WODÓR - myszka.strony.ug.edu.plmyszka.strony.ug.edu.pl/files/bioinformatyka/nieorg-1.pdf · WODÓR dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gda ński - Wydział Chemii We wszech świecie wodór

WODÓR

dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii

We wszechświecie wodór jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków. Stanowi ok. 80% atmosfery Słońca, a również w atmosferzegwiazd ma znaczną przewagę ilościową nad innymi pierwiastkami.

Atomy wodoru to 91% populacji wszystkich atomów we Wszechświecie(ponad 80% jego masy).

Na Ziemi (skorupa ziemska, hydrosfera i stratosfera) wodór stanowi15% wszystkich atomów (0,9% wag).

Występowanie i rozpowszechnienieSkład pierwiastków na Słońcu i Wszechświecie

Słońce Wszechświatwodór 92,5 % 90,87 %hel 7,3 % 9,08 %pozostałe 0,2 % 0,05 %

Wodór został odkryty przez H. Cavendisha w 1766 r. a za pierwiastek został uznany nieco później. Po raz pierwszy został skroplony przez Dewara w 1898, który skonstruował naczynie do przechowywania skroplonych gazów –naczynie Dewara.


1H (H, prot) 99,98 %2H (D, deuter) 0,015 %3H (T, tryt) 10 -16 %

T (tryt) jest promieniotwórczy, ulega rozpadowi (t1/2 = 12,32 lat)D (deuter) służy do produkcji „ ciężkiej wody” D 2O

IZOTOPY WODORU

Wodór jest gazem bezbarwnym, bez zapachui smaku, słabo rozpuszcza się w wodzie orazw rozpuszczalnikach organicznych.Występuje jako trwała cząsteczka dwuatomowa.


Laboratoryjne metody otrzymywania wodoru

1) metal nieszlachetny + kwas

Mg + 2 HCl →→→→ MgCl2 + H2Fe + H2SO4 →→→→ FeSO4 + H2 (R. Boyle, pierwsza synteza)

2) metal amfoteryczny + mocna zasada

Al + NaOH + 3 H2O →→→→ Na[Al(OH) 4] + 3/2 H2↑↑↑↑

3) reakcja, np. wapnia lub baru z wodą (dlaczego nie Na lub K !)

Ba + 2 H2O →→→→ Ba(OH)2 + H2Ca + 2 H2O →→→→ Ca(OH)2 + H2

4) działanie wody na niektóre wodorki metali

NaH + H2O →→→→ NaOH + H2CaH2 + 2 H2O →→→→ Ca(OH)2 + 2 H2

5) elektroliza wody

K (−) 2 H2O + 2 e →→→→ H2 + 2 OH−

A (+) H2O →→→→ ½O2↑↑↑↑ + 2 H+ + 2 e


Właściwości chemiczne wodoru

1) H2 w temp. pok. jest niezbyt aktywny

2) reakcja H2 z O2 (mieszanina piorunująca H2 : O2 = 2 : 1)

H2 + ½ O2 →→→→ H2O

(∆∆∆∆H = – 286 kJ/mol)

LITOWCE


Li Na K Rb Cs Fr

Atomy litowców mają w zewnętrznej powłoce elektronowej jeden elektron walencyjny zajmujący w stanie podstawowym orbital ns1

(dla litu n = 2, dla sodu n = 3, ... itd.). Ten elektron łatwo jestoddawany przez pierwiastki, a atomy przechodzą w jony jednododatnie Me+.

RozpowszechnienieNa 2,8 % Li 6,5 ⋅⋅⋅⋅10-3 %K 2,6 % Rb 2,8 ⋅⋅⋅⋅10-2 %

Cs 3,2 ⋅⋅⋅⋅10-4 %


sól kamienna (NaCl) i saletra chilijska (NaNO3)karnalit (KCl · MgCl 2· 6H2O) i sylwin (KCl)

Barwa płomienia litowców

�� elektroujemność�� barwa płomienia�� temperatura topnienia

Temperatury topn.(oC) litowców Sól kamienna

Karnalit

Związki litowców mają charakter wyłącznie jonowy.


