Vodík, voda, roztoky, vzácné plyny

Vodík – vlastnosti, reakce, příprava

• první člen periodické soustavy prvků; jeho atomy mají nejjednodušší elektronovou konfiguraci (1s¹); nejlehčí ze všech prvků; biogenní prvek
• tvoří tři izotopy: lehký vodík = protium … (9. nejrozšířenější prvek na Zemi)                                             radioaktivní vodík = tritium (T) …
•                                              těžký vodík = deuterium (D) …
• přepravuje se v ocelových lahvích s červeným pruhem s opačným závitemVýskyt

1. volný (nevázaný ve sloučeninách)
   • v podobě dvouatomové molekuly … H₂ (atomy jsou spolu vázány jednoduchou nepolární kovalentní vazbou)

• v atmosféře; vzácný, protože uniká do vesmíru
• ve vesmíru (na stálicích, ve sluneční atmosféře, …); hojný (nejrozšířenější prvek ve vesmíru)
• v důsledku jaderného spinu existují dvě formy:           ortho (paralelní spiny) a para (opačné spiny); poměr ortho:para = 3:1

• atomární … H

• v sopečných plynech a zemním plynu; velmi vzácný

1. vázaný; ve sloučeninách

• anorganické sloučeniny (voda, kyseliny, …)

• organické sloučeniny (uhlovodíky & jejich deriváty, …)Vlastnosti

• podle elektronové konfigurace patří mezi s-prvky, ale svými vlastnostmi se od nich značně liší, proto se mezi ně neřadí
• typický nekov; bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu
• poměrně vysoká elektronegativita (2,2)
• za běžných podmínek nestálý, snaha slučovat se (vytvořit chemickou vazbu) za účelem získání stabilnější elektronové konfigurace = elektronové konfigurace nejbližšího vyššího vzácného plynu (helium – 1s²); té dosáhne:

1. vytvořením nepolární nebo polární kovalentní vazby (např. H₂, HCl)H₂ + Cl₂ → 2HCl
4. přijetím elektronu od atomu s nízkou elektronegativitou; vznik hydridového aniontu H^– (např. NaH)H₂ + 2Na → 2NaH
5.    hydrid sodný
7. odštěpením elektronu; vznik kationtu H⁺ (proton), který je značně nestálý, proto se ihned váže na molekulu obsahující volný elektronový pár, a to koordinačně kovalentní vazbouH⁺ + H₂O → H₃O⁺ amonný kationt
9. H⁺ + NH₃ → NH₄⁺
10. oxoniový kationt

• reaguje téměř se všemi prvky (výjimku tvoří vzácné plyny a některé přechodné prvky)

• molekula vodíku však není příliš reaktivní; pro reakci musí být splněny určité podmínky, aby se molekuly H₂ mohly rozštěpit na atomy, které jsou mnohem reaktivnější atomy
• podmínky:

1. vyšší teplota
2. spuštění reakce jiskrou, plamenem nebo ozářením
3. přítomnost katalyzátorů

• redukční účinky (s výjimkou reakce s roztaveným alkalických kovem, kde jsou oxidační) CuO^(s) + H₂^(g)                   Cu^(s) + H₂O^(g)
•                                                               200°C
• za vhodných podmínek tvoří s kyslíkem výbušnou směs (třaskavý plyn) O₂^(g) + 2H₂^(g)               2H₂O^(g)
•                                                          jiskra
• na vzduchu hoří čistým bezbarvým plamenem za vzniku vodní páryPříprava

• získáme malé množství H; laboratorní účely

• elektrolýza vody (přesněji elektrolýza vodivého vodného roztoku kyseliny nebo hydroxidu)

• vodík se vylučuje na katodě, je velmi čistýel. proud: 2 H₂O → H₃O⁺ + OH^–katoda (–): 4 H₃O⁺ + 4 e^– → 2 H₂O + 2 H₂
•  
• anoda (+): 4 OH^– → O₂ + 2 H₂O + 4 e^–

