Wodór

do fluorowców:do litowców:• wodór na stopniu utlenienia −I tworzy

jony H−, który w odróżnieniu od jonów F−, Cl−, itd., jest nietrwały w obecności wody; woda utlenia go do wolnego wodoru: H− + H2O = H2 + OH−

• litowce na +I stopniu utlenienia występują z reguły w postaci jonów, wodór natomiast tworzy wiązania o dominującym charakterze kowalencyjnym

Cechy braku podobieństwa wodoru

• przyłączając 1 elektron uzyskuje trwałąkonfigurację elektronową gazu szlachetnego (He) → może występowaćna stopniu utlenienia −I

• zawiera tylko 1 elektron walencyjny → tendencja do przechodzenia na stopień utlenienia +I

• podczas gdy litowce należą do pierwiastków o najmniejszych elektroujemnościach, a lekkie fluorowce do pierwiastków o największych elektroujemnościach, wodór wykazuje elektroujemność pośrednią

do fluorowców:do litowców:Cechy podobieństwa wodoru

Występowanie wodoru

• Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie(atomy wodoru stanowią 91% wszystkich atomów Wszechświata)• W temperaturach > 10 000 000K, panujących w gwiazdach, zachodzą reakcje termojądrowe prowadzące do przemiany wodoru w hel, a energię wydzielaną w tych reakcjach uważa się obecnie za główne źródło energii promienistej emitowanej przez Słońce

Wodór znajduję się również w przestrzeni międzygwiazdowej

• Na Ziemi wodór jest znacznie mniej rozpowszechniony (jego zawartość wynosi 0,87%mas. czyli 15,4%wszystkich atomów) • Wodór w przyrodzie występuje normalnie w stanie związanym, natomiast w stanie wolnym spotyka się go w małych ilościach w gazach wulkanicznych, a niekiedy i w gazie ziemnym. Ślady „wolnego” wodoru znajdują się też w pobliżu powierzchni Ziemi oraz w górnych warstwach atmosfery. Bardzo niewielkie ilości wodoru wydzielają się z niektórych gorących źródeł (term)• Główne źródła wodoru - woda i większość związków organicznych, w skład których wchodzi przede wszystkim węgiel i wodór

Budowa wewnętrzna Jowisza

Otrzymywanie wodoru

Otrzymywanie wodoru na skalę laboratoryjną

1) Elektroliza wody (otrzymuje się bardzo czysty wodór)

Proces zachodzący na katodzie:

Proces zachodzący na anodzie:

Sumarycznie:

2) Reakcja pomiędzy metalem alkalicznym (np. Li, Na, K) lub metalem ziem alkalicznych (np. Ca, Sr, Ba) i wodą, np.:

OHH 2 )(O2H 223 +→+ −+ )(geaq

2 )(OOH )(2OH 22−− ++→ egaq 5.0

OH)(OH )(OHO2H O4H 22232 35.0)(2)( +++ →←

−+→← ggaqaq

)NaOH(0.5H OH )Na( 22 aqgs +→+ )(

)(H ZnCl )2HCl( )( Zn:solnym kwasem i cynkiempomiędzy Reakcja 3)

22 gaqaqs +→+ )(

Aparatura do laboratoryjnego otrzymywania gazowego wodoru. Wodór jest zbierany nad powierzchnią wody

Otrzymywanie wodoru na skalę przemysłową

1) Wodór elektrolityczny uzyskuje się jako produkt uboczny w procesie elektrolitycznego otrzymywania wodorotlenku sodu z NaCl

2) Konwersja węglowodorów z parą wodną, np.:

Źródłem węglowodorów jest gaz ziemny oraz węglowodory powstające jako produkty rafineryjne przeróbki ropy naftowej.

3) Pokaźne ilości wodoru powstają w procesach krakingu węglowodorów przeprowadzanym w rafineriach oraz zakładach petrochemicznych, mających na celu przeróbkę węglowodorów ciężkich zawartych w ciężkich frakcjach ropy naftowej na węglowodory lżejsze stanowiące składniki benzyn.

4) Otrzymywanie wodoru polegające na wprowadzeniu pary wodnej na rozżarzony koks (metoda dawniej stosowana). Uzyskuje się wówczas mieszaninę wodoru i tlenku węgla zwaną gazem wodnym (syntezowym): )(gggs 2

C1200 2 H )CO( )O(H )C( + →+ °

)(7H )3CO( )O(3H )(HC 2C900 kat.,

283 gggs + →+ °

Właściwości fizyczne wodoru

Wodór w warunkach normalnych jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i bez smaku oraz bardzo słabo rozpuszczalnym w wodzie (w 1dm3 H2O rozpuszcza się w temperaturze pokojowej tylko 21cm3 H2)

208Promień jonowy H− (pm)1311Energia jonizacji (kJ/mol)69,5Powinowactwo elektronowe (kJ/mol)

37Promień atomowy (pm)

2,20Elektroujemność

0,07Gęstość ciekłego wodoru w temperaturze wrzenia (g/cm3)

0,08988Gęstość gazowego wodoru (g/dm3)(298K, 1,01325·105Pa)