1. Połączenia litowców z tlenemLitowce są bardzo reaktywne i na powietrzu szybko matowiejątworząc tlenki (Li), nadtlenki (Na) i ponadtlenki (K, Rb, Cs):

4 Li + O2 →→→→ 2 Li2OLi 2O + H2O →→→→ 2 LiOH

6 Li + N2 →→→→ 2 Li3N (tylko lit tworzy azotek litu !)Li 3N + 3 H2O →→→→ 3 LiOH + NH 3

2 Na + O2 →→→→ Na2O2Na2O2 + 2 H2O →→→→ 2 NaOH + H2O2Na2O2 + CO2 →→→→ Na2CO3 + ½ O2 (okręty podwodne)

K + O2 →→→→ KO 22 KO2 + 2 H2O →→→→ 2 KOH + H2O2 + O2


2. Reakcje z wodąLitowce reagują gwałtownie z wodą, np. potas zapala się:

Me + H2O →→→→ MeOH + ½ H2�� moc wodorotlenków wzrasta ze wzrostem liczby atomowej litowca

potas sódna bibule

sódlit

BERYLOWCE


Be Mg Ca Sr Ba Ra

Atomy berylowców mają w zewnętrznej powłoce elektronowej dwaelektrony walencyjne zajmujące w stanie podstawowym orbital ns2

(dla berylu n = 2, dla magnezu n = 3, ...... dla radu n = 7);z powodu mniejszych promieni od litowców, berylowce posiadająnieco większą gęstość, twardość, mniejszą lotność i wyższe potencjały jonizacyjne niż litowce.

Rozpowszechnienie

Ca 3,6 % Be Sr Ba i Ra - b. małeMg 2,1 %


Be Mg Ca Sr Ba Ra

kalcyt, wapień, kreda (CaCO3)dolomit (CaCO3 · MgCO3),

Barwa płomienia

�� elektroujemność�� hydratacja kationów Me2+

�� barwa płomienia�� temperatura topnienia

Baryt (BaSO4)

Fluoryt (CaF2)

Temperatura topnienia


1. Połączenia berylowców z tlenemBerylowce tworzą tlenki typu (MeO) a Ca, Sr i Ba także nadtlenki (MeO2):

2 Mg + O2 →→→→ 2 MgO (ogniotrwałośćMgO, t.t. ~2800oC)

2 Mg + CO2 →→→→ 2 MgO + C

2 Ca + O2 →→→→ 2 CaO


MgO + H2O →→→→ Mg(OH)2 ↓↓↓↓

CaO + H2O →→→→ Ca(OH)2 ↓↓↓↓

�� amfoteryczne właściwości BeO

BeO + 2 HCl →→→→ BeCl2 + H2O (związki Be są silnie toksyczne !)

BeO + 2 NaOH + H2O →→→→ Na2[Be(OH)4]

2. Reakcje z wodą

Ca, Sr i Ba reagują z wodą w temp. pokojowej:

Me + 2 H2O →→→→ Me(OH)2 + H2

�� moc wodorotlenków wzrasta ze wzrostem liczby atomowej berylowca

�� właściwości amfoteryczne Be(OH)2Be(OH)2 + 2 HCl →→→→ BeCl2 + 2 H2O

Be(OH)2 + 2 NaOH →→→→ Na2[Be(OH)4]


3. WęglikiWapń tworzy węglik jonowy: CaC2

CaO + 3 C →→→→ CaC2 + CO (nazwa techn. CaC2 to karbid)

CaC2 + 2 H2O →→→→ Ca(OH)2 ↓↓↓↓ + C2H2

4. Hydroksosole magnezu / wodorotlenek magnezuMg(OH)Cl / Mg 2(OH)2CO3 / Mg(OH)2

są stosowane jako składniki preparatów medycznych na nadkwasotę(Maalox, Milmag, Malugastrin, Proacid)

Jak reagują z H+ ?

