Wykład 2. 21.03.2014
Pierwiastki
Wodór
Nazwa łacińska: Hydrogenium
Symbol: H
Liczba atomowa: 1
Masa: 1,00794
Temperatura topnienia: -259,2˚C
Temperatura wrzenia: -252,2˚C
Gęstość: 0,08988 g/l (gaz, 0˚C, 1 atm.)
Gęstość względna: 0,07 (ciecz, -253˚C), 0,07 (stały, -262˚C, 1atm.)
Stopnie utlenienia: -I, I
Konfiguracja elektronowa: 1s1
- gaz bezbarwny, bezwonny, bez smaku
- najlżejszy i najprostszy pierwiastek
- pierwiastek najbardziej rozpowszechniony we Wszechświecie
Jest go stosunkowo niewiele w atmosferze ziemskiej. Olbrzymie ilości wodoru występują w jego związkach np. w wodzie.
Wodór należy do dziesięciu pierwiastków najbardziej rozpowszechnionych w skorupie ziemskiej.
Zawartość gazów w atmosferze ziemskiej
| Gaz (na poziomie morza) | Zawartość objętościowa |
|---|---|
| % | |
| Azot | 78,09 |
| Tlen | 20,95 |
| Argon | 0,93 |
| Dwutlenek węgla | 0,03 |
| Neon | - |
| Hel | - |
| Kryptom | - |
| Metan | - |
| Tlenek dwuazotu | - |
| Wodór | - |
| Ksenon | - |
Właściwości chemiczne:
Wodór jest pod wieloma względami pierwiastkiem wyjątkowym. Do jego unikalnych cech należy zdolność tworzenia związków przez oddanie lub przyłączenie elektronu. Dlatego można go umieścić w grupie IA (elektrododatniej) lub grupie VIIA (elektroujemnej). Wodór tworzy z reguły cząsteczki złożone z dwóch atomów (dwuatomowe), przypisuje mu się więc symbol H2.
Istnieją dwa typy cząsteczek H2, ortowodór i parawodór. W cząsteczce ortowodoru dwa protony obracają się w tym samym kierunku, w cząsteczce parawodoru - w kierunkach przeciwnych.
Izotopy wodoru:
Zdecydowanie najbardziej rozpowszechniony w przyrodzie jest wodór-1, czyli prot. Z materiałów naturalnych można otrzymać niewielkie ilości wodoru-2, zwanego również deuterem lub ciężkim wodorem. Promieniotwórczy wodór-3, czyli tryt, występuje tylko w ilościach śladowych.
Najbardziej stabilne izotopy
| Izotop | Występowanie w przyrodzie | Okres połowicznego rozpadu | Sposób rozpadu | Energia rozpadu MeV | Produkt rozpadu |
|---|---|---|---|---|---|
| 1H | 99,985% | stabilny izotop z zerową liczbą neutronów | |||
| 2H | 0,015% | stabilny izotop z 1 neutronem | |||
| 3H | syntetyczny | 12,33 lat | β- | 0,019 | 3He |
| 4H | syntetyczny | nieznany | n | 2,910 | 3H |
Syntetyczne izotopy promieniotwórcze uzyskuje się najczęściej przez bombardowanie jąder atomowych cząstkami elementarnymi lub innymi jądrami atomowymi ( spalacja), które wyniku tego ulegają wzbudzeniu, rozpadowi lub rozszczepieniu, wytwarzając inne jądra.
Otrzymywanie:
Najprostsza metoda otrzymywania wodoru jest identyczna z wykorzystywaną przez dawnych badaczy: reakcja między kwasem a aktywnym chemicznie metalem. Stosuje się zwykle rozcieńczony kwas siarkowy i cynk:
Zn + H2SO4 ---> H2 + ZnSO4
lub rozcieńczony kwas solny i cynk:
Zn + 2HCl ---> H2 + ZnCl2
Niewielkie ilości wodoru otrzymuje się dość łatwo przez elektrolizę wodnego roztworu wodorotlenku potasu (KOH) lub chlorku sodu (NaCl). Na katodzie wydziela się wodór, na anodzie zaś tlen:
2H2O + 2e- ---> 2OH- (reakcja katodowa)
2H2O ---> O2 + 4H+ + 4e- (reakcja anodowa)
2H2O ---> 2H2 + O2 (reakcja sumaryczna)
Występowanie i zastosowanie:
Prawie 2/3 wytwarzanej obecnie przez przemysł ilości wodoru wykorzystuje się do produkcji amoniaku metodą Habera. Dużo wodoru zużywa również przemysł spożywczy do uwodorniania prostych olejów roślinnych. Takie produkty jak margaryna i sosy do sałatek są znacznie zdrowsze niż ich odpowiedniki otrzymywane z tłuszczów zwierzęcych. Niewielkie ilości ciekłego wodoru stosuje się jako paliwo rakietowe.
