WODÓR

Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek we wszechświecie 89 %.

Na ziemi około 1 %, ale około 15 % wszystkich atomów. Występuje przede wszystkim w stanie związanym. Woda i mine­rały typu hydraty. W atmosferze tylko ślady wodoru w stanie wolnym.

Właściwości fizyczne.

Bezbarwny gaz bez smaku i zapachu, słabo rozpuszczalny we wodzie. W normalnych warunkach cząsteczki H₂. T_w = 20.4 K, łatwo dyfun­du­je. Dobre przewodnictwo cieplne. Inne izotopy:

²H = D (deuter 0,016 %), ciężka woda D₂O, deuterowane odczynniki.

³H = T, tryt, promieniotwórczy, znakowanie odczyn­ników. t_½ = 12.4 lata, emiter β (elektronów) ³₁T = ³₂He + _-1⁰β^-

Otrzymywanie wodoru (metody laboratoryjne)

Reakcja reaktywnych metali z kwasami nieutleniającymi
Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Reakcja niektórych metali mających właściwości amfoteryczne z zasadami 2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Napisz podobną reakcję Zn z NaOH, powstaje Na₂[Zn(OH)₄].

Reakcja metalu z wodą 2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Sr + 2H₂O = Sr(OH)₂ + H₂↑

Reakcje jonowych wodorków z wodą
CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂↑

jonowo H^- + H₂O = OH^- + H₂↑

Otrzymywanie wodoru (metody przemysłowe)

1a) Otrzymywanie gazu wodnego
C + H₂O CO + H₂ (1500 K) ΔH = 132 kJ · mol^-1

1b) Konwersja gazu wodnego, katalizator tlenki (Fe + Cr), zupełnie inne warunki (reguła Le Chateliera-Brauna)

CO(g) + H₂O(g) CO₂(g) + H₂(g) ΔH = -42 kJ · mol^-1 600K

i dalej wymywanie CO₂,

2a) Otrzymywanie gazu syntezowego

CH₄(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H₂(g) ΔH = 205 kJ · mol^-1
katalizator niklowy na Al₂O₃)

2b) Konwersja gazu syntezowego, tak jak konwersja gazu wodnego.

3) Podczas krakingu węglowodorów w rafineriach

4) Elektroliza wody:

a) z dodatkiem H₂SO₄

katoda 2H⁺(aq) + 2e = H₂(g)
anoda H₂O(l) =½O₂(g) + 2H⁺(aq) + 2e
b) z dodatkiem NaOH

katoda: H₂O(l) + 2e = H₂(g) + 2OH^-(aq)
anoda: 2OH^-(aq) = ½O₂(g) + H₂O(l) + 2e

Właściwości chemiczne.

Trwałe cząsteczki H₂. H₂ → H + H ΔH = 436,0 kJ · mol^-1 .

Jest to jedno z najsilniejszych wiązań pojedynczych. Dlatego w normalnych warunkach stosunkowo mało reaktywny. Podgrzany reaguje znacznie szybciej, w obecności katalizatorów reaguje szybko.

Reakcje H₂

właściwości redukujące

a) mieszanina piorunująca 2H₂ + O₂ = 2H₂O

b) redukcja tlenku miedzi (II) 2CuO + H₂ = Cu₂O + H₂O

Cu₂O + H₂ = 2Cu + H₂O

c) redukcja wodorem „in statu nascendi”- w chwili powstawania

KMnO₄ w środowisku kwaśnym Mn(+7) + 5e = Mn(+2)

Zn + H₂SO₄ (rozcieńczony) = ZnSO₄ + 2H (H₂^*)

2 KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 10H (5H₂^*) = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

KMnO₄ w środowisku zasadowym Mn(+7) + e = Mn(+6)

2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 6H (3H₂^*)

2 KMnO₄ + 2KOH + 2H (H₂^*) = 2K₂MnO₄ + 2H₂O

Napisz równanie tej reakcji w wersji jonowej.

Reakcje H₂ + 2e = 2H^- (-1) właściwości utleniające 2K + H₂ = 2KH

H^-. Bardzo silna zasada, bardzo silny reduktor.

Reakcje H₂ - tworzenie nowych wiązań kowalencyjnych.

Zastosowanie wodoru.

a) Synteza amoniaku

N₂(g) + 3H₂(g) 2NH₃(g) (katalizator żelazny)

ΔH = -92.4 kJ · mol^-1 (50% produkcji) (Fe₃O₄ + K₂O + Al₂O₃) + H₂

b) Produkcja metanolu CO(g) + 2H₂(g) → CH₃OH(c) (katalizator kobaltowy, proces „oxo”)

c) Uwodornianie tłuszczów (katalizator niklowy) - produkcja marga­ry­ny. H₂(g) + ·····C==C····· (c) ·····CH—-CH····· (c)

d) Rafinerie, usuwanie związków S, N i O. przyłączanie do wiązań wielokrotnych.

e) Hydrometalurgia np. Cu²⁺(H₂O) + 2H₂(g) = Cu(s) + 2H⁺( H₂O)

f) Redukcja związków metali, tlenki Mo i W do metali w fazie stałej.

g) Synteza chlorowodoru Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCl(g)

h) Paliwo rakietowe (ciekły wodór).

i) Spawanie - palniki tlenowodorowe.

Wodorki

Wodorki typu soli. Metale bloku s - wodorki typu soli, nielotne sub­stancje, nie prze­wo­dzące prądu w stanie stałym. Mają charakter wodor­kowy, czyli są do­norem jonu H^- (d = 154 pm). Kationy M⁺ (li­tow­ce) lub M²⁺ (berylow­ce oprócz Be i Mg). Wodorki BeH₂, MgH₂ i AlH₃ nie mają typowe­go cha­rakteru soli. Mają właściwości pośrednie między charakterem soli a charakterem wodorków cząsteczkowych (kowalencyjnych).

Synteza 2Li + H₂ = 2LiH

Właściwości CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + 2H₂

Donor H^- 4LiH + AlCl₃ = Li[AlH₄] + 3LiCl

Wodorki metaliczne. Przewodzą prąd elektryczny w stanie stałym. Zmienny skład stechiometryczny np. ZrH_x (x = 1,30 - 1,75). łatwo od­dają wodór przy nieco podniesionej temperaturze. Potrafią gromadzić wodór (szczególnie Pd, tworząc PdH_x, x > 1). Oczyszczanie wodoru przez przepuszczanie przez folię Ag-Pd

Wodorki kowalencyjne. Wszystkie pozostałe. EH₄ (gazy), EH₃ (gazy), H₂E (woda - ciecz, pozostałe gazy), HE (fluorowodór - ciecz, t.w. 19^oC, pozostałe gazy). HE - wyraźne właściwości kwasowe we wodzie.

NH₃ i H₂O wyraźne właściwości zasadowe Lewisa.

H₂S, H₂Se, H₂Te wzrost właściwości kwasowych.

Napisz reakcję NH₃ z wodą. Napisz reakcję NH₃ z HBr.

reaktywne metale reagujące z kwasami, Mg, Al, Mn, Zn,

reaktywne metale reagujące z zasadami, Al, Sn, Zn,

3

---