WODÓR

1. Wodór najprawdopodobniej jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie. Szacuje się, że jego zawartość (ilość atomów) jest sześciokrotnie większa niż liczba atomów wszystkich innych pierwiastków. Na Ziemi w przyrodzie występuje praktycznie tylko w postaci związków. Podstawowym z nich jest woda, duże ilości wodoru występują także w związkach organicznych.

2. Wodór, mimo że otwiera I grupę układu okresowego pierwiastków, na tyle różni się właściwościami chemicznymi i fizycznymi od pozostałych pierwiastków tej grupy, że omawiany jest zazwyczaj osobno i nie zaliczany do litowców.

3. Najlżejszy pierwiastek, gaz, ma dwa trwałe izotopy:

1. prot (¹H)

2. deuter (²H lub D) występuje w naturalnym rozpowszechnieniu w wodorze w ilości około 0,02%. Otrzymać go można przez wielokrotną elektrolizę wody, bowiem na katodzie łatwiej redukcji ulega H⁺ niż D⁺, i tym sposobem pozostała po elektrolizie np. roztworu NaCl woda bogatsza jest w deuter (ciężka wodę). Z 1 m³ wody można otrzymać 30 cm³ ciężkiej wody D₂O.

3. beta-promieniotwórczy tryt (³H lub T).

W zasadzie izotopy wszystkich pierwiastków mają identyczne właściwości chemiczne i fizykochemiczne, w tym jednak przypadku, ponieważ następuje podwojenie (deuter) lub nawet potrojenie (tryt) masy atomu, związki o analogicznej strukturze a różniące się jedynie rodzajem izotopu wodoru mają dość znacznie różniące się właściwości chemiczne, fizyczne i fizykochemiczne (np. rozpuszczalność lub szybkość reakcji).

4. Wodór cząsteczkowy występuje w dwóch odmianach o nieco innych właściwościach fizycznych (różnym cieple właściwym). Ponieważ proton, tworzący jądro atomu wodoru, może być opisany dwiema wartościami spinu (kierunek obrotu indukującego moment magnetyczny jądra), dwuatomowa cząsteczka wodoru może być zbudowana z atomów o identycznych spinach (ortowodór, bogatszy energetycznie) lub o spinach przeciwnych (parawodór).

5. Otrzymywanie

1. Przez redukcję pary wodnej za pomocą rozżarzonego koksu

Przepuszczając parę wodna nad rozżarzonym koksem (1200°C) otrzymuje się wysokoenergetyczny tzw. gaz wodny:

C + H₂O = H₂ + CO

Z gazu wodnego można otrzymać czysty wodór  w katalizowanej reakcji z dodatkowa ilością pary wodnej i przez usunięcie powstałego ditlenku węgla CO_2:

H₂ + CO + H₂O ——>  H₂ + CO₂

2. W drodze konwersji metanu z parą wodną

3. Na drodze elektrolitycznej

W otrzymywaniu wodoru na skalę przemysłową stosuje się elektrolizę zakwaszonej wody lub roztworu chlorku sodowego ( proces przemysłowego otrzymywania NaOH).

6. Otrzymywanie z: wody, wodorków, kwasów, zasad

Pierwiastkowy wodór można otrzymać przez rozkład cząsteczki wody, i jest to główne źródło pozyskiwania pierwiastkowego wodoru. Praktycznie proces rozkładu wody prowadzi się przez:

• elektrolizę wodnych roztworów soli i wodorotlenków litowców oraz kwasów (w tym przypadku zawarty w roztworze elektrolit (sól, wodorotlenek czy kwas) głównie służy jako nośnik ładunku elektrycznego)

• wypieranie wodoru z kwasów metalami leżącymi przed wodorem w szeregu napięciowym metali (metale nieszlachetne), teoretycznie wszystkie metale leżące w szeregu napięciowym przed wodorem powinny wypierać wodór z wody, podobnie jak ma to miejsce w przypadku kwasów. Niektóre jednak z nich nie reagują z wodą (Zn, Al, Fe, Cr, Cd, Ni, Sn, Pb...) z powody cienkiej warstewki tlenku pokrywającej metal (pasywacja).