• reakce neušlechtilých kovů s vodou2Na + 2H₂O → NaOH + H₂ 

 

• 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂
•  

• reakce málo ušlechtilých kovů s vodnými roztoky silných kyselin a hydroxidůZn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂   vytěsňování vodíku neušlechtilým kovem z kyseliny 

 

• Zn + 2NaOH + 2H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] + H₂
•  

• rozklad iontových hydridů vodouCaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂

 

•  

• tepelný rozklad hydridů některých přechodných kovů2UH₃ → 2U + 3H₂      skladování a příprava tritia     

 

• Výroba
•  

• získáme velké množství; průmysl

• rozklad nasycených uhlovodíků získaných z ropy a zemního plynu

 

• termické štěpení metanuCH₄^(g)                    C^(s) + 2H₂^(g)
•                                                                1200°C
• krakování2CH₄                  CH―HC + 3H₂
•  
•                                                                                1500°C

• oxidace metanu vodní párou = parní reformováníCH₄^(g) + H₂O^(g)                CO^(g) + 3H₂^(g)

 

•                                                                                                                                      800°C

• reakce vodní páry s rozžhaveným koksem = zplyňování uhlí (koroze vodního plynu)C^(s) + H₂O^(g)                               CO^(g) + H₂^(g)   těžko se od sebe oddělují, zavádí se do vody

 

•                                                                                                             1000°C

 

500°C, Fe₂CO₃

CO^(g) + H₂^(g) + H₂O^(g)                   CO₂^(g) + 2H₂^(g)

směs se pustí do studené vody î CO2 se zachytí (sifon), H2 uniká

 

• rozklad sodíkového amalgámuNa(Hg)_x + H₂O → H₂ + NaOH + 2x Hg

 

•  

• termický rozklad amoniaku2 NH₃ → 3 H₂ + N₂

 

•  
• elektrolýza vodného roztoku chloridu sodného (vystupuje zde jako vedlejší produkt)

• frakční zkapalnění produktů suché destilace uhlí Voda H₂O

 

• Obecná charakteristika a výskyt
• Sloučeniny vodíku a kyslíku – voda a peroxid vodíku
•  

• nejrozšířenější a nejvýznamnější sloučenina na Zemi; pokrývá ⅔ povrchu země
• obsažená v atmosféře, půdě, horninách, v rostlinných i živočišných organismech
• tři skupenství: plynné, kapalné a pevnéFyzikální vlastnosti
• bezbarvá kapalina bez chuti a bez zápachu (v silné vrstvě je namodralá)
• teplota tání: 0 °C
• teplota varu: 100 °C
• při přechodu do pevného stavu (zmrznutí) zvětšuje svůj objem asi o 10%
• led plave na vodě, protože má menší hustotu než kapalná voda
• příčina kapalného skupenství – vodíkové můstky
• vznikají mezi sousedními molekulami vody, mezi kyslíkem a vodíkem; mezi prvkem o velké elektronegativitě a prvkem o nízké elektronegativitě
• zapříčiňují: anomálie vody = závislost hustoty vody na teplotě (maximální při 4 °C); vysoké teploty tání a varu v porovnání jinými hydridy; dobrá tepelná vodivost; velké měrné teplo; velké výparné teplo; velké povrchové napětí
• příčina pevného skupenství (led) – „ledová“ struktura (hexagonální)
• každá molekula vody se pravidelně pomocí vodíkových můstků váže s dalšími čtyřmi molekulami čímž vznikají objemné útvary podobné včelí plástvi s dutinou uprostřed, proto má led menší hustotu a větší objem než kapalná voda
• vnější projev pravidelné struktury – sněhová vločkaChemické vlastnosti
• jedna z nejstálejších sloučenin
• významné reakce:

• reakce s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin; vznik vodíku a hydroxidu; bouřlivý průběh2Na^(s) + 2H₂O^(l) ® 2NaOH^(aq) + H₂^(g)

