A hidrogéN
Yüklə 35,44 Kb.
|
|
A HIDROGÉN ÉS VEGYÜLETEI
Hidrogént már régen előállítottak az alkimisták, amikor savakban vasat vagy más fémet oldottak fel; a keletkező könnyű és éghető gázt azonban nem vizsgálták meg közelebbről. Cavendish angol tudós 1786-ban mutatta ki, hogy ez a gáz elem, amely elégve vízgőzt ad. Lavoisier vízgőznek izzó vascsövön való átvezetésével kapott hidrogént. A hidrogén neve görögül „vízalkotót” jelent, a hydro = víz és gennao = nemzek görög szavakból ered.
Elemi állapotban: - Földünkön szabad állapotban vulkáni kigőzölgések és gőzforrások gázaiban, kis mennyiségben a levegőben is megtalálható. Atomszázalékokban kifejezve gyakorisága 15,4%, tehát kb. minden hatodik földi atom hidrogén. - A világegyetemben rendkívül gyakori, a csillagok és csillagködök majdnem 99%-ban hidrogénből állnak.
- Víz, hidroxiltartalmú ásványok, savak, szerves vegyületek.
Magas hőmérsékleten vas és víz reakciója során: 3Fe + 4H2O = 4H2 + Fe3O4 Izzó szén vízgőzzel való reakciója során: - alacsony hőmérsékleten: C + 2H2O = 2H2 + CO2 - magasabb hőmérsékleten: C + H2O = H2 + CO
- A legkisebb rendszámú és legegyszerűbb szerkezetű elem. - Három izotópja van (prócium, deutérium, trícium), melyeknek atomtömegei és sajátságai nagymértékben eltérnek egymástól. - A hidrogénatommag, a proton, rendkívül erősen vonzza a körülötte keringő egy elektront, ezért még a legnagyobb elektronegativitású elemekkel képzett vegyületekben sem fordulhat elő a hidrogén pozitív ion alakjában. A kis térfogatú protonnak rendkívül nagy a polarizáló hatása, a környezetében levő atomok vagy molekulák elektronfelhőjét könnyen deformálja, emiatt kötése mindig kovalens jellegű. Ezzel függ össze, hogy vizes oldatban a proton hidroxóniumionná (H3O+), ammónia jelenlétében pedig ammóniumionná (NH4+) alakul, melyeknek fiktív töltése van. - A hidrogénatomból elektronfelvétellel is képződhet ion (hidridion H-). A kis ionizációs energiájú elemekkel (alkálifémek és alkáliföldfémek) hidrideket képez. Hidrogénizotópok: - Deutérium: 1931-ben fedezte fel Urey munkatársaival. A természetes víz hidrogénjének kb. 1/5000-e deutérium; a víz elektrolízise során a nehézvíz a maradékban feldúsul. Ismételt elektrolízissel tiszta nehézvizet lehet előállítani. Atommagjában 1 proton és 1 neutron van. - Trícium: Radioaktív, β-sugárzással hármas atomsúlyú héliumizotóppá alakul át. A természetben rendkívül ritka, ezért mesterségesen állítják elő deutériumból. Atommagjában 1 proton és 2 neutron van.
- A hidrogén a legkönnyebb gáz, színtelen és szagtalan. - Kétatomos molekulákat alkot: H2. - Nagyon jó hővezető, fajhője minden anyagé közül a legnagyobb. - Forráspontja (-252,9°C) és olvadáspontja (-259,3°C) rendkívül alacsony. - Víz kevésbé abszorbeálja, de a platinafémek, különösen a palládium (Pd) rendkívül jól.
- Közepesen aktív elem. - Halogénekkel közvetlenül egyesül: a fluorral robbanásszerűen, a klórral is nagyon hevesen, a bróm és a jód már sokkal lassabban egyesülnek vele. - Oxigén közönséges hőmérsékleten minden reakció nélkül keveredik hidrogénnel, szikra hatására az elegy nagy csattanással felrobban, ezt durranógáznak nevezzük. - Kénnel magas hőmérsékleten hidrogén-szulfidot ad. - Nitrogénnel csak megfelelő katalizátorok jelenlétében reagál. - Alkálifémek, alkáli földfémek, uránium és plutónium kissé magasabb hőmérsékleten közvetlenül egyesülnek vele. - Ha a hidrogéngázban elektromos kisülést hozunk létre, akkor a H2-molekulák atomokra esnek szét, és aktív hidrogént kapunk; ez halogénekkel, oxigénnel, kénnel, foszforral stb. már közönséges hőmérsékleten is egyesül. - Fémoxidok redukciójára is felhasználják.
