Cechy podobieństwa wodoru. Cechy braku podobieństwa wodoru

Transkrypt

1 Wodór

2 do litowców: zawiera tylko 1 elektron walencyjny tendencja do przechodzenia na stopień utlenienia +I Cechy podobieństwa wodoru do fluorowców: przyłączając 1 elektron uzyskuje trwałą konfigurację elektronową gazu szlachetnego (e) może występować na stopniu utlenienia I do litowców: litowce na +I stopniu utlenienia występują z reguły w postaci jonów, wodór natomiast tworzy wiązania o dominującym charakterze kowalencyjnym Cechy braku podobieństwa wodoru do fluorowców: wodór na stopniu utlenienia I tworzy jony, który w odróżnieniu od jonów F, Cl, itd., jest nietrwały w obecności wody; woda utlenia go do wolnego wodoru: + O = + O podczas gdy litowce należą do pierwiastków o najmniejszych elektroujemnościach, a lekkie fluorowce do pierwiastków o największych elektroujemnościach, wodór wykazuje elektroujemność pośrednią

3 Występowanie wodoru

4 Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie (atomy wodoru stanowią 91% wszystkich atomów Wszechświata) W temperaturach > K, panujących w gwiazdach, zachodzą reakcje termojądrowe prowadzące do przemiany wodoru w hel, a energię wydzielaną w tych reakcjach uważa się obecnie za główne źródło energii promienistej emitowanej przez Słońce

5 Wodór znajduję się również w przestrzeni międzygwiazdowej

6 Na Ziemi wodór jest znacznie mniej rozpowszechniony (jego zawartość wynosi 0,87%mas. czyli 15,4% wszystkich atomów) Wodór w przyrodzie występuje normalnie w stanie związanym, natomiast w stanie wolnym spotyka się go w małych ilościach w gazach wulkanicznych, a niekiedy i w gazie ziemnym. Ślady wolnego wodoru znajdują się też w pobliżu powierzchni Ziemi oraz w górnych warstwach atmosfery. Bardzo niewielkie ilości wodoru wydzielają się z niektórych gorących źródeł (term) Główne źródła wodoru - woda i większość związków organicznych, w skład których wchodzi przede wszystkim węgiel i wodór

7 Budowa wewnętrzna Jowisza

8 Otrzymywanie wodoru

9 Otrzymywanie wodoru na skalę laboratoryjną 1) Elektroliza wody (otrzymuje się bardzo czysty wodór) Proces zachodzący na katodzie: + 3 O ( aq) + e (g) + O Proces zachodzący na anodzie: O ( aq) O O( g) + e Sumarycznie: + 4O 3O ( ) + O aq ( aq) ( g) + 0.5O ( g) + 3O ) Reakcja pomiędzy metalem alkalicznym (np. Li, Na, K) lub metalem ziem alkalicznych (np. Ca, Sr, Ba) i wodą, np.: Na( s ) + O 0.5( g) + NaO( aq)

10 3) Reakcja pomiędzy cynkiem i kwasemsolnym: Zn( s ) + Cl( aq) ZnCl ( aq) + ( g) Aparatura do laboratoryjnego otrzymywania gazowego wodoru. Wodór jest zbierany nad powierzchnią wody

11 Otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową 1) Wodór elektrolityczny uzyskuje się jako produkt uboczny w procesie elektrolitycznego otrzymywania wodorotlenku sodu z NaCl ) Konwersja węglowodorów z parą wodną, np.: kat., 900 C C 8( s ) + 3O( g) 3CO( g) + 7( 3 g Źródłem węglowodorów jest gaz ziemny oraz węglowodory powstające jako produkty rafineryjne przeróbki ropy naftowej. 3) Pokaźne ilości wodoru powstają w procesach krakingu węglowodorów przeprowadzanym w rafineriach oraz zakładach petrochemicznych, mających na celu przeróbkę węglowodorów ciężkich zawartych w ciężkich frakcjach ropy naftowej na węglowodory lżejsze stanowiące składniki benzyn. 4) Otrzymywanie wodoru polegające na wprowadzeniu pary wodnej na rozżarzony koks (metoda dawniej stosowana). Uzyskuje się wówczas mieszaninę wodoru i tlenku węgla zwaną gazem wodnym (syntezowym): 100 C C( ) + O( g) CO( g) + (g) s )

12 Właściwości fizyczne wodoru

13 Wodór w warunkach normalnych jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i bez smaku oraz bardzo słabo rozpuszczalnym w wodzie (w 1dm 3 O rozpuszcza się w temperaturze pokojowej tylko 1cm 3 ) Konfiguracja elektronowa Masa atomowa Izotopy Temperatura topnienia (K) Temperatura wrzenia (K) Gęstość gazowego wodoru (g/dm 3 ) (98K, 1, Pa) Gęstość ciekłego wodoru w temperaturze wrzenia (g/cm 3 ) Promień atomowy (pm) Promień jonowy (pm) Energia jonizacji (kj/mol) Powinowactwo elektronowe (kj/mol) Elektroujemność 1s 1 1,0079 prot 1 1, deuter 1 (D), tryt 3 1 (T) 13,95 (-59,0 C) 0,38 (-5,77 C) 0, , ,5,0

