Významné prvky vodík a kyslík a jejich sloučeniny

Vodík
VÝSKYT – Vodík je nejhojnější prvek ve vesmíru, protože má nejjednodušší stavbu. Nachází se v mezihvězdném prostoru, je složkou mlhovin i hvězd. Vodík vznikl po Velkém třesku samovolně procesem Prvotní nukleosyntézy. Na Zemi je to 9. nejčastější prvek.
IZOTOPY – Má zatím sedm izotopů, všechny nesou název podle latinských číslovek – protium, deuterium, tritium, tetranium, pentium, hexium a septium. Přirozeně se vyskytují první tři, stabilní jsou první dva. Tritium je radioaktivní (rozpadá se na lehké helium) a vyskytuje se jen stopově, nejčastěji se vyskytuje protium (99.984%), tetranium, pentium, hexium a septium jsou uměle připravené a jejich životnost je menší než miliardtina sekundy.
VLASTNOSTI A REAKCE – Za normálních podmínek se jedná o bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, je lehčí než vzduch, proto se dříve používal k plnění vzducholodí a balónů, od čehož se opustilo, protože je hořlavý (hoří bleděmodrým plamenem)a ve směsi s kyslíkem silně výbušný (tvoří tzv. třaskavý plyn). Snadno se slučuje s většinou prvků kromě vzácných prvků (jeho dvouatomové molekuly reagují hlavně za zvýšené teploty, atomární vodík je mnohem reaktivnější), má redukční vlastnosti (u sloučenin s malou elektronegativitou oxidační) a sám se oxiduje. Při spojení polární vazbou s velmi elektronegativními prvky tvoří vodíkové můstky. Uchovává se v lahvi s červeným pruhem.
PŘÍPRAVA (VÝROBA) A POUŽITÍ – V laboratoři se připravuje elektrolýzou vody (vylučuje se na katodě), reakcí kovů s vodnými roztoky kyselin , rozklad iontových hydridů vodou , reakcí alkalických kovů s vodou (bouřlivá) .
Průmyslově se vyrábí elektrolýzou vodného roztoku NaCl (solanky), reakcí vodní páry s rozžhaveným koksem nebo rozkladem nasycených uhlovodíků, např.: Termickým štěpením methanu Reakcí methanu s vodní párou
Vodík slouží k vyredukování kovů z jejich sloučenin, ke sváření a tavení kovů, ke ztužování tuků, k syntéze sloučenin (methanol, amoniak, …)
SLOUČENINY A REAKCE – Označení pro binární sloučeniny vodíku s jinými prvky je hydridy. Hydridy s alkalickými kovy nebo kovy alkalických zemin jsou iontové – mají charakter solí, jsou to bezbarvé krystalické látky a silná redukční činidla, chemicky a termicky nestabilní, molekulové hydridy tvoří prvky 14. až 17.skupiny, jejich kyselost roste zleva doprava a stabilita zdola nahoru, jsou to většinou plyny (např. sulfan), polymerní tvoří většina prvků
12.a 13.skupiny, spojení se uskutečňuje vodíkovými vazbami a nakonec kovové, které tvoří většina přechodných a vnitřně přechodných kovů, jsou to slitinám podobné, šedé až černé pevné a křehké látky, elektricky vodivé (např. UH3).
Nereaguje s vodou, kyselinami ani bázemi. Slučuje se s většinou prvků:
(po vzplanutí)
(Haber-Boschova syntéza)
Kyslík
VÝSKYT – Kyslík je nejrozšířenější prvek na Zemi. Vyskytuje se volně v atmosféře (21 obj.%), kam se neustále uvolňuje procesem fotosyntézy, nebo vázaný v anorganických sloučeninách (voda, minerály a horniny – tvoří podstatnou část zemské kůry – asi 46 – 50 hmot.%), případně v organických sloučeninách (sacharidy, aminokyseliny). Ve vesmíru je zastoupení kyslíku podstatně nižší. Na 1 000 atomů vodíku zde připadá pouze jeden atom kyslíku.
IZOTOPY – Kyslík má tři přírodní stabilní izotopy – 16O (99.762%, vzniká spalováním uhlíku a helia ve hvězdách – α-proces), 17O (0.038%, vzniká při spalování vodíku na hélium během CNO cyklu) a 18O (0.205%)
ALOTROPICKÉ MODIFIKACE – Kyslík vytváří řadu alotropických modifikací. Nejběžněji se setkáváme s dikyslíkem O2. Kyslík je v této formě nejrozšířenější, tvoří 20% zemské atmosféry a je to bezbarvý plyn. Druhou dobře známou modifikací je ozon (trikyslík) O3. Za normálních podmínek je ozon světle modrý plyn, s bodem varu -112°C (dikyslík -183 °C), pod ním je to tmavě modrá kapalina. Vyskytuje se v ozonosféře, 25km nad povrchem Země a chrání ji před UV zářením. Právě díky UV záření vzniká z dikyslíku (a také podél drah blesků). Je jedovatý a má silné oxidační účinky. Méně známé jsou modifikace pevného kyslíku, které vznikají při tlaku nad 10 GPa. Mluví se především o tetraoxygen (tetrakyslík, oxozon) O4 a červeném kyslíku O8 (vlastně dimer tetraoxagenu, respektive romboedrický klastr O8 skládající se ze čtyř molekul O2). Nevyskytují se přírodně, mohli by však v budoucnu mít velké uplatnění jako raketové palivo nebo v podobných odvětvích, mají totiž mnohem silnější oxidační účinky než běžné modifikace.
