ВОВЕД ВО НЕОРГАНСКАТА ХЕМИЈА

Transcript

1 ВОВЕД ВО НЕОРГАНСКАТА ХЕМИЈА Проф. д-р Руменка Петковска Доц. д-р Лилјана Анастасова Институт за применета хемија и фармацевтски анализи, Фармацевтски факултет, УКИМ, Скопје

2 Предмет на проучување на неорганската хемија Неорганската хемија се занимава со проучување на хемиските елементи и нивните соединенија, својствата и начините за нивно добивање (индустриско и лабораториско добивање), како и нивната примена во секојдневниот живот, во индустријата и техниката. Неорганска хемија Органска хемија Органска хемија хемија на соединенијата на јаглерод Неорганска хемија изучување на наједноставните соединенија на јаглерод (CO, CO 2, H 2 CO 3, HCN, карбонати и цијаниди Бионеорганска хемија дел од хемијата што се занимава со проучување на физиолошката функција на металите и неметалите во живите организми

3 Атмосфера Атмосферата претставува заштитен слој од гасови што ја опкружува планетата Земја. Основна улога на атмосферата: Одржување на температурата на планетата во релативно тесен интервал Апсорбција на штетните сончеви зрачења Обезбедува доволни количества воздух за опстанок на живиот свет на планетата

4 Атмосфера Гасови со постојана содржина: азот (78 %), кислород (21 %), аргон (1 %) Состав на атмосферата Аеросоли Гасови со променлива содржина: водена пареа Гасови во трагови: јаглерод диоксид, метан, озон, флуорирани јаглеводороди

5 Атмосфера Состав на атмосферата

6 Атмосфера вертикална структура Атмосферата се различни слоеви: состои од 5 Тропосфера (најблизок слој до земјината површина) Стратосфера (озонски слој апсорбција на штетни UV-зрачења) Мезосфера (t до - 90 C) Термосфера (најмало количество воздух, t > 1500 C) Егзосфера (највисок слој)

7 Воздухот претставува смеса од гасови, без боја, мирис и вкус Се до крајот на 18-от век се сметало дека воздухот е елемент Со работата на Шеле, Пристли и Лавоазје, утврдено е дека воздухот претставува смеса од два елементи: азот и кислород Останати компоненти: мали количини на благородни гасови водена пареа јаглерод диоксид мала количина на амонијак озон водород прашина (слоеви воздух близу стратосферата) сулфур диоксид (слоеви воздух близу вулканите) Воздух

8 Воздух Составот на воздухот е постојан, иако неговите основни состојки постојано се трошат O 2 што се троши во текот на процесот на дишење, се надополнува преку процесот на фотосинтеза во растенијата

9 Фотосинтеза При процесот на фотосинтеза, растенијата примаат вода, минерални материи и CO 2 под влијание на сончевата енергија ги претвораат во сложени соединенија - јаглехидрати, додека ослободениот O 2 се враќа во атмосферата Разложувањето на водена пареа под дејство на UV-зраци дополнителен извор за снабдување на атмосферата со кислород

10 Кружно движење на азотот во природата N 2 од растенијата преоѓа во животинските организми и со распаѓање на животинските организми настануваат прости соединенија на азот Растенијата од почвата земаат прости неоргански соединенија (нитрати, амониум соли) и градат сложени органски молекули протеини Бактериите земаат азот од воздухот и го претвораат во органски соединенија сложени Дентрификациони бактерии во отсуство на кислород го одземаат кислородот што се содржи во нитратите во земјиштето создаваат мали количини елементарен азот што се враќа во атмосферата

11 Кружно движење на азотот во природата

12 Воздух Разорување на озонскиот слој во стратосферата ефект на стаклена градина согорување на фосилни горива (зголемување на CO 2 ) употреба на хлоро/флуоројаглеводороди што се користат во уредите за ладење, во аеросоли или како растворувачи во електронската индустрија

13 Воздух: физичко-хемиски својства Чистиот воздух (не содржи водена пареа, јаглерод диоксид и прашина) претставува гaс без боја, мирис и вкус При интензивно ладење, преминува во безбојна, провидна течност што со стоење добива синкаста боја Течниот воздух се добива со т.н Лидова постапка и се чува во специјално изработени садови Оксидациско делување промена на боја на многу супстанции (S, Br 2, црвен P) промена на течна или гасовита агрегатна состојба во цврста (етер, алкохол, јаглерод диоксид) течниот воздух најмногу се користи за добивање азот и кислород