14 Właściwości chemiczne wodoru

15 Wodór w temperaturze pokojowej jest pierwiastkiem niezbyt aktywnym chemicznie; łączy się tylko bezpośrednio z F, a podczas naświetlania również z Cl (obie reakcje są gwałtowne) W podwyższonych temperaturach wodór reaguje z licznymi pierwiastkami, głównie z niemetalami, a spośród metali z metalami silnie elektrododatnimi, jak Li, Na i Ca

16 Reakcja wodoru z tlenem (spalanie wodoru): + O O Reakcja wymaga zainicjowania i jest silnie egzotermiczna. Po ogrzaniu mieszaniny do temp. 180 C tworzenie się pary wodnej następuje z dostrzegalną szybkością, a w temp. Wyższej niż 450 C reakcja przebiega wybuchowo. Wybuch jest szczególnie gwałtowny, jeżeli stosunek objętościowy wodoru do tlenu wynosi :1. Mieszaninę taką nazywa się mieszaniną piorunującą. Wybuch może być zapoczątkowany przez iskrę elektryczną lub zetknięcie z płomieniem. Czysty wodór (wypływający z palnika, temp. ok. 640 C) pali się niebieskim, słabo świecącym płomieniem.

17 Model cząsteczki wodoru Modelowa ilustracja reakcji spalania wodoru

18 6 maja 1937r. na lotnisku marynarki wojennej USA - Lakehurst Field, w pobliżu Nowego Jorku, doszło do katastrofy największego na świecie, niemieckiego sterowca indenburg. Wart 3 miliony 750 tys. $ statek przyszłości, mieszczący miliony m 3, podchodząc do lądowania, stanął w płomieniach. Była to najbardziej spektakularna katastrofa stulecia, która zamknęła erę sterowców.

19 Sprężony wodór przechowuje się w stalowych butlach pomalowanych na czerwony kolor Wodór ma najmniejszą gęstość ze wszystkich gazów - jego gęstość jest ok. 14 razy mniejsza od gęstości powietrza i ta właściwość jest również przyczyną dużej zdolności wodoru do dyfuzji przez porowate ścianki. Dyfunduje on również nawet przez ścianki metalowych butli, w których jest przechowywany.

20 Reakcje wodoru z tlenkami metali (reakcje redukcji wyższych tlenków metali do niższych lub też do wolnego metalu): CuO + 3Fe Fe Fe O O O C Cu + 50 C Fe 530 C O FeO C O Fe + 3 Reakcje uwodornienia węglowodorów (uwodornienie to reakcja przyłączenia cząsteczki wodoru do związku zawierającego wielokrotne wiązanie podwójne lub potrójne między atomami węgla): kat. O O O C4 + C6

21 Katalizator platynowy na tlenku glinu (Pt/Al O 3 ) stosowany jest w procesach uwodornienia (np. oleju rzepakowego)

22 Reakcje chemiczne wodoru tlen fluorowce O X metale C tlenki metal N CO metali,temp., temp., grup IA i IIA,ogrzew. nienasycone, kat. C O, węglowodory ciśn., kat. 3 C n N m wodorki n n+ typu soli 3 (zależy od warunków i użytego katalizatora)

23 Zastosowanie wodoru

24 Zastosowanie wodoru Przemysł azotowy Przemysł rafineryjny Przemysł tłuszczowy Synteza organiczna z użyciem gazu wodnego Przemysł metalurgiczny Wodór wytwarzany jest w ogromnych ilościach jako jeden z produktów wyjściowych do syntezy amoniaku metodą abera i Boscha Wodór jest zużywany w procesie hydrokrakingu oraz procesie odsiarczania węglowodorów pochodzących z ropy naftowej Wodór jest zużywany w procesie utwardzania tłuszczów (liczne oleje roślinne, zawierające nienasycone kwasy tłuszczowe, przyłączając wodór w obecności katalizatora niklowego przechodzą w tłuszcze o wyższej temp. topnienia) Zależnie od warunków oraz rodzaju użytego katalizatora można otrzymać np. alkohol metylowy, metan i inne lekkie lub ciężkie węglowodory Zastosowanie wodoru jako reduktora w procesie otrzymywania germanu, molibdenu i wolframu Wykorzystanie w przyszłości wodoru jako uniwersalnego paliwa i nośnika energii