VLASTNOSTI A REAKCE – Dikyslík (dále jen kyslík) je za normálních podmínek bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, těžší než vzduch a málo se rozpouští ve vodě (s teplotou rozpustnost
klesá). Molekulový kyslík je velmi reaktivní (silně exotermické reakce). Má silné oxidační účinky (ale slabší než jeho modifikace), oxidační reakce mohou být rychlé (při vyšší teplotě), např. hoření, nebo pomalé (při normální teplotě), např. práchnivění dřeva. Ve svých sloučeninách je nejčastěji dvouvazný. Uchovává se v lahvích s modrým pruhem.
PŘÍPRAVA (VÝROBA) A POUŽITÍ – Připravit kyslík můžeme např. elektrolýzou vody (anoda: ), rozkladem manganistanu draselného nebo třeba reakcí burelu s kyselinou sírovou . Průmyslově se vyrábí především frakční destilací zkapalnělého vzduchu.
Kyslík se používá v hutnictví k výrobě železa, ke svařování a řezání kovů, v lékařství na dýchací přístroje, k dezinfekci vzduchu a pitné vody, kapalný kyslík je raketové palivo.
SLOUČENINY A REAKCE – Ve svých sloučeninách se kyslík vyskytuje převážně v mocenství O-II. Binární sloučeniny kyslíku v tomto mocenství jsou oxidy. Jsou známy oxidy téměř všech prvků. Kyslík O-II je přítomen ve většině anorganických kyselin a jejich solí. Ve valenci O-I vystupuje kyslík v peroxidech, ve stavu O2− pak v superoxidech. Pouze fluor vykazuje větší elektronegativitu než kyslík a tvoří s ním několik fluoridů, v nichž se kyslík vyskytuje v mocenství O+I i O+II. Všechny fluoridy kyslíku jsou značně nestálé, přesto však existuje reálná možnost jejich využití jako raketového paliva.
Voda
Voda je nejběžnější a nejrozšířenější chemická sloučenina. Je nezbytnou podmínkou života, složkou živé i neživé přírody. Účastní se mnoha metabolických dějů, během nichž i vzniká (tzv. metabolická voda).
Běžně se s ní setkáváme ve třech skupenstvích – pevném (existuje několik různých forem ledu), kapalném a plynném. V extrémních podmínkách (např. na plynných obrech v naší sluneční soustavě) existuje ještě ve čtvrtém skupenství jako superionizovaná voda, přechod mezi pevnou látkou a kapalinou, tvrdá jako železo a žlutě zářící. Největší hustotu nemá led, ale tekutá voda při 3,95 °C, dalším
snižováním teploty se objem jednotkové hmotnosti vody zase zvětšuje. Je to způsobeno polymerizací vodních molekul vodíkovými vazbami a úhlem mezi atomy vodíku – díky tomu může mít molekula v ledu pouze 4 nejbližší sousedy a v krystalové struktuře vznikají prázdné prostory.
Podle počtu neutronů v atomu vodíku rozlišujeme lehkou vodu (oba vodíky jsou protia, strukturní vzorec je H2O), polotěžkou vodu (jeden vodík je protium a jeden deuterium, strukturní vzorec se dá zapsat jako HDO), těžkou vodu (oba vodíky jsou deuteria, strukturní vzorec je D2O; voda vyrobená z těžkých atomů vodíku, v přírodě se nachází zcela běžně ve směsi s normální vodou v nízké koncentraci, těžká voda sloužila ke konstrukci prvních atomových reaktorů) a tritiovou vodu (zvána též supertěžká nebo radioaktivní voda, oba vodíky jsou tritia, strukturní vzorec je T2O).
Voda je dobrým polárním rozpouštědlem. Voda je velice často reakčním prostředím.
Voda je výjimečná vysokou permitivitou (relativní permitivita je přibližně 80). Chemicky čistá voda (destilovaná voda či deionizovaná voda) je elektricky nevodivá, ale i malé množství rozpustných příměsí způsobuje její vodivost.
Tvrdost vody způsobují některé rozpustné soli vápníku nebo hořčíku. Přechodnou tvrdost způsobují hydrogenuhličitany a dá se jí zbavit povařením . Trvalá tvrdost je způsobena především sírany, odstraníme ji přidáním změkčovadel (např. uhličitanu sodného čili sody ).
Peroxid vodíku
Peroxid vodíku (H2O2) (triviálně kysličník) je čirá kapalina, o něco viskóznější než voda. Je s vodou neomezeně mísitelný. Má silné oxidační, ale i redukční vlastnosti a často se používá jako dezinfekce (3% vodný roztok). Rovněž se často využívají jeho bělící účinky při odbarvování vlasů, v ponorkách je částí pohonného média torpéd (v bezvodém stavu je výbušný). Stejně jako voda je výborným polárním rozpouštědlem. Účinkem světla nebo některých látek (třeba krve čehož se využívá v kriminalistice) se rozkládá . Peroxid vodíku je silnější kyselina než voda (při reakci peroxidu s vodou je voda zásadou: ), poskytuje soli hydrogenperoxidy (HO2)- a peroxidy (O2)2-.