Az elemeknek a hidrogénnel alkotott ún. biner (tehát csak hidrogént és egy más elemet tartalmazó) elemei a hidridek. A hidridek aszerint, hogy mennyi az alkotóelemek elektronegativitásának különbsége, három csoportba sorolhatók:
Víz: H2O Tulajdonságok: - Átlátszó, szagtalan, íztelen folyadék. - Sűrűsége 4°C-on pontosan 1000kg/m3, ezen a hőfokon a legnagyobb. A víz ugyanis hőtágulás tekintetében eltér egyéb folyadékok viselkedésétől, mert azoknak a sűrűsége általában a hőmérséklet emelkedésével csökken. A 4°C-os víznek azonban, akár hűl, akár melegszik, sűrűsége egyaránt csökken. → a természetes vizek nem fagynak be - A víz megfagyása jelentékeny térfogat-növekedéssel jár, ezért a jég a víz felszínén úszik, s kitűnő hőszigetelő. → sziklák szétrepesztése - Fajhője igen nagy, ezért a víz jó hűtő- vagy fűtőanyag. → tengerek éghajlat-módosító hatása - Fagyás- és párolgási hője más anyagokéhoz képest szintén rendkívül nagy → központi gőzfűtéses berendezések - Molekulaszerkezete: A vízmolekulában az oxigénatom két hidrogénatommal kovalens kötéssel kapcsolódik. A nagy EN-különbség miatt a két hidrogénatom teljesen belemerül az oxigénatom elektronfelhőjébe, így a vízmolekula gömb alakúnak tekinthető. Valójában a molekula V-alakú, elektronszerkezetét tekintve pedig tetraéderes. Szintén a nagy EN-különbség miatt a molekula erősen poláros, így a vízmolekulák között erős másodrendű kötés, hidrogénkötés alakul ki. Nagyobb számú molekula asszociációjánál a vízmolekulák tetraéderes szerkezetű térhálózatot alakítanak ki. A tetraéderes térhálózat következménye, hogy a víz sűrűsége 4°C-on a legnagyobb. Az asszociáció megszüntetéséhez szükséges energia magyarázza a víz rendkívül nagy párolgási hőjét, valamint azt, hogy a párolgási hője a hőmérséklet emelkedésével csökken.
- kristályvíz: a vegyülethez sztöchiometriai arányban kapcsolódó víz, amely nem válhat ki a kristályokból a kristályrács szétesése nélkül. A hidratált sóknak egészen más szerkezetük van, mint ugyanazon vízmentes sóknak Pl.: CuSO4˙5H2O és CuSO4. - zeolitos víz: a zeolitokban (szilikátos ásványok, melyek kristályrácsában csatornák húzódnak) a víz molekulái a rács üregeiben helyezkednek el, így a víz a szerkezet változása nélkül is eltávolítható. - kemény víz: sok kalcium- vagy magnéziumsót tartalmazó víz. - lágy víz: kevés kalcium- vagy magnéziumsót tartalmazó víz. - nehézvíz: deutériumot (nehézhidrogént) tartalmazó vízmolekulákból álló víz, melynek fizikai jellemzői a közönséges vízéhez hasonlítanak, de egyes fizikai állandói jelentősen eltérnek. Kémiai tulajdonságai és reakciói a közönséges vízével azonosak, de reakcióinak sebessége a vízénél valamivel kisebb. A természetes víz minden 5000. molekulája D2O. Nehézvizet a víz többszöri elektrolízisével lehet előállítani. Vízkeménység és vízlágyatás: - A nagyobb kalcium- és magnéziumion-tartalom élvezhetőbbé teszi a víz ízét, ugyanakkor csökkenti benne a szappan habzását, mert annak anionjaival ezek a kationok csapadékot képeznek. A kemény víz forralásakor vízkő (CaCO3, MgCO3) válhat ki, amely csökkenti a vízbe merülő forralófelületek hőátadó képességét, illetve eldugítja a kazánok csőrendszerét. - A víz változó keménységét a kalcium- és magnézium-hidrogénkarbonátok okozzák. Ez forralással csaknem teljesen