14 ВОДОРОД - добивање, физичко-хемиски карактеристики, примена

15 Водород Водород (H 2 ) претставува хемиски елемент со реден број 1 Најраспространет елемент во вселената (составен дел на сонцето и ѕвездите) Десетти најзастапен елемент на планетата Земја Во елементарен облик, водородот е застапен во вулканските и природните гасови Во сврзан облик, водородот се наоѓа во голем број на минерали, нафтата и живите организми

16 Водород - застапеност

17 Водород - застапеност Во ѕвездите водородот се наоѓа во облик на плазма високо јонизиран гас и неговите атомски јадра постојано се судираат реакција на нуклеарна фузија Целокупниот водород се претвора во топлотна енергија што го овозможува животот на Земјата

18 Положба на водород во П.С Водород може да се класифицира во следните групи на елементи: IA група алкални метали IV A група група на јаглерод VII A група група на халогени елементи

19 Положба на водород во П.С Сличности меѓу водород и алкалните метали Електронската конфигурација на надворешниот енергетски слој е ns 1 (содржи еден валентен електрон) Најчесто среќаван оксидациски степен е +1 Разлики меѓу водород и алкалните метали При формирање на хемиска врска водородот формира електронски пар, а не врши трансфер на електрони Вредностите за енергијата на јонизација се многу повисоки во однос на вредностите за енергијата на јонизација кај алкалните метали последица на малиот атомски радиус

20 Положба на водород во П.С Сличности меѓу водород и IV A група на елементи Поседува полупополнет валентен енергетски слој Вредностите за енергија на јонизација, електронски афинитет, електронегативност и енергијата на хемиска врска се блиски до вредностите за истите величини кај елементите од IV A група Сличности и разлики меѓу водород и халогените елементи двоатомски молекули 1 е - за постигнување на стабилна електронска конфигурација Водород има неспоредливо пониски вредности за електронегативноста во однос на било кој халоген елемент Халидните јони (X - ) што ги образуваат халогените елементи се стабилни, за разлика од хидридните јони (Н - ) што се мошне реактивни

21 Изотопи на водород Во природата, се наоѓа во облик на три изотопи: Протиум (H) Деутериум (D) Тритиум (T, радиоактивен изотоп) Изотопски маркери расветлување на механизмот на сложени реакции мерење на брзина на хемиски реакции Тешка вода содржи тритиум (слични хемиски својства на водата) забавувач на неутрони во нуклеарни реакции

22 Водород Молекулскиот водород постои во две форми што се разликуваат според ориентацијата на спинот на електронот Орто-водород (паралелни спинови) Пара-водород (спротивни спинови) Орто-водород Пара -водород

23 Индустриско добивање на водород Каталитичко разградување на јаглеводороди на високи температури (јаглеводороди застапени во нафтата, природните гасови или јагленот) загревање на смеса од метан и водена пареа Водород преведување на водена пареа преку усвитен кокс (воден гас)

24 преведување на водена пареа преку усвитено железо Водород Индустриско добивање на водород Електролиза на вода Водород добиен со електролиза на водата се одликува со висок степен на чистота

25 Водород Лабораториско добивање на водород Реакција меѓу метал и киселина (метали што во напонскиот ред се наоѓаат пред водород и разредени раствори на хлороводородна и сулфурна киселина) Реакција меѓу одреден хидрид (калциум хидрид, магнезиум хидрид или литиум хидрид) и вода

26 Водород Лабораториско добивање на водород Реакција меѓу активни метали и вода (калциум, бариум, стронциум или алкални метали) Реакција меѓу амфотерни метали (алуминиум или калај) и водени раствори на бази на повишена температура Како продукт на реакцијата меѓу алуминиум и воден раствор на NaOH, на повишена температура, се добива комплексно соединение натриум тетрахидроксоалуминат (III)

27 Водород Водород е гас без боја, мирис и вкус На температура од 0 С и притисок од Pa, H 2 има маса од 0,0895 g најлесен гас во П.С (14,5 пати полесен од воздухот) На температура од С и притисок од 1,2966 кра, H 2 преминува во течна агрегатна состојба Гасовитиот водород има најмала густина од сите познати супстанции (при стандардни услови густината изнесува 0,00009 g/cm 3 H 2 има најмал атомски радиус (30 рм) голема брзина на дифузија, одлична топлотна спроводливост Слаба растворливост во вода и други течни растворувачи Одлична растворливост во платински метали (1 волумен паладиум може да раствори 850 волумени H 2 ) оклузија = растворање на H 2 во метали (отежната работа со H 2 во метални апаратури)