20,38 (-252,77°C)Temperatura wrzenia (K)13,95 (-259,20°C)Temperatura topnienia (K)prot 11H, deuter 21H (D), tryt 31H (T)Izotopy1,0079Masa atomowa

1s1Konfiguracja elektronowa

Właściwości chemiczne wodoru

• Wodór w temperaturze pokojowej jest pierwiastkiem niezbyt aktywnym chemicznie; łączy się tylko bezpośrednio z F, a podczas naświetlania również z Cl (obie reakcje są gwałtowne) • W podwyższonych temperaturach wodórreaguje z licznymi pierwiastkami, głównie z niemetalami, a spośród metali z metalami silnie elektrododatnimi, jak Li, Na i Ca

• Reakcja wodoru z tlenem (spalanie wodoru):2H2 + O2 → 2H2O

Reakcja wymaga zainicjowania i jest silnie egzotermiczna. Po ogrzaniu mieszaniny do temp. 180°C tworzenie się pary wodnej następuje z dostrzegalną szybkością, a w temp. Wyższej niż 450°C reakcja przebiega wybuchowo. Wybuch jest szczególnie gwałtowny, jeżeli stosunek objętościowy wodoru do tlenu wynosi 2:1. Mieszaninę taką nazywa się mieszaniną piorunującą. Wybuch może być zapoczątkowany przez iskrę elektryczną lub zetknięcie z płomieniem.• Czysty wodór (wypływający z palnika, temp. ok. 640°C) pali się niebieskim, słabo świecącym płomieniem.

Model cząsteczki wodoru

Modelowa ilustracja reakcji spalania wodoru

6 maja 1937r. na lotnisku marynarki wojennej USA - Lakehurst Field, w pobliżu Nowego Jorku, doszło do katastrofy największego na świecie, niemieckiego sterowca „Hindenburg”. Wart 3 miliony 750 tys. $ „statek przyszłości”, mieszczący 2 miliony m3 H2, podchodząc do lądowania, stanął w płomieniach. Była to najbardziej spektakularna katastrofa stulecia, która zamknęła erę sterowców.

Sprężony wodór przechowuje się w stalowych butlach pomalowanych na czerwony kolor

Wodór ma najmniejszą gęstość ze wszystkich gazów - jego gęstość jest ok. 14 razy mniejsza od gęstości powietrza i ta właściwość jest również przyczyną dużej zdolności wodoru do dyfuzji przez porowate ścianki. Dyfunduje on również nawet przez ścianki metalowych butli, w których jest przechowywany.

• Reakcje wodoru z tlenkami metali (reakcje redukcji wyższych tlenków metali do niższych lub też do wolnego metalu):

OH Fe H OFe

OH FeO H OFe

OHOFe H O3Fe

OH Cu H CuO

2C630

232

2C530

232

243C250

232

2C150

2

32

2

2

+ →+

+ →+

+ →+

+ →+

°

°

°

°

• Reakcje uwodornienia węglowodorów (uwodornienie to reakcja przyłączenia cząsteczki wodoru do związku zawierającego wielokrotne wiązanie podwójne lub potrójne między atomami węgla):

HC H HC 62kat.

242 →+

Katalizator platynowy na tlenku glinu (Pt/Al2O3) stosowany jest w procesach uwodornienia (np. oleju rzepakowego)

Reakcje chemiczne wodoru

HC OH,CH H

NH H

metal H

HC H

soli typu wodorki H

HX H

OH H

3CO

2

3 temp.,,N

2

temp.metali, tlenki2

22kat. e,nienasycon

2

ogrzew. IIA, iIA grup metale2

fluorowce2

2tlen

2

2

mn

nn

→

→

→

→

→

→

→

+

(zależy od warunkówi użytego katalizatora)

ciśn., kat.

węglowodory

Zastosowanie wodoru

Zastosowanie wodoru

• Wykorzystanie w przyszłości wodoru jako uniwersalnego paliwa i nośnika energii

• Zastosowanie wodoru jako reduktora w procesie otrzymywania germanu, molibdenu i wolframuPrzemysł metalurgiczny

• Zależnie od warunków oraz rodzaju użytego katalizatora można otrzymać np. alkohol metylowy, metan i inne lekkie lub ciężkie węglowodory

Synteza organiczna z użyciem gazu wodnego

• Wodór jest zużywany w procesie utwardzania tłuszczów (liczne oleje roślinne, zawierające nienasycone kwasy tłuszczowe, przyłączając wodór w obecności katalizatora niklowego przechodzą w tłuszcze o wyższej temp. topnienia)

Przemysł tłuszczowy

• Wodór jest zużywany w procesie hydrokrakinguoraz procesie odsiarczania węglowodorówpochodzących z ropy naftowej

Przemysł rafineryjny

• Wodór wytwarzany jest w ogromnych ilościach jako jeden z produktów wyjściowych do syntezy amoniakumetodą Habera i Boscha

Przemysł azotowy

Ostatnie lata przynoszą ciekawe informacje na temat odkrycia związków, które mogą absorbować (pochłaniać) duże ilości wodoru. Również metale, takie jak platyna czy pallad, mają zdolność pochłaniania znacznych ilości wodoru. Być może to właśnie zostanie wykorzystane przy opracowywaniu sposobu na przechowywanie wodoru.

