Vodík a hydridy. Pojem a rozdělení uhlovodíků
Vodík 1H
Elektronová konfigurace: 1s1 |
|
Oxidační čísla: -I, +I
- Vlastnosti
- fyzikální – plynný, bezbarvý
– bez chuti a zápachu
– 14x lehčí než vzduch
– hořlavý, ve směsi se vzduchem vzniká výbušná směs
– má nejmenší poloměr a hmotnost atomu
– má 3 izotopy 11H – protium, lehký (tvoří 99,98% všeho vodíku na zemi)
21H = D – deuterium, těžký vodík (tvoří méně než 0,02% vodíku)
31H = T – tritium (je radioaktivní a vyrábí se uměle, jeho zastoupení je minimální)
- chemické – má nestabilní konfiguraci (snaží se dosáhnout konfigurace helia)
– běžně je nereaktivní, za zvýšené teploty, nebo díky katalyzátoru se slučuje s řadou prvků
H2+Cl2 t 2HCl
2H2+O2 t 2H2O
– má redukční schopnosti, využívá se při reakci
CuO+H2 H2O+Cu
– má velkou ionizační energii
– tvoří vazby polární i nepolární a vodíkové můstky s N, O, F
– za normálních podmínek tvoří stabilní molekuly H2
– atomární vodík (vodík ve stavu zrodu), vznikající bezprostředně při své přípravě, je velmi reaktivní, a pokud nemá možnost reagovat s jinou látkou, spojuje se ihned do molekul H2
- Výskyt
– nejrozšířenější prvek ve vesmíru, v přírodě se volně nevyskytuje
– vyskytuje se jako součást vody, organických látek a v hydrátech solí, hydrogensolích a kyselinách
– koksárenský plyn – 50% H2, 25% CH3, dále N atd. – vzniká, když se vyrábí z uhlí koks
– vodní plyn – 39% H2, 38% CO, 18% CO2 – vzniká v šachtových parách a generátorech, neboť antracit a koks se prohání při vysokých teplotách nad 1000°C vodní parou
- Stabilizace atomu
- vytvoření kovalentní vazby
H2: H 1s1
H 1s1
HCl: H 1s1
Cl 3s2 3p5
- vytvoření aniontu
– hydridový: H–
– iontové hydridy: NaH, CrH2
- vytvoření koordinačně-kovalentní vazby
– vodík odštěpí e (vznikne H+) a jako akceptor se váže na částici s volným elektronovým párem
H3O+, NH4–
- Příprava
- rozpouštěním neušlechtilých kovů v neoxidujících kyselinách v Kippově přístroji
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2
- rozpouštěním neušlechtilých kovů v zředěných oxidujících kyselinách v Kippově přístroji
Fe + H2SO4 (zřeď.) → FeSO4 + H2
- reakcí alkalických kovů s vodou
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
- reakcí vodní páry s rozžhaveným železem
3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
- elektrolýzou vody v Hoffmanově přístroji – s malým množstvím kyseliny (H2SO4) nebo hydroxidu
- Výroba
- termickým rozkladem methanu
CH4 → C + 2 H2 t = 1200°C
- reakcí vodní páry s vodním plynem
H2O+H2+CO 2H2+CO2
– vzniká velice čistý vodík – potravinářské účely
– je potřeba vysokých teplot a katalyzátorů
- reakcí vodní páry s rozžhaveným koksem
– nejprve se získá vodní plyn a poté dojde ke konverzi
– reakce je katalyzována Fe2O3 + Cr2O3
– vzniklé CO2 se ze směsi plynů odstraní vypíráním ve vodě a v roztoku KOH
C + H2O → CO + H2 t = 1000°C
CO + H2O → CO2 + H2 t = 500°C
- elektrolýzou vodného roztoku NaCl
– vodík vzniká jako vedlejší produkt
- Využití
– redukční činidlo k výrobě kovů z těžko redukovatelných oxidů jejich kovů (W, Mo), podobně i k redukci solí některých kovů
WO3 + 3 H2 → W + 3 H2O
PbS + H2 → Pb + H2S
– syntézy – výroba NH3 – katalyzovaná reakce
3 H2 + N2 → 2 NH3
– výroba HF a HCl – explozivně radikálové reakce
H2 + Cl2 → 2 HCl
– výroba HBr a HI, dusíkatých hnojiv, HNO3 – zvratné a pomalejší reakce
H2 + Br2 ↔ 2 HBr
– hydrogenační působení elementárního vodíku – podstatné v organické a technologické chemii