5. Spoiwa zawierające wapńspoiwa budowlane - wapno:

CaCO3 →→→→ CaO + CO2 + 165,5 kJ/mol kamień wapno

wapienny palone

CaO + H2O →→→→ Ca(OH)2 −−−− 63,5 kJ/molwapnogaszone


spoiwa gipsowe:masa gipsowa (kamień gipsowy) zawiera głównie CaSO4 · 2 H2Opodczas ogrzewania (wypalania) traci wodę:

CaSO4 · 2 H2O →→→→ CaSO4 · ½ H2O + 3/2 H2Oprzechodząc w gips zwany również gipsem półwodnym,wykazującym zdolność ponownego wiązania wody (reakcja odwrotna !)

alabaster– zbity, biały lub nieco zabarwiony minerał(Egipt – Alabastros; alabaster gipsowy i kalcytowy)

cement:np. cement portlandzki: CaO (58 - 66%), SiO2 (18 – 26%), MgO, Al2O3 Fe2O3

szkliwo zębów:to minerał fosforanowy hydroksyapatyt, głównym składnikiem jest:Ca5(PO4)3OH

próchnica zębów rozpoczyna się, gdy kwasy atakują szkliwo:

Ca5(PO4)3OH + 4 H3O+ →→→→ 5 Ca2+ + 3 HPO42−−−− + 5 H2O

odporniejsza powłoka powstaje gdy jony OH−−−− w apatyciesą zastąpione jonami F−−−− :

Ca5(PO4)3OH + F−−−− →→→→ Ca5(PO4)3F + OH−−−−

BOROWCE


B Al Ga In Tl

Atomy borowców mają w zewnętrznej powłoce elektronowejtrzy elektrony walencyjne zajmujące w stanie podstawowym orbital ns2 i np1 (dla boru n = 2, dla glinu n = 3, ... itd.).Te elektrony łatwo są oddawane, a atomy przechodząw jony trój- (Me 3+) lub jednododatnie (Me+).

Rozpowszechnienie

B ~ 10-4 % Al 8,2%


B Al Ga In Tl

boraks (Na2B4O7 · 10H2O)boksyt (Al2O3 · H2O)skalenie, miki, kaolinit i inne

kamienie szlachetne (?)


�� elektroujemność�� hydratacja kationów Me3+

�� temperatura topnienia

Rubin Szafir

Kamienie szlachetne – „zanieczyszczone” odmiany αααα-Al 2O3 (Cr 3+, Ti4+, Fe3+)

Topaz


1. Związki boru

H3BO3 + 3 CH3OH →→→→ (CH3O)3B + 3 H2O(w reakcji z alkoholami tworzy lotne estry, np. borantrimetylu, którego pary pal ą się zielonym płomieniem)

Bor tworzy szereg związków określanych wspólnąnazwą borany, o wzorach ogólnych BnHn+4 i BnHn+6 ;najbardziej znany jest diboran o wzorze B2H6 .

Borany znajdują zastosowanie jako paliwa rakietowe, ponieważ ich ciepło spalania jest dwukrotnie większe od równoważnej ilości węglowodorów.

Najważniejsza sól boru to boraks Na2B4O7. 10 H2O

(naturalny środek czyszczący)

Na2B4O7 →→→→ 2 Na+ + B4O72−−−−

B4O72−−−− + 3 H2O →→→→ 2 BO2

−−−− + 2 H3BO3

BO2−−−− + 2 H2O →→→→ OH−−−− + H3BO3


2. Glin i jego związkiGlin tworzy tlenek Al 2O3:

2 Al + 3/2 O2 →→→→ Al2O3 (∆∆∆∆H = – 1675 kJ/mol)

Powinowactwo glinu do tlenu jest tak duże,iż metaliczny Al łączy się również z tlenemzawartym w tlenkach wielu metali (aluminotermia):

