HEMIJA ELEMENATA

HEMIJA ELEMENATA

VODONIK

SVOJSTVA

najrasprostranjeniji element u univerzumu (88,6 at.%) na trećem mestu po rasprostranjenosti na Zemlji (15 at.%, iza O i Si) prvi, najlakši i najjednostavniji element (1 p+ i 1 e–)

Sličnosti sa: • elementima 1. grupe PSE (alkalnim metalima)

• elementima 17. grupe PSE (halogenim elementima)

Razlike u odnosu na:

• alkalne metale

• halogene elemente

Elektronska konfiguracija 1s1

• mali atomski i kovalentni radijus • velika energija jonizacije • mali afinitet prema elektronu

VODONIK

1 valentni elektron oksidacioni broj +I gradi H+-jon

nemetal gradi dvoatomski molekul oksidacioni broj –I

veća energija jonizacije nije metal

manji afinitet prema e–

retko gradi H–-jon

dvoatomski gas bez boje i mirisa

niska temperatura topljenja (–259 oC) i ključanja (–253 oC)

mala rastvorljivost

velika energija veze (EH-H = 436 kJ mol–1)

Zbog specifičnih svojstava ne svrstava se ni u 1. ni u 17. grupu Periodnog sistema, već se razmatra posebno.

SVOJSTVA

VODONIK

usled slabih međumolekulskih sila između malih nepolarnih molekula

slabo reaktivan

reaguje sa većinom elemenata, ali tek na povišenoj temperaturi (obično uz katalizator)

D2O (teška voda, deuterisano jedinjenje) je gušća 10% od H2O!

led D2O

led H2O

VODONIK

1H PROTIJUM

2H DEUTERIJUM

3H TRICIJUM

Relativne atomske mase H, D i T stoje u odnosu 1:2:3.

Zbog velike razlike u masi, velike su razlike u fizičkim svojstvima.

1 litar = 1 kg 1 litar = 1,1 kg

1 na 6500 atoma H 0,0156 at.%

Mr(D2) = 4,03 tb= 23,9 K

1 na 1018 atoma H 10-15%

Mr(T2) = 6,03 tb = 25,2 K

99,985%

Mr(H2) = 2,02 tb = 20,6 K

IZOTOPI

Sa povećanjem molarne mase raste energija veze!

1. Reakcija metala sa vodenim rastvorom kiseline ili baze

Zn(s) + 2H+(aq) Zn2+(aq) + H2(g)

Zn(s) + 2H2O + 2OH– [Zn(OH)4]2– + H2(g)

Reakcija metala (Zn, Mg, Fe) sa vodenim rastvorom kiseline (HCl, razblažena H2SO4):

Reakcija metala (Zn, Al, Sn) sa vodenim rastvorom baze:

Eө(Zn2+/Zn) = –0,76 V Zn Zn2+ + 2e–

2H+ + 2e– H2 Eө(H+/H2) = 0,00 V

Eө( [Zn(OH)4]2–/Zn ) = –1,22 V Zn + 4OH– [Zn(OH)4]2– + 2e–

2H2O + 2e– H2(g) + 2OH– Eө(H2O/H2,OH–) = –0,83 V

LABORATORIJSKO DOBIJANJE

VODONIK

kiselina

cink

H2O

2. Reakcija hidrida sa vodom

Eө(H2/H–) = –2,25 V

Eө(H2O/H2,OH–) = –0,83 V

NaH(s) + H2O(l) NaOH(aq) + H2(g)

Reakcija hidrida alkalnih i zemnoalkalnih metala sa vodom:

reakcija CaH2 sa vodom

LABORATORIJSKO DOBIJANJE

VODONIK

2. Reakcija hidrida sa vodom

hidrid-jon je veoma jako redukciono sredstvo!

sinproporcionisanje

H–I

H0 H+I

H +1e– I H 0

H –1e– –I H 0

oksidacija:

redukcija:

INDUSTRIJSKO DOBIJANJE

VODONIK

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) 900 oC NiO

CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) 400 oC

Fe2O3

U cilju povećanja prinosa dobijeni CO se dalje oksiduje:

CaO(aq) + CO2(g) CaCO3(s)

CO2 se uklanja iz gasovite faze reakcijom sa CaO:

H2 dobijen ovim postupkom je dovoljno čist za široku industrijsku upotrebu.

elektrolizi se podvrgava rastvor NaOH ili NaCl zbog veće električne provodljivosti

H2 dobijen ovim postupkom je veoma čist (99,9%).

1. Reakcija ugljovodonika i vodene pare

2. Elektroliza vode

K: 2H2O + 2e– 2OH– + H2(g)

A: 2OH– 2H2O + ½O2 + 2e–

U proizvodnji amonijaka (Haber-Bošov postupak) i hlorovodonične kiseline.

U proizvodnji metanola, jedne od osnovnih sirovina organske industrije:

U reakcijama hidrogenovanja (adicije H2 na dvostruku i trostruku C-C vezu), tj. prevođenja nezasićenih u zasićena organska jedinjenja

Kao gorivo: eksplozivna reakcija sa kiseonikom (vazduhom): 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) ΔrH

ө = –484 kJ mol–1

tehnologija u razvoju

Kao redukciono sredstvo (opasnost „praskavi gas”).

CO(g) + 2H2(g) CH3OH(l) t

Co

PRIMENA

VODONIK

hidrogenovanje biljnih ulja i dobijanje biljnih masti i sirovina za margarin

siguran transport i skladištenje H2

dobijanje metala iz njihovih oksida – Mo i W

Oksidacioni brojevi: –I i +I

Gradi hidride, binarna jedinjenja, sa većinom elemenata.