– například hydrogenace dvojných vazeb alkenů (ke ztužování tuků)
H2C = CH2 + H2 → H3C − CH3
– nebo hydrogenace oxidu uhelnatého na methanol
CO + 2 H2 → CH3OH
– Marshova zkouška – slouží jako citlivý důkaz stop arzenu
– je založena na redukci sloučenin arzénu atomárním vodíkem ve vodném roztoku
– arsen se snadno rozkládá za zvýšené teploty na prvky – arzenové zrcátko a vodík
As3+ + 3 Zn + 3 H+ → AsH3 + Zn2+
4 AsH3 (↑T) → As4 + 6 H2
– kyslíkovodíkový plamen se užíval ke svařování kovů
– skladuje se v ocelových lahvích s levotočivým závitem, označených červeným pruhem
– možné palivo budoucnosti
- Stavba atomu vodíku
– atomy vodíku jsou složeny z jednoho protonu a jednoho elektronu
– sdružují se do dvojic, vytvářejí dvouatomové molekuly H2
– molekuly vodíku jsou tak nepatrné, že procházejí pórovitými látkami, např. neglazovanými střepy, blánami a stěnami gumových hadic
- Vodíkové můstky
– vodík tvoří pseudovakantní orbital 1s
– vyšší teploty tání a varu, vyšší hustota a viskozita
– atom vodíku má pouze jeden elektron a tak dojde při vytvoření vazby k elektronegativnímu prvku ke značnému odhalení jeho atomového jádra, tedy kladně nabitého protonu
– vzniklý parciální kladný náboj na atomu vodíku může poutat nevazebné elektronové páry okolních molekul (v případě intramolekulární vazby jde o elektronové páry stejné molekuly)
– jeho vznik je možný pouze u molekul, kde je vodík vázán k některému z výrazně elektronegativních prvků, který je schopen v dostatečné míře odčerpat elektronovou hustotu od atomu vodíku – fluor, kyslík a dusík
– uplatňují se ve vodě, v různých organických sloučeninách, a také v nukleových kyselinách
Hydridy
– binární sloučeniny vodíku s dalšími prvky
– podle charakteru vazby se dělí na iontové, kovalentní a kovové
– vzácné plyny hydridy netvoří.
Iontové hydridy
– tvořeny s-prvky, vyjma Be a Mg
– připravují se přímou syntézou z prvků tak, že se roztavený kov sytí při vyšších teplotách plynným vodíkem
– kationty kovu jsou k vodíkovým aniontům poutány elektrostatickými silami
– iontové hydridy jsou bezbarvé a krystalické, jsou to silná redukční činidla
– prudce reagují s vodou
NaH + H2O → H2 + NaOH
– některé hydridy se v důsledku této reakce na vzduchu samovolně zapalují
- LiH, CaH2 – používají se jako silná redukční činidla v preparativní chemii v nevodných rozpouštědlech a také
k odstranění stop vlhkosti z některých rozpouštědel
Kovalentní hydridy
– tvořeny všemi nekovy, polokovy a některými nepřechodnými kovy
– většina sloučenin má charakter nízkomolekulárních látek s polární vazbou mezi vodíkem a prvkem
– vodík se nachází v oxidačním čísle +I
– typickými představiteli jsou halogenovodíky, chalkogenovodíky, hydridy V. skupiny, uhlovodíky
– mnohé mají značný technický význam a použití
- Polymerní hydridy – mají přechodně iontově kovalentní charakter vazby
– monomerní molekuly by byly elektronově deficitní, proto dochází k polymeraci
– kvůli nedostatku elektronů tvoří struktury, v nichž jsou trojice atomů vázány pomocí jediného elektronového páru = třístředová dvouelektronová vazba
– BeH2, boran, alan, gallan, MgH2,
– většinou tuhé látky, jen ty, které mají nízký stupeň polymerace (B2H6, B4H10), jsou za laboratorní teploty plynné nebo kapalné
- Molekulové hydridy – těkavé, u nejtěkavějších z nich je těkavost snižována přítomností vodíkových můstků