• koroze = reakce s některými kovy î vznik vodíku & oxidu; zdlouhavý průběh3Fe^(s) + 4H₂O^(g) ® 2Fe₃O₄ ^(s) + 4H₂^(g)

• autoprotolýza (disociace) vodyH₂O ® H₃O⁺ + OH^–   … K_v = 1.10^–14 (disociační konstanta vody)

• reakce s kyselinotvornými oxidy î vznik kyselinSO₃^(g) + H₂O^(l) ® H₂SO₄^(l)

• reakce se zásadotvornými oxidy î vznik hydroxidůCaO + H₂O ® Ca(OH)₂

• neutralizace = reakce kyseliny s hydroxidem î vznik vody a soliHCl + NaOH ® NaCl + H₂O

• hydrolýza = rozpouštění solí ve voděCN^– + H₂O D HCN + OH^–

• acidobazické vlastnosti; vznik oxoniového kationtu … H₃O⁺ / hydroxidového aniontu … OH^–  
• H₂O ® OH^– + H⁺
• H₂O + H⁺ ® H₃O⁺
• polární rozpouštědlo
• iontové sloučeniny (např. NaCl) se ve vodě štěpí za vzniku hydratovaných iontů (iontů obklopených molekulami vody); dochází k elektrolytické disociaci
• roztok s hydratovanými ionty = roztok elektrolytu
• sloučeniny s málo polárními nebo nepolárními molekulami (např. ethanol, glukosa, močovina) se neštěpí na hydratované ionty, jsou obaleny molekulami vody jako celek
• roztok s nehydratovanými ionty = roztok neelektrolytu
• reakční prostředí
• umožňuje reakci látek, které by spolu jinak nereagovaly Õ tyto látky musí být většinou převedeny do podoby vodného roztoku, a pak spolu zreagují

Hydráty

• sloučeniny, které ve svých strukturách obsahují molekuly vody = krystalová voda
• většinou krystalické látky jako jsou anorganické soli, minerály, …
• vznikají:

1.      krystalizací solí z jejich vodných roztoků
2. pohlcováním vzdušné vlhkosti bezvodou solí

• látky schopné pohlcovat vodu ze vzduchu = hydroskopické látky
• používají se jako vysoušedla
• některé hydráty na vzduchu krystalovou vodu ztrácejí (větrají) a mění se v prášek
• např.      CaSO₄ . 2H₂O … dihydrát síranu vápenatého = sádrovec
• Využití
•          CuSO₄ . 5H₂O … pentahydrát síranu měďnatého = modrá skalice
• rozpouštědlo, reakční prostředí, …
• nezbytná pro život; nutno dbát na čistotu jejich přírodních zdrojů

Čistota vody

• v přírodě není nikdy čistá, obsahuje rozpuštěné různé látky, plyny, částečky pevných látek …
• mořská voda bohatá na sodné a hořečnaté soli
• čištění vody: destilace, čímž se získává velmi čistá voda (bez jakýchkoli příměsí), pomocí ionexů = přírodní křemičitany (zeolity) nebo syntetické pryskyřice schopné zachycovat kationy (katexy)/anionty (anexy)

• pitná voda: zdravotní nezávadnost vody se získává působením chlóru, ozónu nebo ultrafialovým zářením, dochází k ničení choroboplodných zárodků

 

•    tvrdost vody:

1. přechodná: způsobena hydrogenuhličitany (např. Ca(HCO₃)₂ hydrogenuhličitan vápenatý); odstraní se povařením Ca(HCO₃)₂                   CaCO₃ + H₂O + CO₂
2. nerozpustný ve vodě → usadí se na dně nádoby
4. trvalá: způsobena sírany, které lze odstranit přidáním uhličitanu sodného (změkčovač vody)