28 електронската конфугурација на H 2 е 1 s 1 постои во облик на стабилна двоатомска молекула. енергијата на врската изнесува 436 кј/mol слаба реактивност на собна температура (реактивноста се со на температурата) Водородот поседува редуктивни особини Водород Атомарниот (насцентен) водород е посилно редукциско срество од молекуларниот водород Редуктивните особини се користат за добивање на чисти метали од нивните руди (пр. волфрам) WO 3 + 3H 2 W + 3H 2 O CuO + H 2 Cu + H 2 O Ова дејство на водород е карактеристично само за метали што се наоѓаат зад хромот во електрохемискиот ред на металите

29 Водород Редуктивните особини на водород се огледуваат и во: реакцијата на формирање на амонијак реакциите на формирање на халогенводороди N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl (g) Во реакција со силни редукциони средства (алкални метали), водород се однесува како оксидациско средство (реакција на формирање на хидриди) 2 Na = Na + + 2e - (процес на оксидација) H 2 + 2e - = 2H - (процес на редукција) односно 2Na + H 2 = 2NaH

30 Соединенија со оксидациски степен -1 хидриди Соединенија на водород а) ковалентни (молекулски) хидриди б) јонски хидриди (хидриди со карактер на соли) в) метални хидриди (хидриди со метален карактер) Ковалентни хидриди бинарни соединенија на водород и елементите од 13-та до 17-та група, во форма на единечни изолирани молекули (пр. B 2 H 6, CH 4, NH 3, H 2 O, HF, AlH 2, BeH 2, ZnH 2 ) Врската меѓу алуминиум и бор во нивниот хидрид е ковалентна и слична со врската што постои во хидридите на бор, додека кај другите хидриди е делумно ковалентна Ковалентните хидриди се добиваат по индиректен пат

31 Соединенија на водород Jонски хидриди (хидриди со карактер на соли) Соединенија на водород со електропозитивни метали од s- блокот, со исклучок на берилиум Неиспарливи, неелектроспроводливи, кристални цврсти супстанции Со електролиза на растопи на јонски хидриди, на анодата (место каде се врши оксидација) се издвојува водород хемиски доказ за постоење на хидриден јон 2 H - (стопен) H 2 (g) + 2e - Јонските хидриди реагираат со вода (р-ја на хидролиза што е бурна и опасна) NaH + H 2 O NaOH + H 2 CaH H 2 O Ca(OH) H 2

32 Структура на некои јонски хидриди LiH NaH KH

33 Метални хидриди (хидриди со метален карактер) Соединенија на водород Нестехиометриски, електроспроводливи, цврсти супстанции Соединенија на водород со металите од d-блокот (3-та, 4-та и 5-та група) и елементите од f-блокот За металите од 7-та, 8-та и 9-та група не е познат ниту еден хидрид овој дел од П.С се нарекува хидриден процеп Металните хидриди имаат метален сјај, спроведуваат електричество, имаат помала густина од металот од кој настанале и се кршливи Најголем број на метални хидриди имаат променлив состав (пр. PdH 0,8 PdH 0,6 VH 0,6 )

34 Струкрура на метали хидриди Атоми/молекули на H 2 ги завземаат празните простори во кристалната решетка на металот

35 Соединенија на водород со оксидациски степен +1 Соединенија на водород Соединенија на водород со поелектронегативни елементи (неметали и металоиди) Најбројни соединенија со оксидациски степен +1 се јаглеводородите (гасовита/течна агрегатна состојба) Најзначајно соединение на водород со оксидациски степен +1 е водата (водород = оној што раѓа вода ) Други значајни соединенија со овој оксидациски степен се халогенводороди, халкогенводороди, амонијак, киселини, бази, кисели и базни соли Најчесто соединенијата се добиваат во директна реакција меѓу елементите, но поради големата стабилност на молекулата на водород, потребна е покачена температура, притисок или катализатор за реакциите да протечат до крај

36 Соединенија на водород - вода Најважно соединение на водород Најважен ( универзален ) растворувач Поларна молекула + водородна врска меѓу молекулите Кохезија се јавува како резултат на водородната врска и е одговорна за транспорт на вода во растенијата Површински напон Најголема густина водата има на температура од 4 С, мразот има помала густина од течната вода Водата ги спречува температурните флуктуации на планетата Земја висок специфичен топлински капацитет катализатор