Fe2O3 + 2 Al →→→→ Al2O3 + 2 Fe

3 CuO + 2 Al →→→→ Al2O3 + 3 Cu

�� amfoteryczne właściwości Al, Al 2O3 i Al(OH) 3

Al + 3 HCl →→→→ AlCl 3 + 3/2 H2↑↑↑↑

Al + NaOH + 3 H2O →→→→ 2 Na[Al(OH)4] + 3/2 H2↑↑↑↑

Al2O3 + 6 HCl →→→→ 2 AlCl3 + 3 H2O

Al2O3 + 2 NaOH + 3 H2O →→→→ 2 Na[Al(OH)4]

Al2O3 + 2 NaOH →→→→ 2 NaAlO2 + H2O

Al(OH) 3 + 3 HCl →→→→ AlCl 3 + 3 H2O

Al(OH) 3 + NaOH →→→→ Na[Al(OH) 4]


chlorek, azotan(V) i siarczan(VI) są dobrze rozpuszczalne w wodzie,wodne roztwory tych soli wykazują odczyn kwaśny:

Al(NO 3)3 →→→→ Al3+ + 3 NO3−−−− (dysocjacja soli)

Al3+ + 6 H2O →→→→ [Al(H 2O)6]3+ (hydratacja)

[Al(H 2O)6]3+ + H2O [Al(H 2O)5(OH)]2+ + H3O

+ (protoliza)

WĘGLOWCE


C Si Ge Sn Pb�� struktura elektronowa�� elektroujemność�� temperatura topnienia


alotropia węgla: diamentgrafit

Sieć przestrzennagrafitu

Sieć przestrzennadiamentu

alotropia C cd.� fulereny� nanorurki� grafen

Rozpowszechnienie: C 0,08 % Si 27,7 % inne - b. małe


nanorurkifuleren C60

Fuleren C60 a piłka nożna

warstwy grafitu

grafen


Zachowanie węglowców wobec wody, kwasów i zasadwęglowce nie reagują z wodą

węgiel nie reaguje z kwasami i zasadami

krzem nie reaguje z kwasami, ale reaguje z rozcieńczonymiroztworami wodorotlenków litowców:

Si + 2 NaOH + H2O →→→→ Na2SiO3 + 2 H2↑↑↑↑

cyna jest metalem amfoterycznym:

Sn + 2 HCl →→→→ SnCl2 + H2↑↑↑↑

Sn + 2 NaOH + 2 H2O →→→→ Na2[Sn(OH)4] + H2↑↑↑↑

Puszki do konserw powleka się bardzo cienką warstwą cyny, gdyż zabezpiecza ona blachę przed korozją, która może przyczynić do popsucia zawartości konserwy. Cyna do tego celu doskonale się nadaje, jest antykorozyjna, nisko toksyczna i można nią z łatwością pokrywać inne metale

Dlaczego puszki do konserw pokrywa się cienką warstwą cyny ?


1. Połączenia węglowców z tlenemWęglowce tworzą tlenki typu MO i MO 2

Właściwości kwasowo-zasadowe tlenków:

CO - obojętny, CO2 i SiO2 - kwasowyCO2 z H2O, NaOH

ołów reaguje z rozcieńczonym i stężonym H2SO4:

Pb + H2SO4 (rozc.) →→→→ PbSO4 ↓↓↓↓ + H2↑↑↑↑

Pb + 3 H2SO4 (stęż.) →→→→ Pb(HSO4)2 + SO2 + 2 H2O

ołów w obecności tlenu atmosferycznego (O2) i CO2reaguje powierzchniowo z wodą:

2 Pb + O2 + 4 CO2 + 2 H2O →→→→ 2 Pb(HCO3)2 (rury ołowiane)choroba- ołowica


2. Związki węgla i krzemu z wodorem

CnH2n+2 CnH2n CnH2n-2 C6H6 C10H8

alkany alkeny alkiny areny

metan (gaz błotny)CH4

CH3COONa + NaOH →→→→ CH4 + Na2CO3

etyn (acetylen)C2H2

CaC2 + 2 H2O →→→→ Ca(OH)2 + C2H2

Dlaczego acetylenstosowany jest w palnikach do spawania metali ?

