H1- - NaH, CaH2
H0  H2
H1+ - H2O, NH3, CH4
Wybrane reakcje wodoru:
Synteza wody
2H2 +O2 2H2O
Synteza wodorków
2Na + H2 2NaH
N2 + 3H2 2NH3 (katalizator Fe, podwyższone ciśnienie i temp.)
Redukcja tlenków metali
CuO + H2 Cu + H2O
Reakcja z fluorowcami
H2 + Cl2 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???
H2 C2H2 C2H2/O2
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 108 kg na rok.
1. Ok. 50% wyprodukowanego wodoru wykorzystuje siÄ™ do syntezy
amoniaku metodÄ… Habera
N2 + 3H2 2NH3 (temp. 400-500°C, ciśń. 130-150 atm, katal. Fe)
2. Reakcja Fischera-Tropscha (otrzymywanie benzyny syntetycznej)
nCO + (n+m/2)H2 CnHm + nH2O (katalizator Co/Fe)
3. Produkcja metanolu
2H2 + CO CH3OH (katalizator Zn/Cu)
4. Ok. 1/3 wyprodukowanego wodoru
wykorzystuje siÄ™ do hydrometalurgicznego
wydzielania miedzi i innych metali z rud
przez redukcjÄ™ w roztworze wodnym
Rys.
Cu2+ + H2 Cu + 2H+
RudÄ™ zawierajÄ…cÄ… CuO i CuS rozpuszcza siÄ™
19.7
w kwasie siarkowym (VI), a następnie
przepuszcza wodór przez roztwór. Powyższą
str 894
metodę można stosować tylko do metali
o dodatnim potencjale standardowym.
Atkins
5. Paliwo rakietowe (duża entalpia właściwa
wodoru)
2H2 + O2 2H2O
6. Reakcja uwodornienia tłuszczów nienasyconych
CH3-(CH2)n-CH=CH-(CH2)n-COOH + H2 CH3-(CH2)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
H2S.
Wodoroodchlorowanie (np. odpadów
przemysłowych)  katal. Pd
Konwersja produktów ubocznych,
zużytych rozpuszczalników do
związków mniej niebezpiecznych dla
środowiska.
WODA
CzÄ…steczka wody:
wiÄ…zania H O sÄ… silnie spolaryzowane i stÄ…d woda ma
charakter polarny. Kąt między wiązaniami wodór-tlen-
wodór (H O H) w fazie ciekÅ‚ej 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 (najwiÄ™ksza gÄ™stość w temp. ok. 4°C), zwiÄ™kszajÄ…c
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
z
ródła gazu ziemnego. W ciągu ostatnich
kilkunastu lat, metan uwięziony w hydratach,
zaczęto postrzegać również jako potencjalne
z
ródło 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
Niestabilność i uwalnianie hydratów może być spowodowane przez ruchy
tektoniczne, osunięcia dna oraz zmiany temperatury wody morskiej.
Kawałki hydratów wielkości lodówki
mogą oderwać się od dna i dotrzeć
do powierzchni wody.
Hipoteza związana z przyczyną wypadków w Trójkącie Bermudzkim
HYDRATY JAKO PALIWO???
Problemy związane z zastosowaniem hydratów
metanu jako z
ródła energii:
- wydobycie (hydraty metanu nie sÄ… niestabilne),
- opłacalność eksploatacji złóż  brak komercyjnych
technologii,
- transport surowca,
- zanieczyszczenie surowca mułem, wapieniem.