37 Реакции на водород Реакциите што протекуваат брзо во присуство на светлина F 2 (g) + H 2 (g) 2HF(g) Cl 2 (g) + H 2 (g) 2HCl(g) Реакциите што протекуваат брзо во присуство покачена температура и притисок на катализатор, I 2 + H 2 (g) 2HI S + H 2 (g) H 2 S N 2 + 3H 2 (g) 2NH 3 Реакцијата на соединување на два волумени водород и еден волумен кислород (600 С) е експлозивна - грмлив гас продукт на реакција е вода О H 2 2 H 2 O r H = - 484,0 kj/mol

38 Примена и значење на водород Производство на амонјак, хлороводородна киселина, метил алкохол Реакции на адиција (преведување на незаситени во заситени соединенија лесно се адира на двојна или тројна врска) Постигнување на високи температури (заварување на метали) Добивање на одредени метали од нивните оксиди Можност да се применува како гориво Во човековиот организам, водородот учествува во одржување на ацидобазната рамотежа (оддржување на рн на телесните течности бикарбонатен пуфер), додека хидридниот јон влегува во состав на редуцираниот коензим никотин аденин динуклеотид, NAD(P)H Влегува во состав на протеините

39 БЛАГОРОДНИ ГАСОВИ - добивање, физичко-хемиски карактеристики, примена- Rn

40 Благородни гасови Во VIII A (18 група) на П.С спаѓаат следните елементи: Хелиум (He) (helios сонце) Неон (Ne) (neos нов) Аргон (Ar) (argos неактивен) Криптон (Kr) (kryptos скриен) Ксенон (Xe) (xenos необичен) Радон (Rn) (radium) Поради хемиската инертност, овие елементи се нарекувале инертни гасови По синтеза на одреден број соединенија на криптон, ксенон и радон, називот инертни гасови е заменет со називот благородни гасови Досега, не се синтетизирани соединенија на He, Ne и Ar

41 Благородни гасови Сите благородни гасови, освен радон, се среќаваат во атмосферата Од вкупната маса во вселената, 23 % отпаѓаат на хелиум Најголемиот дел од He на Земјата настанува со радиоактивно распаѓање на одредени елементи или доаѓа од Сонцето преку т.н соларни ветрови составени од α честички He се добива како продукт на реакција на термичко разложување на минералот на уран клевеит, U3 O8 на температури > 1000 С Во атмосферата на Земјата најзастапен благороден гас е аргон, што настанува со радиоактивен распад на природниот радиоактивен изотоп на калиум (реакција за одредување на геолошка старост на минерални лежишта) Застапеноста на аргон и неон во земјината кора (0,94 % Аr, 15 ppm Ne) позастапени елементи во однос на елементи како што се арсен или бизмут Радон е продукт на радиоактивно распаѓање на радиум Поради неговата голема радиоактивност, спречено е проучувањето на неговата хемија

42 Благородни гасови Сите благородни гасови, со исклучок на хелиум, се добиваат со фракциона дестилација на течен воздух при ниски температури Најголеми количини хелиум се добиваат од природните гасови

43 На собна температура, сите благородни гасови постојат во облик на моноатомски гасови без боја, мирис и вкус Благородни гасови физички својства Доколку се втечнат, формираат димери поврзани меѓусебно со дисперзиони сили ниските вредности за температурите на вриење на полесните благородни гасови се последица на слабите Ван дер Ваалсови привлечни сили меѓу атомите, како и отсуството на други меѓумолекулски сили Растворливоста на благородните гасови во вода е слаба. Со зголемување на редниот број расте и нивната растворливост во вода и во органски растворувачи

44 Благородни гасови физички својства Со пораст на редниот број, растат привлечните интеракции меѓу атомите, а со тоа се зголемуваат и точките на вриење, топење и густината He Ne Ar Kr Xe Rn Ковалентен радиус (pm) / Температура на топење/ С Температура на вриење/ С Густина (g cm -1 ) 0,18 0,19 1,78 3,71 5,85 9,7 По водородот, хелиумот е најлесниот елемент од сите гасови (седум пати полесен од воздухот) при ладење на хелиум под температура од 2,178 К, истиот претрпува трансформација и се класифицира како суперфлуид занемарлива вискозност при истекување

45 Благородни гасови хемиски својства He Ne Ar Kr Xe Rn Реден број Електронска 1 s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 4p 6 5s 2 5p 6 6s 2 6p 6 конфигурација на валентен слој Електронски афинитет/kj mol -1-48,2-115,8-96,5-96,5-77,2 / Прва енергија на јонизација/kj mol -1 Целосно пополнето надворешно енергетско ниво постоење на благородните гасови во моноатомски облик, за разлика од останатите гасови што постојат во двоатомски облик Освен хелиум (1s 2 ), кај сите останати благородни гасови електронската конфигурација на последното енергетско ниво е ns 2 np 6