7. Dysocjacja termiczna wodoru; palnik Langmuira, redukcyjne właściwości wodoru.

8. Redukcja za pomocą wodoru cząsteczkowego CO i CO₂

W bezpośrednich reakcjach wodoru i tlenku węgla(II) CO można otrzymywać metanol, metan oraz inne węglowodory:

9. odpowiedź -

10. odpowiedź -

11. odpowiedź -

12. Cząsteczkowe równania reakcji NaH oraz CaH₂ z wodą

Ze względu na różnice w elektroujemności metali I i II grupy (około 0,9) i wodoru (około 2,2; bardziej elektroujemny niż metale), wodór w połączeniach z metalami (wodorki metali) występuje na -1 stopniu utlenienia. W roztworach wodnych wodorki o charakterze soli (związki jonowe, wodorki grupy I i II z wyjątkiem BeH₂ i MgH₂⁾  oddysocjowują anion wodorkowy (H^-), który reagując z kationem wodorowym (H⁺), powstałym z dysocjacji wody, tworzy cząsteczkę pierwiastkowego wodoru H₂:

NaH + H₂O ——> Na⁺ + OH^- + H₂

Na⁺ + H^- + H⁺ + OH^-  ——> Na⁺ + OH^- + H₂

Wodorki berylu i magnezu nie ulegają tej reakcji, bowiem wiązania metal-wodór w tych związkach, ze względu na zbyt małą różnicę w elektroujemnościach, nie mają w dostatecznym stopniu charakteru jonowego. (Elektroujemność berylu i magnezu wynosi 1,2 a wodoru 2,2)

13. odpowiedź -

TLEN 

14. Najbardziej rozpowszechniony pierwiastek (ponad 50%). W stanie wolnym w postaci cząsteczek O₂ występuje w powietrzu w ilości około 21%. Powietrze jest głównym źródłem pozyskiwania tlenu pierwiastkowego, otrzymuje się go przez frakcjonowaną destylacje ciekłego (skroplonego) powietrza. Drugim źródłem czystego tlenu jest woda, gdzie uzyskuje się bardzo czysty tlen poprzez proces elektrolizy. Jest to jednak dość droga metoda (energochłonna). Ma trzy trwałe izotopy: ¹⁶O, ¹⁷O i  ¹⁸O.

15. Występuje w trzech odmianach alotropowych: O₂, O₃ (ozon) i O₄ (występuje w tlenie ciekłym i zestalonym). W związkach występuje w hybrydyzacji sp³ (tetraedrycznej) lub sp² .

16. Tlen O₂ jest paramagnetyczny ze względu na obecność niesparowanych elektronów na dwóch antywiążących orbitalach cząsteczkowych. Paramagnetyzm - zjawisko słabego magnesowania się w polu magnetycznym zgodnie z kierunkiem wektora natężenia pola magnetycznego.

17. Otrzymywanie tlenu:

1. Z powietrza

2. Metodą elektrolizy

3. Metodami laboratoryjnymi

1. Termiczny rozkład chloranu potasu: 2KClO₃ ---> 2KCl + 3O₂

2. Termiczny rozkład tlenku rtęci(II): 2HgO ---> 2Hg + O₂

3. Termiczny rozkład nadtlenku baru: 2BaO₂ ---> 2BaO + O₂

18. odpowiedź -

19. Przkłady związków tlenu:

-1 

-2

+1

  +2

  

20. Tlenki:

Nadtlenki:

21. --------------

22. Odmiana alotropowa O₃ - ozon właściwości tych już nie ma. Ozon powstaje w górnych warstwach atmosfery pod wpływem energii płynącej z kosmosu i stanowi tam barierę prze zabójczym dla żywych organizmów promieniowaniem ultrafioletowym słońca. Ponieważ jest to odmiana mniej trwała niż O₂ dość łatwo dochodzi do jego przejścia w O₂ pod wpływem czynników chemicznych (freony a "dziura ozonowa"). Ozon powstaje także pod wpływem wyładowań elektrycznych w powietrzu i w pobliżu wyładowczych lamp emitujących promieniowanie UV (łatwo wyczuwalny. charakterystyczny zapach). Ze względu na dużą reaktywność tlenu in statu nascendi powstającego w trakcie przemiany O₃ w O₂ stosowany do odkażania wody.