megszüntethető, mert hő hatására oldhatatlan karbonáttá alakulnak, amelyek kiszűrhetők a vízből. - A víz állandó keménységét a többi oldott kalcium- és magnéziumsó (pl. klorid, nitrát, szulfát, stb.) adja. Ezeket forralással nem távolíthatjuk el a vízből. - Vízlágyítás: A természetes vizek kalcium-, illetve magnéziumtartalmának csökkentése. Forralással csak a változó keménység szüntethető meg. Vegyszerekkel (nátrium-karbonáttal és trisóval) az összes keménység csökkenthető, mivel ekkor a kalcium- és a magnéziumionok a karbonát, illetve a foszfátionokkal alkotnak vízben rosszul oldódó csapadékot, ami szűréssel eltávolítható a vízből. Az ioncserélő eljárás esetében olyan gyantán vezetik át a vizet, amelynek térhálós szerkezetében a negatív töltésű ionos oldalláncokhoz kálium-, illetve nátriumionok kötődnek. Ezekhez az anionos végződésekhez a kalcium- és magnéziumionok erősebben kötődnek, ezért leszorítják a kálium- és nátriumionokat. Az ioncserélő gyantát elhagyó víz tehát nem feltétlenül tiszta, csupán ioncserélt víz. Hidrogén-peroxid: H2O2 Tulajdonságok: - Színtelen, szagtalan folyadék. - Sűrűsége a víznél másfélszer nagyobb (1456 kg/m3). - -1°C-on színtelen kristályokká fagy, forráspontja (116°C) azonban közvetlenül nem határozható meg, mert magasabb hőmérsékleten bomlékony. - Vízzel minden arányban elegyedik. - Molekulaszerkezete: A hidrogén-peroxid molekulájában a két O-atom közvetlenül, peroxokötéssel kapcsolódik egymáshoz, másik párosítatlan elektronjuk pedig egy-egy hidrogénatommal alkot kötést. A peroxokötés elég gyenge, kötési energiája nem nagy, ezért a hidrogén-peroxid erősen bomlékony. Bomlásakor hőfejlődés közben víz és oxigén keletkezik: 2H2O2 = 2H2O + O2 Vizes oldatai is bomlékonyak, és 30%-osnál nagyobb töménység esetében robbanásveszélyesek. A tiszta, alacsony hőmérsékletű hidrogén-peroxid bomlása aránylag lassú. A reakciósebességet nagyfelületű szilárd anyagok, különösen nehézfémek és sóik növelik, vagyis katalizátorként viselkednek. → Még az üvegfelület is gyengén katalizálólag hat rá, ezért tiszta, tömény oldatát polietilén, vagy parafinnal bevont üvegedényben tárolják. A hidrogén-peroxid bomlásakor naszcensz oxigén szabadul fel, ezért igen erős oxidálószer. Például: a kénessavat kénsavvá oxidálja: H2SO3 + H2O2 = H2SO4 + H2O a fekete ólom-szulfidot fehér ólom-szulfáttá oxidálja: PbS + 4H2O2 = PbSO4 + 4H2O sósavból klórt fejleszt: 2HCl + H2O2 = Cl2 + 2H2O jodidokból jódot tesz szabaddá: 2KI + H2O2 = 2KOH + I2 Erős oxidáló hatása miatt fertőtlenítőszer és színtelenítőszer. A hidrogén-peroxid molekulája a vízhez hasonlóan erősen poláros, molekulái között hidrogénkötések alakulnak ki, ez okozza aránylag magas olvadás- és forráspontját.
- Iparilag: A közepesen tömény kénsav elektrolízise H2SO4 = H+ + HSO4- során keletkező hidrogén-szulfát-ionok (HSO4-) egymással peroxo-dikénsavvá egyesülnek: 2HSO4 → H2S2O8. A peroxo-dikénsav vizes oldata pedig 80-100°C-on kénsavra és hidrogén-peroxidra hidrolizál.: H2S2O8 + 2H2O = 2H2SO4 + H2O2 Felhasználása: - színtelenítő- és fehérítőszer - laboratóriumban oxidálószerként - az orvosi gyakorlatban dezinficiáló- és szagtalanítószerként - a vízmentes hidrogén-peroxidot lökhajtásos repülőgépek, rakéták üzemanyagaként használják.  Yüklə 35,44 Kb. Dostları ilə paylaş:
|