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.
Vegyületekben:
- Víz, hidroxiltartalmú ásványok, savak, szerves vegyületek.
-
Hevítéssel: Fa, tőzeg, szén, kőolaj zárt térben való erős hevítése során keletkezik.
-
Savval: Cink és híg kénsav reakciója során: Zn + H2SO4 = H2 + ZnSO4
-
Lúggal: Alumínium lúgos oldattal való reakciója során: 2Al + 2NaOH + 6H2O = 3H2 + 2NaAl(OH)4
-
Vízzel: Alkálifémek és alkáliföldfémek vízzel való reakciója során: 2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH
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.
-
FONTOSABB HIDROGÉNVEGYÜLETEK:
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:
-
Molekuláris vagy illékony hidridek: A hidrogénnek a p-mező elemeivel alkotott molekularácsos kovalens vegyületei, általában gáz halmazállapotú anyagok, melyekben a hidrogén +1 fiktív töltéssel rendelkezik. Pl.: HF, HCl, HBr, HI, H2O, H2S, H2O2
-
Ionos vagy sószerű hidridek: A hidrogénnek az s-mező elemeivel alkotott ionrácsos vegyületei, melyekben a fém +1, a hidrogén -1 töltéssel rendelkezik. Pl.: LiH, NaH, KH, CaH, SrH, BaH
-
Fémes vagy interszticiális hidridek: A hidrogénnek a d- és az f-mező elemeivel alkotott fémrácsos vegyületei, melyekben a hidrogén a fémrács közötti térben helyezkedik el. Pl.: Pd, Pt abszorbeálja a hidrogént
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.
0°C-on a víz megfagyásakor a tetraéderes szerkezet hexagonális rácsszerkezetbe átrendeződve stabilizálódik, jég keletkezik. Mivel a jég hatszöges rácsa nem szoros illeszkedésű, ezért a víz jéggé fagyása jelentős térfogat-növekedéssel jár.
- A víz kitűnő oldószer. Dipólusos jellege következtében általában a poláros vegyületek, elsősorban az ionvegyületek oldódnak jól, s egyúttal ionokra disszociálnak benne. A vízmolekulák ugyanis elektrosztatikusan kötött hidrátburkot alakítanak ki a keletkező ionok körül, amely folyamat jelentős energia-felszabadulással jár (hidratációs energia).
- Ha két H2O-molekula között hidrogénhíd képződése által kapcsolat jön létre, az igen kis tömegű és nagyon mozgékony proton könnyen és véglegesen is átléphet egyik molekulából a másikba. Ennek eredményeként a vízmolekulából egy pozitív töltésű hidroxóniumion (H3O+) és egy negatív töltésű hidroxidion (OH-) keletkezik.
- 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.
Előállítása: - Laboratóriumban: bárium-peroxid híg kénsavval való reakciója során: BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O2
- 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.
Dostları ilə paylaş: |