Peroxid vodíku H₂O₂

• nejběžnější peroxosloučenina
• ve vodě nerozpustná kapalina
• chová se jako velmi slabá kyselina
• lze od ní odvodit soli: peroxidy X₂O₂^–I a hydrogenperoxidy XHO₂^–I
• nestálý, rozkládá se na vodu a atomární kyslík (katalytickým účinkem některých látek – např. krev)                 H₂O₂ ® H₂O + O
• oxidační účinky; na oxidační činidla silnější než je on sám působí redukčně
• 3% vodný roztok se používá jako bělící a dezinfekční prostředek
• poprvé byl peroxid vodíku připraven v roce 1818 L. J. Thénardem reakcí kyseliny sírové s peroxidem barnatým a odpařením nadbytečné vody za sníženého tlaku dle rovnice:                 BaO2 + H2SO4 → H2O2 + BaSO4

Roztoky

• homogenní směs (přesněji homogenní disperzní soustava) dvou nebo více chemicky čistých látek [disperzní soustava = směs, která obsahuje jednu látku tvořící základ soustavy (tzv. disperzní prostředí) a další látky (tzv. dispergované podíly), které jsou v ní rozptýleny (dispergovány) ]
• složení: látka rozpuštěná (dispergovaný podíl)Dělení roztoků
•                   rozpouštědlo (disperzní prostředí); látka, která je v roztoku v nadbytku (nejčastěji voda, organická rozpouštědla)

• podle skupenství

1. pevné (např. slitiny kovů, sklo, …)
2. kapalné (např. sůl ve vodě, minerální voda, slivovice, …)
3. plynné (např. vzduch, …)
   • podle povahy rozpuštěné látky

1. roztoky neelektrolytů

• vznikají rozpouštěním látky s málo polárními nebo nepolárními molekulami; tyto molekuly se rozptýlí mezi částice rozpouštědla a dál se s nimi nic neděje
• např. rozpouštění sacharosy ve vodě

1. roztoky elektrolytů

• vznikají rozpouštěním látky s iontovou strukturou v polárních rozpouštědlech (voda); jednotlivé ionty jsou z látky postupně uvolňovány a obalovány částicemi vody (hydratace) dochází ke vzniku hydratovaných iontů
• jsou volně pohyblivé; roztoky elektrolytů vedou elektrický proud

1. roztoky potenciálních elektrolytů

• vznikají tak, že rozpouštěná látka reaguje s některými molekulami rozpouštědla a mezi zbytek rozpouštědla se rozptýlí až produkty této reakce
• např. „rozpouštění“ plynného chlorovodíku ve voděSložení roztoků:

1. neomezeně mísitelné látky

• vytvářejí homogenní směs bez ohledu na to, v jakém poměru je mísíme
• např. ethanol + voda

1. omezeně mísitelné látky

• vytvářejí homogenní směs jen v určitém poměru
• např. voda + sůl

• nenasycený roztok

• takový roztok, v němž se za daných podmínek látka rozpouštěná v příslušném rozpouštědle stále rozpouští

• nasycený roztok

• takový roztok, v němž se za daných podmínek látka rozpouštěná v daném rozpouštědle přestane rozpouštět

• přesycený roztok

• takový roztok, v němž se za daných podmínek látka rozpouštěná v daném rozpouštědle dále nerozpouští; nachází se v něm nerozpuštěná

1. nemísitelné látky

• vzájemně nerozpustné látky, které netvoří homogenní disperzní soustavu
• např. olej + voda

 

Vyjadřovaní složení roztoků

Hmotnostní zlomek

• udává podíl rozpuštěné látky ve 100 g roztoku
• je roven podílu hmotnosti rozpuštěné látky v roztoku a celkové hmotnosti roztoku
• běžně se vyjadřuje hmotnostním procentem; vynásobíme hmotnostní zlomek 100 %
• součet hmotnostních zlomků všech látek obsažených ve směsi (tzn. rozpuštěné látky + rozpouštědlo) = 1
• nezávisí na teplotěw_A=