• 1dm3 ciekłego wodoru ma masę zaledwie 70g• ze spalenia 1kg ciekłego wodoru otrzymuje się aż 120 556,8 kJ• z 1kg węgla kamiennego otrzymuje się maksymalnie 33 906,6 kJ

Ilości ciepła, jakie wywiązują się w trakcie spalania wodoru, są bardzo znaczne i można je wykorzystać do uzyskania wysokich temperatur. Przykładem może być palnik Daniella, który pozwala na wytworzenie płomienia wodoru w tlenie bez narażania na niebezpieczeństwo wybuchu, bowiem obydwa gazy mieszają się dopiero u wylotu palnika. Temp. płomienia może dochodzić do 3000 K. W takim płomieniu topią się między innymi: platyna (2043 K), krystaliczny ditlenek krzemu (1983 K) i tlenek glinu (2318 K).

Palnik Daniella

Izotopy wodoru

• Rozpowszechnienie izotopów wodoru:atomów deuteru jest ok. 700 razy mniej niż protu, a promieniotwórczy tryt (okres półrozpadu – 12,5 lat) występuje tylko w śladowych ilościach• Deuter bierze udział w reakcjach wymiany izotopowej , w temperaturze wyższej od 130°C, a także niższej w obecności katalizatorów (Ni, Pt, Ag, Fe itd.):

• Podobna wymiana atomów wodoru na deuter może też następować w amoniaku, metanie i wielu innych substancjach • Wymiana atomów wodoru i deuteru pomiędzy cząsteczkami zwykłej i ciężkiej wody:

HD D H 22 2→←+

HDO OD OH 22 2→←+

przebiega szybko już w temp. pokojowej nawet bez użycia żadnego katalizatora.

Właściwości fizyczne H2, HD, D2 i T2

445,8525,0420,62T2

443,3521723,5718,73D2

15522,1316,60HD

435,9311720,3813,95H2

Ciepło dysocjacji (kJ/mol)

Ciepło topnienia (J/mol)

Temperatura wrzenia (K)

Temperatura topnienia (K)

Właściwości fizyczne H2O, D2O i T2O

41,6740,66Ciepło parowania (kJ/mol)0,16·10-141·10-14Iloczyn jonowy (25°C)

1,21381,10440,99701Gęstość w temp. 25°C (g/cm3)

101,51

4,49

T2O

80,781,5Względna przenikalność elektryczna

101,42100,00Temperatura wrzenia (°C)

3,820,00Temperatura topnienia (°C)

D2OH2O

Wodorki- kowalencyjne- jonowe- metaliczne (metali przejściowych)

Wodorki pierwiastków grup głównych UO. Kiedy wodór tworzy więcej niż jeden związek z tym samym pierwiastkiem, na rysunku podano najprostszy wzór wodorku. Właściwości wielu wodorków metali przejściowych (wodorków metalicznych) nie są dobrze scharakteryzowane.

• Wodorki jonowe (typu soli) tworzą się w wyniku reakcji cząsteczkowego wodoru bezpośrednio z metalem alkalicznym (IA) lub metalem ziem alkalicznych (IIA, z wyjątkiem Be i Mg), np.:

)(2)(2sgssgs

22

2

CaH )(H )Ca(LiH )(H )2Li(

→+→+

• Wodór w wodorkach jonowych występuje jako anion H−, który stanowi silną zasadę Brönsteda. Anion ten szybko reaguje z wodąjako donorem protonu, wydzielając przy tym wodór:

)()( gaqaq 22 HOH OH )(H +→+ −−

• Z powodu wysokiej reaktywności wodorków jonowych z wodą, są one często używane do usuwania śladowych ilości wody z rozpuszczalników organicznych

• Wodorki kowalencyjne: atom wodoru jest związany z metalami grup IIIA-VIIA oraz Be i Mg za pośrednictwem wiązania kowalencyjnego.• Be, Al itd. tworzą z wodorem wodorki kowalencyjne o złożonej strukturze polimerycznej typu (BeH2)x czy (AlH3)x, gdzie x przyjmuje duże liczby.• Wodorki kowalencyjne, które nie tworzą struktur polimerycznych są na ogół łatwo lotne, trwałość ich maleje, w miarę jak w danej grupie wrasta masa atomowa pierwiastka łączącego się z wodorem oraz jak pogłębia sięjego charakter metaliczny.

• Wodorki metaliczne (międzywęzłowe) są połączeniami wodoru z metalami przejściowymi(zewnętrzno- i wewnętrznoprzejściowymi).• Wykazują one połysk i własności metaliczne, sąnielotne.• Wodorki tego typu są zwykle niestechiometryczne i wykazują skład, którego nie daje się wyrazićprostymi wzorami (PdH0,6, TiH1,73, ZrH1,92).• W wodorkach metalicznych atomy wodoru zajmująpozycje śródwęzłowe w sieci przestrzennej typu metalicznego, utworzonej przez atomy drugiego pierwiastka.