25 Ostatnie lata przynoszą ciekawe informacje na temat odkrycia związków, które mogą absorbować (pochłaniać) duże ilości wodoru. Również metale, takie jak platyna czy pallad, mają zdolność pochłaniania znacznych ilości wodoru. Być może to właśnie zostanie wykorzystane przy opracowywaniu sposobu na przechowywanie wodoru. 1dm 3 ciekłego wodoru ma masę zaledwie 70g ze spalenia 1kg ciekłego wodoru otrzymuje się aż ,8 kj z 1kg węgla kamiennego otrzymuje się maksymalnie ,6 kj

26 Ilości ciepła, jakie wywiązują się w trakcie spalania wodoru, są bardzo znaczne i można je wykorzystać do uzyskania wysokich temperatur. Przykładem może być palnik Daniella, który pozwala na wytworzenie płomienia wodoru w tlenie bez narażania na niebezpieczeństwo wybuchu, bowiem obydwa gazy mieszają się dopiero u wylotu palnika. Temp. płomienia może dochodzić do 3000 K. W takim płomieniu topią się między innymi: platyna (043 K), krystaliczny ditlenek krzemu (1983 K) i tlenek glinu (318 K). Palnik Daniella

27 Izotopy wodoru

28 Rozpowszechnienie izotopów wodoru: atomów deuteru jest ok. 700 razy mniej niż protu, a promieniotwórczy tryt (okres półrozpadu 1,5 lat) występuje tylko w śladowych ilościach Deuter bierze udział w reakcjach wymiany izotopowej, w temperaturze wyższej od 130 C, a także niższej w obecności katalizatorów (Ni, Pt, Ag, Fe itd.): + D D Podobna wymiana atomów wodoru na deuter może też następować w amoniaku, metanie i wielu innych substancjach Wymiana atomów wodoru i deuteru pomiędzy cząsteczkami zwykłej i ciężkiej wody: O + D O DO przebiega szybko już w temp. pokojowej nawet bez użycia żadnego katalizatora.

29 Właściwości fizyczne, D, D i T Temperatura topnienia (K) Temperatura wrzenia (K) Ciepło topnienia (J/mol) Ciepło dysocjacji (kj/mol) 13,95 0, ,93 D 16,60, D 18,73 3, ,35 T 0,6 5,04 445,85

30 Właściwości fizyczne O, D O i T O O D O T O Temperatura topnienia ( C) 0,00 3,8 4,49 Temperatura wrzenia ( C) 100,00 101,4 101,51 Gęstość w temp. 5 C (g/cm 3 ) 0, ,1044 1,138 Ciepło parowania (kj/mol) 40,66 41,67 Iloczyn jonowy (5 C) , Względna przenikalność elektryczna 81,5 80,7

31 Wodorki - kowalencyjne - jonowe - metaliczne (metali przejściowych)

32 Wodorki pierwiastków grup głównych UO. Kiedy wodór tworzy więcej niż jeden związek z tym samym pierwiastkiem, na rysunku podano najprostszy wzór wodorku. Właściwości wielu wodorków metali przejściowych (wodorków metalicznych) nie są dobrze scharakteryzowane.

33 Wodorki jonowe (typu soli) tworzą się w wyniku reakcji cząsteczkowego wodoru bezpośrednio z metalem alkalicznym (IA) lub metalem ziem alkalicznych (IIA, z wyjątkiem Be i Mg), np.: Li( s) + Ca( s) + ( g) Li( s) ( g) Ca Wodór w wodorkach jonowych występuje jako anion, który stanowi silną zasadę Brönsteda. Anion ten szybko reaguje z wodą jako donorem protonu, wydzielając przy tym wodór: ( s) ( aq) + O O ( aq) + ( g) Z powodu wysokiej reaktywności wodorków jonowych z wodą, są one często używane do usuwania śladowych ilości wody z rozpuszczalników organicznych

34 Wodorki kowalencyjne: atom wodoru jest związany z metalami grup IIIA-VIIA oraz Be i Mg za pośrednictwem wiązania kowalencyjnego. Be, Al itd. tworzą z wodorem wodorki kowalencyjne o złożonej strukturze polimerycznej typu (Be ) x czy (Al 3 ) x, gdzie x przyjmuje duże liczby. Wodorki kowalencyjne, które nie tworzą struktur polimerycznych są na ogółłatwo lotne, trwałość ich maleje, w miarę jak w danej grupie wrasta masa atomowa pierwiastka łączącego się z wodorem oraz jak pogłębia się jego charakter metaliczny.

35 Wodorki metaliczne (międzywęzłowe) są połączeniami wodoru z metalami przejściowymi (zewnętrzno- i wewnętrznoprzejściowymi). Wykazują one połysk i własności metaliczne, są nielotne. Wodorki tego typu są zwykle niestechiometryczne i wykazują skład, którego nie daje się wyrazić prostymi wzorami (Pd 0,6, Ti 1,73, Zr 1,9 ). W wodorkach metalicznych atomy wodoru zajmują pozycje śródwęzłowe w sieci przestrzennej typu metalicznego, utworzonej przez atomy drugiego pierwiastka.