Wszelka materia biologiczna - od najprostszych składników cząsteczki DNA do złożonej struktury ludzkiej tkanki mózgowej - zawiera związki wodoru. Oprócz tych substancji biochemicznych chemia organiczna obejmuje wielką liczbę związków zawierających węgiel i wodór, np. węglowców.
Kwas borowy, H3BO3, ma postać lekkich, bezbarwnych łusek. Jest stosowany w kosmetyce i medycynie.
Kwas chlorowodorowy, zwyczajowo nazywany kwasem solnym, wodny roztwór chlorowodoru HCl, jest szeroko stosowany w laboratorium, przemyśle i medycynie
Kwas solny występuje również w przyrodzie; jest obecny w ludzkim żołądku. Ten "kwas żołądkowy" nie trawi, lecz umożliwia wytwarzanie enzymu, zapewniającego trawienie białek.
Kwas siarkowodorowy jest wodnym roztworem siarkowodoru H2S, gazu o charakterystycznym przykrym zapachu zgniłych jaj. Jest to gaz niezwykle trujący, śmiertelny dla ludzi, gdy jego stężenie w powietrzu wynosi zaledwie 100 części na milion.
Używany w każdym laboratorium kwas azotowy (HNO3) jest szeroko stosowany jako środek nitrujący w produkcji nawozów sztucznych i materiałów wybuchowych.
Kwas fosforowy, H3PO4, zwany także kwasem ortofosforowym. W stanie czystym jest substancją stałą, najczęściej jednak spotyka się go w postaci rozcieńczonych roztworów wodnych. Podobnie jak kwas azotowy, jest powszechnie stosowany w produkcji nawozów sztucznych fosforowych.
Kwas siarkowy, H2SO4, to kwas o największym zastosowaniu w przemyśle i w laboratorium. Jest tańszy niż inne mocne kwasy i dość trwały w temperaturze pokojowej.
Kwas siarkawy, H2SO3, można łatwo otrzymać rozpuszczając gazowy dwutlenek siarki (SO2) w wodzie.
Metan (CH4) to podstawowy element strukturalny całej chemii węglowodorów. Ten bezbarwny i bezwonny gaz jest również głównym składnikiem pospolitego gazu ziemnego.
Blisko spokrewniony z metanem jest etan, C2H6. To również bezbarwny i bezwonny gaz. Jako składnik gazu ziemnego, etan jest używany do celów opałowych.
Amoniak (azan), NH3, to bezbarwny gaz o charakterystycznym , ostrym zapachu, szeroko stosowany jako rozpuszczalnik, czynnik chłodniczy oraz w produkcji nawozów sztucznych.
Fosforowodór (fosfan), PH3, jest silnie trującym gazem o duszącym zapachu czosnku. Znajduje obecnie zastosowanie w produkcji niektórych rodzajów tworzyw sztucznych i ognioodpornych tkanin
Ogniwa galwaniczne
Jest to urządzenie, w którym wytwarzany jest prąd elektryczny – strumień elektronów w przewodniku – dzięki przebiegowi samorzutnej reakcji chemicznej. Bateria w przenośnym odtwarzaczu płyt CD jest przykładem ogniwa galwanicznego, ponieważ wykorzystano w niej reakcje chemiczną do wytworzenia prądu elektrycznego, który płynie przez połączony z nią obwód. Czasami stosujemy prąd elektryczny, żeby wymusić przebieg reakcji chemicznej, która nie zachodzi samorzutnie. Taki wymuszony proces przeprowadzamy w urządzeniach zwanych elektrolizerami.