46 Благородни гасови хемиски својства Високи вредности за јонизациониот потенцијал (енергија на јонизација) и негативен електронски афинитет благородните гасови тешко губат електрони (неможност за градење на хемиски врски со други елементи) Со пораст на редниот број и опаѓањето на јонизациониот потенцијал, кај одредени благородни гасови се зголемува способноста за градење на хемиски врски со други елементи Најдобро се проучени хемиските својства на ксенон Синтетизирани се соединенија на криптон, ксенон и радон со реактивни елементи како што се кислород и флуор

47 Благородни гасови реактивност Реактивноста на благородните гасови се менува според следниот редослед: Ne < He < Ar < Kr < Xe При формирање на хемиска врски, инертните гасови се однесуваат на два начина: Распарување на електронски парови и трансфер на електрони во соседната непополнета орбитала (постоење на ниски вредности за јонизациониот потенцијал и ниска енергетска бариера меѓу орбиталите на надворешниот енергетски слој (4, 5 и 6-ти) енергетски слој неспарени електрони и можност за формирање на ковалентна врска Благородните гасови може да се однесуваат како донори на електронски пар при формирање на координативно-ковалентна врска (пр. XeO 3, XeO 4 )

48 Благородни гасови соединенија Благороден гас со најважни хемиски својства претставува ксенонот Најзначаните оксидациски броеви на ксенонот во неговите соединенија се +2, +4 и +6 Досега се познати следните соединенија на ксенон: Xe - F Xe - O Xe - N Xe - C Xe метал Соединенија на ксенон и флуор Ксенон реагира со флуор при што се формираат XeF 2, XeF 4 и XeF 6 Овие соединенија се добиваат во реакции на директна синтеза, во садови од никел, претходно пасивизирани со флуор (формирање на заштитна превлака од никел (II) флуорид

49 Благородни гасови соединенија Xe (g) + F 2 (g) XeF 2 (g) (Xe во вишок, t=400 C, p=1 atm) Xe (g) + 2 F 2 (g) XeF 4 (g) (Xe : F 2 = 1: 5, t=600 C, p=6 atm) Xe (g) + 3 F 2 (g) XeF 6 (g) (Xe : F 2 = 1: 20, t=300 C, p=60 atm) флуоридите на ксенон се силни оксидациски средства што се користат за синтеза на соединенија на ксенон со кислород и азот

50 Благородни гасови соединенија Соединенија на ксенон и кислород Оксидите на ксенон се нестабилни и експлозивни Може да се добијат при директна синтеза или со хидролиза на ксенон флуориди XeO 3 XeF 6 (s) + 3 H 2 O (l) XeO 3 (s) + 6 HF (aq) 3 XeF 4 (s) + 6 H 2 O (l) XeO 3 (s) + 2 Xe (g) + 3/2 O 2 (g) + 12 HF (aq) XeF 6 (s) + H 2 O (l) XeOF 4 (s) + 2 HF (aq) XeOF 4

51 Благородни гасови примена Хелиум Постигнување на ниски температури (криоген агенс при изведување на експерименти што мора да се изведуваат на ниски температури) Разладувач на суперспроводливи магнети што се користат во NMR спектроскопијата Поради ниската растворливост во човековата крв, во смеса со кислород (21 % кислород и 79 % хелиум (1:4)), се користи во смесите за нуркање спречува појава на кесонската болест Ефикасен во заштита на срцевиот мускул од исхемија, иако механизмот не е во целост разјаснет Се испитува како потенцијална дополнителна терапија при третман на астма

52 Благородни гасови примена Неон Полнење на светилки што се користат во рекламни цели Полнење на светилки што се користат во ботанички градини Аргон Примена при запирање на крварење што настануваат при операција на улкуси, повредени крвни садови, проширени вени и тумори девитализација и намалување на обструктивни маси во телото како на при. тумори Криптон MRI на дишни патишта

53 Благородни гасови примена Ксенон Се користи како општ анестетик и не е невротоксичен Поради невропротективните ефекти претставува значајна компонента во мешавината на гасови што се даваат на предвремено родени бебиња со цел да се спречи оштетување на мозокот Xe-133 се користи при снимање на белите дробови и мерење на проток на крв во одредени ткива или органи Xe-129 се користи како MRI контрастно средство за следење на проток на воздух во белите дробови Радон Радон настанува како резултат на радиоактивно распаѓање на ураниум и ториум и претставува α емитер што може да предизвика белодробен карцином и тератогени ефекти