C2H2 + 5/2 O2 →→→→ 2 CO2 + H2O ∆H = - 1283 kJ/mol


silany SinH2n+2, np. monosilan SiH4 , disilan Si2H6

R to np. −H, −CH3, −C2H5 itd.

siloksanyod silicon , oxygen i alkany

silikony - polimery krzemoorganiczne, pochodne siloksanów,w których atomy wodoru zastąpiono grupamialkilowymi −−−−CH3 , −−−−C2H5 , lub arylowymi −−−−C6H5

siloksany - zawierają łańcuch złożony z atomów tlenu i krzemu,np. H3Si−−−−O−−−−SiH3

AZOTOWCE


N P As Sb Bi

saletra chilijska i indyjska (NaNO3 i KNO 3)apatyty (np. 3Ca3(PO4)2 · CaCO3 · H2O)aurypigment (As2S3) i realgar (As4S4)antymonit (Sb2S3)

�� struktura elektronowa�� elektroujemność

Aurypigment AntymonitRealgarApatyt

alotropiafosfor biały, czerwony, czarnyarsen szary, żółty


1. Połączenia azotu i fosforu z tlenem

azot N2O NO N2O3 NO2 N2O5

fosfor P4O6 i P4O10

2. Kwasy tlenowe azotu

HNO2 - budowa cząsteczki, otrzymywanie i właściwości

N2O3 + H2O →→→→ 2 HNO2

3 HNO2 →→→→ HNO3 + H2O + 2 NO

HNO2 + H2O H3O+ + NO2−−−−

HNO3 - budowa cząsteczki, otrzymywanie i właściwości

N2O5 + H2O →→→→ 2 HNO3

2 HNO3 →→→→ 2 NO2 + 1/2 O2 + H2OHNO3 + 2 H2SO4 →→→→ NO2

+ + 2 HSO4−−−− + H3O+

mieszanina nitrująca !

HNO3 + 3 HCl = NOCl + Cl2 + 2 H2Owoda królewska !


3. Kwas ortofosforowy(V)

H3PO4 - budowa cząsteczki, otrzymywaniekwas fosforowy(V), ortofosforowy, fosforowy

P2O5 + 3 H2O →→→→ 2 H3PO4

PCl5 + 4 H2O →→→→ H3PO4 + 5 HCl

�� nawozy fosforowe:superfosfaty, tomasyna

4. Związki azotu z wodorem

amoniak NH3

�� budowa, otrzymywanie i właściwości NH3

�� ciekły amoniak 2 NH3 NH4+ + NH2

−−−−

azydek wodoru (kwas azotowodorowy) HN3

HN3 + H2O H3O+ + N3−−−−

sole tego kwasu to azydki, np.NaN3, Pb(N3)2

hydrazyna N2H4 (zasada, właściwości redukujące, stosowanajako paliwo rakietowe, tworzy dwa szeregi soli)

TLENOWCE


O S Se Te Po

�� struktura elektronowa

�� elektroujemność

�� promień atomu / jonu (X/X2−−−−)

�� wartościowość, wiązalność, stopień utlenienia

�� budowa cząsteczki O2 i O3

�� budowa cząsteczki SO2 i SO3

alotropiatlen tlen, ozonsiarka rombowa, jednoskośna, ...


