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

1. vytvoření kovalentní vazby

H2: H 1s1 

      H 1s1

HCl: H 1s1 

         Cl 3s2 3p5         

2. vytvoření aniontu

– hydridový: H–

– iontové hydridy: NaH, CrH2

3. vytvoření koordinačně-kovalentní vazby

– vodík odštěpí e (vznikne H+) a jako akceptor se váže na částici s volným elektronovým párem

H3O+, NH4–

• Příprava 

1. rozpouštěním neušlechtilých kovů v neoxidujících kyselinách v Kippově přístroji

Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2

2. rozpouštěním neušlechtilých kovů v zředěných oxidujících kyselinách v Kippově přístroji

Fe + H2SO4 (zřeď.) → FeSO4 + H2

3. reakcí alkalických kovů s vodou

2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2

4. reakcí vodní páry s rozžhaveným železem

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

5. elektrolýzou vody v Hoffmanově přístroji – s malým množstvím kyseliny (H2SO4) nebo hydroxidu

• Výroba

1. termickým rozkladem methanu

CH4 → C + 2 H2        t = 1200°C

2. reakcí vodní páry s vodním plynem

H2O+H2+CO                  2H2+CO2

– vzniká velice čistý vodík – potravinářské účely

– je potřeba vysokých teplot a katalyzátorů

3. 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

4. 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

1. cyklické (alicyklické) = uzavřené

1. monocyklické
2. polycyklické

2. necyklické (alifatické) = otevřené

1. rozvětvené
2. nerozvětvené

• dle nasycenosti

1. nasycené – mají jen jednoduché vazby mezi C – C
2. nenasycené – mají dvojné a trojné vazby

• dle aromacity

1. 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)

2. antiaromatické – jsou významně nestabilní systémy, které mají 4n elektronů, tudíž obsahují nespárované elektrony
3. ostatní

• dle násobnosti vazby

1. alkany – pouze jednoduché vazby
2. alkeny – jedna dvojná vazba

• alkadieny – dvě dvojné vazby
• alkatrieny – tři dvojné vazby

3. alkyny – jedna trojná vazba
4. 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

1. kumulované C = C = C
2. konjugované C = C – C = C
3. 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)