23. ---------------

24. Woda - otrzymywanie:

25. Dipolowa budowa cząsteczki wody

26. Woda jako rozpuszczalnik polarny, autodysocjacja, charakter amfoteryczny wody i jej udział w reakcjach proteolitycznych (dysocjacja, hydroliza, zobojętnianie)

27. Stała dysocjacji, iloczyn jonowy wody, odczyn roztworów wodnych

28. Hydratacja tlenków:

29. odpowiedź -

30. odpowiedź -

31. odpowiedź -

32. Twardość wody

TWAROŚĆ WĘGLANOWA (PRZEMIJAJĄCA)	TWARDOŚĆ TRWAŁA (NIEPRZEMIJAJĄCA)
Związana z obecnością wodorowęglanów wapnia i magnezu.	Związana z obecnością siarczanów (VI) oraz chlorków wapnia i magnezu.
Usuwanie (zmiękczanie) za pomocą długotrwałego ogrzewania (60-80ºC) lub zagotowaniu wody twardej. W wysokich temperaturach wodorowęglany ulegają rozkładowi do węglanu wapnia i wodorotlenku magnezu. Dodatkowo proces wytrącania osadu jest przyśpieszany przez zmniejszoną rozpuszczalność CO2. Powstały osad nazywany jest kamieniem kotłowym a najprostszą metodą usuwania go jest zastosowanie rozcieńczonych kwasów np. siarkowego (VI) lub solnego. Ca(HCO3)2 --- CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 --- MgCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 --- Mg(OH)2 + 2CO2	Nie da się usunąć twardości trwałej metodą fizyczną.
Metodą chemiczną można usunąć zarówno twardość trwałą jak i przemijającą. Metoda ta polega na dodaniu substancji chemicznych strącających osad nierozpuszczalnych soli. Zwykle stosuje się węglan sodu, fosforan (V) sodu lub wodorotlenek wapnia np.: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 --- 2CaCO3 + 2 H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 --- 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O MgCO3 + Ca(OH)2 --- CaCO3 + Mg(OH)2 CaCl2 + 2Na2CO3 --- CaCO3 + 2NaCl 3MgSO4 + 2Na3PO4­ --- Mg3(PO4)3 + 3Na2SO4
Wodę można także zmiękczać stosując jonity. Są to substancje stałe, zdolne do wymiany osadzonych na nich jonów na jony obecne w roztworach np. wymiany kationów wapnia i magnezu na kationy wodoru i sodu lub anionów wodorowęglanowych na aniony wodorotlenkowe.

33. -------------------

34. Otrzymywanie nadtlenku wodoru:

1. Bezpośrednia synteza

2. Działanie na nadtlenki kwasami, np. BaO₂ + H₂SO₄ ——>  H₂O₂ + BaSO₄

3. Na drodze elektrolitycznej

35. Nadtlenek wodoru - właściwości

• wykazuje słabe właściwości kwasowe:

H₂O₂ + H₂O → H₃O⁺ (kation hydroniowy) + H-O-O^.- (anionorodnik nadtlenowodorowy)

• jest amfoterem redoks (reduktor i utleniacz)

36. Pochodne nadtlenku wodoru

37. Rozkład nadtlenku wodoru

Nadtlenek wodoru jest dość nietrwały, szczególnie w podwyższonej temperaturze lub w obecności katalizujących reakcję rozpadu MnO₂, drobnych zanieczyszczeń stałych oraz enzymów np. peroksydazy. Inhibitorem rozpadu nadtlenku wodoru jest np. mocznik.

2H₂O₂ 2H₂O + O₂

38. Nadtlenek wodoru jako amfoter

Ponieważ formalny stopień utlenienia tlenu w H₂O₂ jest -1, może on występować w reakcjach redoksowych zarówno jako utleniacz (redukując się do -2) jak i reduktor (utleniając się do postaci pierwiastkowej, stopień utlenienia 0).

2KI + H₂O₂ + 2H⁺ ——> I₂ + 2H₂O + 2K⁺    (utlenienie jonu jodkowego do jodu)

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 6H⁺ ——>  2Mn²⁺ + 2K⁺ + 8H₂O + 5O₂ (redukcja manganu VII do manganu II)

39. odpowiedź -

---