Objemový zlomek

• je roven podílu objemu rozpuštěné látky (X) v roztoku a celkovému objemu roztoku
• běžně se vyjadřuje objemovým procentem; vynásobíme objemový zlomek 100 %
• závisí na teplotěφ=

Molární koncentrace

• je rovna podílu látkového množství látky obsažené v roztoku a celkového objemu roztoku; je rovna počtu molů určité látky rozpuštěné v 1 dm³ roztoku
• jednotka: mol . dm^–3
• závisí na teplotěc=
• Prvky VIII.A skupiny

• helium, neon, argon, krypton, xenon a radon
• vyrábí se průmyslově frakční destilací zkapalněného vzduchu
• jako první tyto prvky objevil anglický profesor chemie sir William Ramsay
• dlouhou dobu se věřilo tomu, že tyto prvky jsou netečné, ale opak byl pravdou – roku 1962 to dokázal britský chemik Neil Bartlett, který vytvořil sloučeninu xenonu
• mezi další vzácné plyny tvořící sloučeniny ( i když velmi těžko) patří krypton a radon
• pro tyto prvky je charakteristické, že jejich valenční elektrony zcela zaplňují poslední vrstvu elektronového obalu, zaplněné orbitaly (u helia s orbital, u ostatních s a p orbitaly) jsou příčinou mimořádné nereaktivnosti prvků VIII. skupiny

• mezi atomy vzácných plynů působí jen slabé van der Waalsovy síly, a proto mají velmi nízké body tání a varu

 

• Helium He

• bezbarvý plyn, bez zápachu.
• francouzský astronom Pierre Jansen objevil helium při pozorování slunce během zatmění v roce 1868
• plyn byl poprvé izolován ze Země v roce 1895 britským chemikem sirem Williamem Ramstayem
• v roce 1907 britský fyzik sir Ernest Rutherford popsal alfa částice, jako proud héliových jader
• helium tvoří jednoatomové molekuly a je, kromě vodíku, nejlehčí plyn
• má nejnižší hodnotu teploty varu ze všech látek (-268.9°C)
• stejně jako ostatní vzácné plyny je chemicky inertní; možnost reakce s jiným prvkem je téměř nemožná a vzniklé sloučeniny jsou velmi nestálé.
• laboratorně byly vytvořeny sloučeniny s neonem a vodíkem
• protože helia je ve vesmíru je velmi mnoho, reakce, i když vzácné, by mohly být významné pro kosmonautiku
• helium je ze všech plynů nejtěžší zkapalnit a je nemožné ho nechat ztuhnout za tlaků a teplot které dokážeme v laboratořích vytvořit, díky těmto vlastnostem je kapalné helium velmi důležité pro pokusy s teplotami blížících se absolutní nule
• protože je helium netečné, a tedy i nehořlavé a nevýbušné, upřednostňuje se jeho použití jako náplň balónů a vzducholodí; využívá se při vyrovnávání tlaku v kabinách kosmických lodí a při svařování kovů, které by oxidovaly s kyslíkem
• je součástí uměle vytvořené atmosféry, která se využívá do tlakových láhví v lékařství či potápění
• v chirurgii se využívá ionizované helium pro operace nádorů
• získává se ze zemního plynu po zkapalnění ostatních složek
• helium vzniká alfa rozpadem těžkých radioaktivních prvků a je jedinou známou látkou, která má více než jednu kapalnou fázi.
• Neon Ne

• bezbarvý plyn
• neon taje při -248,6°C; bod varu má -246.8°C
• vyskytuje se v zemské atmosféře
• neon byl poprvé oddělen od ostatních plynů v roce 1898
• v přírodě se vyskytuje ve třech stálých formách izotopů: 20, 21, 22
• neon vydává v elektrické výbojce červenou záři (průchodem elektrického proudu), neonovéstavu využívá jako chladící médium (má 40krát větší chladící kapacitu než hélium), dále se používá v helium-neonových laserech. Neon narozdíl od kryptonu, xenonu či radonu netvoří naprosto žádné sloučeniny.
• Argon Ar
• zářivky bývají proto hojně využívány pro barevné reklamy a vývěsní štíty; rovněž se, v kapalném