– jsou spíše redukčními činidly
2 HI + H2O2 → 2 H2O + I2
2 H2S + O2 → 2 H2O + 2 S
– k silným redukčním činidlům se mohou chovat jako oxidační činidlo
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
Mg + 2 HCl → MgCl2 + H2
Kovové hydridy
– mají charakter kovových sloučenin, resp. slitin
– orbitaly 1s1 atomů vodíku se podílejí na vytváření vysoce delokalizované kovové vazby
– někdy jsou atomy vodíku umístěny ve volných prostorách mřížek původního kovu, jindy tvoří s kovem sloučeninu s vlastní specifickou krystalovou mřížkou
– vesměs netěkavé látky kovových vlastností, vodiče nebo polovodiče
– křehké pevné látky kovového vzhledu
– tvoří je prvky podskupiny chromu, triády železa a palladium
Hydridové komplexy
– využívané v organických syntézách
– Na (AlH4) – tetrahydridohlinitan sodný
UHLOVODÍKY
– organické sloučeniny uhlíku a vodíku, vlastnosti organických sloučenin jsou závislé na struktuře
– atomy uhlíku mají střední elektronegativitu a umí se řetězit, navíc je vazba C–C energeticky bohatá (350 J/mol)
– atom uhlíku je v organických sloučeninách vždy čtyřvazný, všechny uhlíkové vazby si jsou rovnocenné
– atomy mohou tvořit různé řetězce
Rozdělení uhlovodíků
- dle tvaru řetězce
- cyklické (alicyklické) = uzavřené
- monocyklické
- polycyklické
- necyklické (alifatické) = otevřené
- rozvětvené
- nerozvětvené
- dle nasycenosti
- nasycené – mají jen jednoduché vazby mezi C – C
- nenasycené – mají dvojné a trojné vazby
- dle aromacity
- aromatické – splňují Hückelovo pravidlo (aromatické mohou být jen takové planární monocyklické konjugované
systémy, které mají 4n + 2 π elektronů, kdy n je kladné celé číslo nebo nula)
– takové systémy mají uzavřené elektronové hladiny ve vazebných molekulových orbitalech a vykazují výjimečnou stabilitu
- monocyklické – obsahují pouze jeden benzenový kruh
- polycyklické – obsahují více benzenových kruhů
– kondenzované – mají společnou dvojici uhlíkových atomů
– prosté – s izolovanými jádry (mají jádra oddělena minimálně jednou C – C vazbou)
- antiaromatické – jsou významně nestabilní systémy, které mají 4n elektronů, tudíž obsahují nespárované elektrony
- ostatní
- dle násobnosti vazby
- alkany – pouze jednoduché vazby
- alkeny – jedna dvojná vazba
- alkadieny – dvě dvojné vazby
- alkatrieny – tři dvojné vazby
- alkyny – jedna trojná vazba
- areny (aromatické uhlovodíky) – mají benzenový kruh, který sestává z konjugovaných vazeb, díky nim dochází ke
slévání π orbitalů a vzniku „jedenapůlté“ vazby
- dle polohy dvojných vazeb
- kumulované C = C = C
- konjugované C = C – C = C
- izolované C = C – C – C = C
Homologické řady
– řada organických sloučenin se stejným obecným vzorcem
– tyto sloučeniny mají díky přítomnosti stejné funkční skupiny podobné chemické vlastnosti a jejich fyzikální vlastnosti se stupňují spolu s rostoucí velikostí jejich molekuly
– organické sloučeniny jdoucí za sebou v jedné homologické řadě se liší vždy o jednu skupinu CH2, která se v této souvislosti označuje jako homologický přírůstek
Alkany |
CnH2n+2 |
methan, ethan, propan |
Cykloalkany |
CnH2n |
cyklopropan, cyklobutan, cyklopentan |
Alkeny |
CnH2n |
ethen (ethylen), propen (propylen), buten |
Alkyny |
CnH2n-2 |
ethyn (acetylen), propyn, butyn |
Areny |
CnHn |
benzen, naftalen, anthracen |
Jednovazné zbytky alkanů |
methyl, ethyl, propyl, butyl |
Jednovazné zbytky alkenů |
vinyl (H2C=CHR), allyl (H2C=CH-CH2R) |