Vodik. dr.sc. M. Cetina, doc. Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Transcript

1 Vodik Najzastupljeniji element u svemiru (maseni udio iznosi 90 %) i sastavni dio Zvijezda. Na Zemlji je po masenom udjelu deseti element po zastupljenosti. Zemljina gravitacija premalena je da zadrži molekule vodika. Jedan je od najvažnijih elemenata, u spojevima se nalazi u živim bićima, mineralima, zemljinom akvatoriju itd. Vodik u obliku dvoatomnih molekula (H 2 ) može se pronaći u višim slojevima atmosfere i vulkanskim plinovima. i Spaja se gotovo sa svim ostalim elementima i na taj način tvori najveći brojrazličitih spojeva. 1

2 Nema određen položaj u periodnom sustavu te može biti smješten u 1. ili u 17. skupinu. Vodik ima veću energiju ionizacije od alkalijskih metala kao i elektronegativnost. ti t Elektronski ki afinitet it t i elektronegativnost mu je manja nego u halogenih elemenata. Talište Vrelište / o C / o C Energija Elektro- ionizacije 1 / kj mol 1 negativnost -259,1-252, ,2 Izotopi vodika 1 1H 2 1H 3 1H Procij Deuterij Tricij (1p + ) (1p +,1n) (1p +, 2n) w=99,984 % w=0,016 % u tragovima H 2 D 2 H 2 O D 2 O t v / C -252,8-249,7 100,00 101,42 Energija veze / 1 436,0 443,3 463,5 470,9 kj mol 1 Pojava različitih fizičkih (npr. vrelište) i kemijskih svojstava (npr. disocijacija) koja se temelji na različitoj masi naziva se izotopski efekt. 2

3 Laboratorijsko dobivanje vodika Reakcijom kiselina s metalima koji imaju negativni E Θ (standardni elektrodni potencijal), npr. otapanjem cinka u klorovodičnoj kiselini: Zn(s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2 (g). Dobivanje vodika u Kippovom aparatu Reakcijom vode s metalima 1. i 2. skupine (osim Be i Mg): 2Na(s) + 2H 2 O(l) 2Na + (aq) + 2OH (aq) + H 2 (g) Djelovanjem vode na krute hidride: CaH 2 (s) + 2H 2 O(l) 2H 2 (g) + Ca 2+ (aq) + 2OH (aq) Elektrolizom vode (uz dodatak kiseline ili lužine): K( ): 2H 2 O(l) + 2e H 2 (g) + 2OH(aq). Hofmannov aparat 3

4 Industrijsko dobivanje vodika Redukcijom vodene pare ugljikom: H 2 O(g) + C(s) H 2 (g) + CO(g). Vodena se para prevodi preko užarenog koksa ( C) i nastaje tzv. vodeni plin (H 2 + CO) koji se uz prisustvo katalizatora (Fe 2 O 3, 450 C) tretira s vodenom parom da bi se uklonio CO(g): H 2 O(g) + CO(g) H 2 (g) + CO 2 (g) Nastali ugljikov(iv) oksid uklanja se otapanjem u natrijevom hidroksidu, NaOH(aq): CO 2 (g) + OH (aq) HCO 3 (aq). Katalitičkom reakcijom (Ni, 800 C) ugljikovodika s vodom: CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3H 2 (g). Elektrolizom vode (uz dodatak kiseline ili lužine): K( ): 2H 2 O(l) + 2e H 2 (g) + 2OH(aq). Čisti vodik dobiva se difuzijom kroz metalni paladij. 4

5 Spojevi vodika Sve spojeve elemenata s vodikom nazivamo hidridima. U spojevima s nemetalima vodik ima oksidacijski broj +1. U spojevima s metalima vodik ima oksidacijski broj -1 (npr. NaH, CaH 2 itd.) - metalni hidridi. Vodik s elementima 14., 15. i 16. skupine gradi kovalentne spojeve (kovalentne hidride) koji svi imaju posebna imena (CH 4,NH 3,H 2 O), dok s elementima 17. skupine stvara halogenovodike (HF, HCl itd.). Uporaba vodika a) Za sintezu HCl(g) i NH 3 (g) : H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) 3H 2 (g) + N 2 (g) 2NH 3 (g). b) Kao gorivo i raketno gorivo (uz katalizator): 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g). c) U proizvodnji metilnog alkohola (katalizatori ZnO i Cr 2 O 3 ): 2H 2 (g) + CO(g) CH 3 OH(l). d) Za dobivanje ugljikovodika (Fischer-Tropsch postupak, uz katalizator Ni): 2CO(g) + 4H 2 (g) C 2 H 4 (g) + 2H 2 O(l) (+H 2 ) CH 3 CH 3 itd. 5

6 e) Za hidriranje ulja (adicija H 2 na dvostruku vezu - margarin). f) Kao redukcijsko sredstvo i za dobivanje metala koji s ugljikom gj daju karbide (Mo, W): MoO 3 (s) + 3H 2 (g) Mo(s) + 3H 2 O(g). g) Za zavarivanje (2700 o C) gdje se vodiku kisik dovodi u trenutku paljenja pomoću tzv. Daniellova plamenika (inače nastaje "praskavac V(H 2 ):V(O 2 )=2:1). h) U sredstvima koji se koriste kao pogonsko gorivo za automobile (npr. TiH 1,73, PdH 0,8 ) i koji zagrijavanjem otpuštaju vodik. Itd. 6