• třetí převládající plyn v atmosféře. (asi 0,93%)
• argon byl objeven v roce 1894
• bezbarvý plyn bez jakéhokoli zápachu
• taje při teplotě – 183,3°C a vaří se při -158,86°C
• argon se vyrábí a využívá pro mnoho technických účelů; argonem se například plní baňky žárovek (kdyby byl v žárovce vzduch, wolframové vlákno by brzy prasklo, pokud je v baňce žárovky vakuum, vlákno má tendenci vypařovat se, a sklo žárovky zevnitř černá, argonová náplň je pro dlouhou životnost žárovky ideální); podobně jako neon, se argon použivá jako náplň do zářivek, akorát s tím rozdílem, že vydává světle-modrou záři a potřebuje nižší napětí.
• argon se také používá v laserové technice, na vytvoření inertní atmosféry při sváření (k zabránění oxidace)
• přítomnost argonu ve vzduchu předpokládal anglický chemik a fyzik Henry Cavendish už kolem roku 1785, izolován byl však až roku 1894
• Krypton Kr

• bezbarvý plynl, ve vzduchu je zastoupen v nepatrném poměru
• taje při -157,21°C a vaří při -153,35°C
• krypton se používá samotný, nebo ve směsi s argonem či neonem jako náplň barevných zářivek, má charakteristickou oranžovou barvu (použití na letištích k navigaci letadel.
• jelikož krypton vzniká jako jeden z produktů při jaderném štěpení, je jeho zastoupení v atmosféře ukazatelem světové nukleární aktivity
• jedinou známou sloučeninou je fluorid kryptonu (KrF2) 
• Xenon Xe
•  

• byl objeven roku 1898, roku 1962 bylo připraveno několik sloučenin xenonu
• xenon taje při -111.8°C a vře při -108,1°C
• bezbarvý plyn, bez zápachu
• xenon se používá v halogenových automobilových světlech a dále ve fotografických blescích, protože elektrický výboj v xenonu poskytuje intenzivní bílé světlo
• ze všech vzácných plynů tvoří právě xenon největší počet sloučenin
• byl připraven oxid xenonový, který je v pevném stavu velmi explozivní (jeho účinnost je srovnatelná s trinitrotoluenem), jeho vodný roztok je velmi silným oxidačním činidlem, molekuly XeO₃ mají tvar trigonální pyramidy s atomem xenonu ve vrcholu
• reakcí vodného roztoku XeO₃ se zásadami vznikají soli kyseliny xenonové – hydrogenxenonany:
•                                XeO₃ + OH^–              HXeO^4-
• některé xenonany se podařilo izolovat i navzdory tomu, že jejich alkalické roztoky nejsou stálé a zvolna disproporcionují na xenoničelany a plynný xenon
•                                2 HXeO^4- + 2 OH^–            XeO₆+ Xe + O₂ + 2H₂O
• ke známým sloučeninám xenonu patří také plynný a nestabilní oxid xenoničelý XeO₄, tetrafluorid xenonu XeF₄ a další fluoridy, jako XeF₂ nebo XeF₆
• xenon má ve sloučeninách oxidační čísla II, IV, VI, VIIIRadon Rn

• bezbarvý radioaktivní plyn, nejtěžší z vzácných plynů
• roku 1962 se povedlo připravit první sloučeninu radonu
• nejběžnější izotop radonu je radon-222, jehož poločas rozpadu čítá 3,8 dne
• taje při -71°C. a vzniká jako odpadní produkt radioaktivních procesů
• v přírodě se vyskytuje společně s radiem
• jméno radon nese tento prvek až od roku 1923, dříve se jmenoval niton, dříve se radon používal k ozařování při léčbě rakoviny