Spalanie w tlenie

świeczka siarka

stop cer + żelazoFilmy pochodzą ze strony www.seilnacht.com

żelazo (wełna)


1. Połączenia tlenu i siarkiH2O H2S

kąt 104,5o 92o

�� budowa cząsteczki�� woda, lód, wiązanie wodorowe�� dysocjacja H2S

H2S + H2O H3O+ + HS−−−−

HS−−−− + H2O H3O+ + S2−−−−

� właściwości SO3

�� właściwości SO2 (reakcje z wodą)

�� kwasy tlenowe siarki H2SO3 , H2SO4 , H2S2O3

SO2 + ½ O2 SO3

SO3 + H2SO4 (stęż.) →→→→ H2S2O7kwas heptaoksodisiarkowy (OLEUM)

H2S2O7 + H2O →→→→ 2 H2SO4(96%, stężony, d = 1,84 g/cm3)

etapy produkcji


Nadtlenek wodoru H2O2

bezbarwna (w grubych warstwach bladoniebieska) ciecz,

d = 1,44 g/cm3, t.t. −−−− 0,4oC, t.w. 152oC

silny utleniacz, łatwo ulega rozkładowi, jest bardziej kwasowy niż woda

3 % wodny roztwór – woda utleniona 30 % wodny roztwór – perhydrol

[ZAP Puławy produkują dla przemysłu 50 % i 60 %]

2 H2O2 →→→→ 2 H2O + O2 ∆∆∆∆H = – 99 kJ/mol

�� budowa cząsteczki

µµµµ = 2,13 D dla H2O2 a 1,84 D dla H2O

FLUOROWCE

Barwa halogenów (X2) wynika z przejścia elektronowego: π* →→→→ σ* .Odległość pomiędzy tymi poziomami maleje w szeregu:

F2 > Cl2 > Br2 > I2powodując stopniowe przesuwanie maksimum absorpcji z bliskiego UV do obszaru VIS.


F Cl Br I At

�� struktura elektronowa�� elektroujemność�� promień atomu / jonu (X/X−−−−)�� budowa cząsteczki X2

Fluoryt (CaF2)

Sól kamienna (NaCl)

Rozpowszechnienie: Cl 0,14% F 0,072 %inne b. małe


1. Reakcje fluorowców z wodą

Reakcja z wodą jest dobrym przykładem ilustruj ącym zmniejszaniesię zdolności utleniającej fluorowców:

F2 + H2O →→→→ 2 H+ + 2 F−−−− + ½ O2 ∆∆∆∆G = – 795 kJ/mol

(duża ujemna wartość potencjału Gibbsa wskazuje,że reakcja jest silnie egzotermiczna i samorzutna, co oznacza, że tzw. woda fluorowanie istnieje)

Cl2 + H2O = HCl + HClO (woda chlorowa)

Br2 + H2O = HBr + HBrO (woda bromowa)

I 2 + H2O bardzo słaba rozpuszczalność, zwiększa się w obecności KI:

I2 + I−−−− →→→→ I3−−−−

płyn Lugola: I2 (1%), KI (2%), H2O (97%) - Jean Lugol, 1829 r.


2. Reakcje fluorowców z metalamiReakcje fluorowców z metalamilekkimi i wi ększością metali ciężkich przebiegają gwałtownie:

Cl2 + 2 Na →→→→ 2 NaCl

3 Cl2 + 2 Fe →→→→ 2 FeCl33 Br2 + 2 Al →→→→ 2 AlBr 3


3. Połączenia fluorowców z wodorem: HX

HF HCl HBr HI�� moment dipolowy (D) 1,91 1,03 0,79 0,38

�� budowa cząsteczki

�� stan skupienia

�� otrzymywanie

CaF2 + H2SO4 →→→→ CaSO4 + 2 HF ↑↑↑↑

NaCl + H2SO4 →→→→ NaHSO4 + HCl ↑↑↑↑

2 P + 3 Br2 →→→→ 2 PBr3

PBr3 + 3 H2O →→→→ H3PO3 + 3 HBr ↑↑↑↑

ponieważ np. :

2 KBr + 3 H 2SO4 →→→→ Br2 + 2 KHSO4 + SO2 + 2 H2O

�� moc kwasów beztlenowych: HF HCl HBr HI

wzrost mocy kwasów

Documents

WODÓR - myszka.strony.ug.edu.plmyszka.strony.ug.edu.pl/files/bioinformatyka/nieorg-1.pdf · WODÓR dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gda ński - Wydział Chemii We wszech świecie wodór