Nalazi se na sredini skale elektronegativnosti ( = 2,1): sa elementima 1. i 2. grupe PSE oksidacioni broj –I. sa elektronegativnijim elementima (13–17. grupa) oksidacioni broj +I.

Prema tipu hemijske veze, hidridi se mogu podeliti na: jonske kovalentne metalne (intersticijalne) prelazne (...nisu značajni)

JEDINJENJA

VODONIK

hidridi alkalnih i zemnoalkalnih metala (izuzev Be i Mg)

opšta formula: MH i MH2

oksidacioni broj: –I

sinteza reakcija rastopljenog metala i vodonika na povišenom pritisku

dokaz prisustva jonske veze i H–-jona rastop LiH provodi struju, na anodi se izdvaja H2

reaguju sa vodom uz izdvajanje H2, pa se koriste kao sredstva za sušenje i redukciona sredstva:

CaH2(s) + 2H2O(l) Ca(OH)2(s) + 2H2(g)

Jonski hidridi

JEDINJENJA

VODONIK

2Na(l) + H2(g) 2NaH(s)

H+

1p+

H 1p+ + 1e–

H– 1p+ + 2e–

Kovalentni hidridi

hidridi elemenata 13–17. grupe PSE

oksidacioni broj: +I

imaju kisela (H2S, HX...) i bazna (NH3, PH3...) svojstva

jačina kiselina raste sa porastom rednog broja elementa graditelja kiseline

Metalni (intersticijalni) hidridi

hidridi većine d-elemenata, lantanoida i aktinoida

vodonik, obično kao atom, se smešta u međuprostore (intersticije) između atoma kristalne rešetke metala

odnos M i H nije stehiometrijski (bertolidi) i menja se u širokom granicama: PdH0.6–0.8

Pd može da apsorbuje 1000 puta veću zapreminu H2 od sopstvene

primena: skladištenje H2, jer ga pri zagrevanju lako otpuštaju metalni hidrid

JEDINJENJA

VODONIK

raste u periodi raste u grupi

Elektrostatička privlačna interakcija između atoma H u jednom molekulu i atoma F, O ili N u susednom molekulu!

Vodonična veza

jedinjenje u strukturi mora da ima atom H vezan za F, O ili N koji imaju bar jedan slobodan elektronski par

:X – H :X – H - - - - - - - - - - X je F, O ili N δ– δ+

molekul vode: svaki kiseonik ima dva slobodna elektronska para i može da

gradi dve vodonične veze

VODONIČNA VEZA

VODONIK

jaka međumolekulska interakcija 10–60 kJ mol–1

veliki uticaj na fizička svojstva

VODONIČNA VEZA

VODONIK

visoke temperature ključanja (tb) i topljenja (tm)

tem

pe

ratu

ra k

lju

čan

ja (C

)

perioda

grupa 17 grupa 16 grupa 15

trend porasta tb sa povećanjem molarne mase se menja zbog prisustva H-veza H2O, HF i NH3 imaju neočekivano visoke tb

važna za stvaranje dvostrukih lanaca DNK, reaktivnost i

selektivnost enzima

VODONIČNA VEZA

VODONIK

kad ne bi bilo vodoničnih veza, led bi se topio na -100 C, a temp. ključanja bi iznosila -90C!

specifična svojstva vode (univerzalni rastvarač) posledica postojanja vodoničnih veza

LED TEČNA VODA

vodonične veze

postojanje vodoničnih veza – veliki uticaj na živi svet

PLEMENITI GASOVI

He drugi element po rasprostranjenosti u univerzumu (11 at.%) Ar najrasprostranjeniji od svih plemenitih gasova u vazduhu (0,98 vol.%)

PLEMENITI GASOVI

oko 1% azota dobijenog iz vazduha ne reaguje sa Ca

„gasu” je dodeljeno ime Argon (beskoristan)

prevođenjem u tečno stanje dobijena smeša pet gasova

Helijum (sunce) Neon (novi)

Argon (beskoristan) Kripton (sakriven)

Ksenon (stranac)

Elektronska konfiguracija He: 1s2 Ne, Ar, Kr, Xe: ns2np6

jednoatomski gasovi niske temperature topljenja i ključanja zbog slabih međumolekulskih

Londonovih sila nereaktivni

DOBIJANJE I PRIMENA

dobijaju se frakcionom destilacijom vazduha koriste se za održavanje inertne atmosfere, punjenje sijalica,

proizvodnju svetlećih reklama i lasera, punjenje balona... smeša He/O2 se umesto vazduha koristi za punjenje ronilačkih

boca

SVOJSTVA

PLEMENITI GASOVI

supstance koje sadrže molekule ili atome zarobljene u kristalnoj rešetki (npr. led)

atomi plemenitog gasa se nalaze u šupljinama rešetke leda (Van der Valsove veze)

nastaju pri mržnjenju rastvora dobijenog rastvaranjem plemenitog gasa pod pritiskom u vodi

stvaranje klatrata nije ograničeno na plemenite gasove (npr. CH4)

Klatrati

PLEMENITI GASOVI

JEDINJENJA

Fluoridi i oksidi

sintetisano je par stotina jedinjenja Xe i Kr, uglavnom sa F i O

imaju teorijski značaj

najpoznatija jedinjenja su XeF2, XeF4 i XeF6

PLEMENITI GASOVI

JEDINJENJA