Opšta i anorganska hemija

Predavanje 6. Vodik i kiseonik. Voda. Vodikov peroksid.

Vodik

Atom vodonika je najjednostavniji predmet hemije. Strogo govoreći, njegov jon - proton - je još jednostavniji. Prvi put ga je 1766. opisao Cavendish. Ime je iz grčkog. „Hidrogeni“ - stvara vodu.

Radijus atoma vodonika je oko 0,5 * 10-10 m, a njegov jon (proton) je 1,2 * 10-15 m. Ili od 50 do 20 sati do 1,2 * 22 do 30 sati ili od 50 metara (SCA dijagonala) do 1 mm.

Sljedeći 1s element, litij, mijenja se samo od 155 do 68 sati za Li +. Ova razlika u veličini atoma i njegovom kationu (5 redova veličine) je jedinstvena.

Zbog male veličine protona dolazi do razmjene vodonična veza, prvenstveno između atoma kiseonika, azota i fluora. Snaga vodoničnih veza je 10-40 kJ / mol, što je mnogo manje od energije prekida većine običnih veza (100-150 kJ / mol u organskim molekulima), ali veća od prosječne kinetičke energije toplotnog kretanja na 370 C (4 kJ / mol). Kao rezultat toga, u živom organizmu vodonične veze se reverzibilno prekidaju, osiguravajući tok vitalnih procesa.

Vodik se topi na 14 K, ključa na 20,3 K (pritisak 1 atm), gustina tečnog vodonika je samo 71 g / l (14 puta lakša od vode).

U razrijeđenom međuzvjezdanom mediju pronađeni su pobuđeni atomi vodonika s prijelazima do n 733 → 732 s talasnom dužinom od 18 m, što odgovara Bohrovom radijusu (r \u003d n2 * 0,5 * 10-10 m) reda 0,1 mm (!).

Najčešći element u svemiru (88,6% atoma, 11,3% atoma je helij, a samo 0,1% su atomi svih ostalih elemenata).

4 H → 4 He + 26,7 MeV 1 eV \u003d 96,48 kJ / mol

Budući da protoni imaju spin 1/2, postoje tri varijante molekula vodonika:

ortohidrogen o-H2 sa paralelnim nuklearnim spinovima, parahidrogen p-H2 sa antiparallelspinovi i normalni n-H2 - smjesa 75% orto-vodonika i 25% para-vodonika. Transformacija o-H2 → p-H2 oslobađa 1418 J / mol.

Osobine orto- i parahidrogena

Budući da je atomska masa vodonika najmanja moguća, njegovi se izotopi - deuterij D (2 H) i tritijum T (3 H) po fizikalno-hemijskim svojstvima značajno razlikuju od protuma 1 H. Na primjer, zamjena jednog od vodonika u organskom spoju s deuterijem primjetno se odražava u njegovom vibracijskom (infracrvenom) spektru, što omogućava uspostavljanje strukture složenih molekula. Takve se supstitucije ("metoda označenih atoma") koriste i za uspostavljanje mehanizama kompleksa

hemijski i biohemijski procesi. Metoda praćenja posebno je osjetljiva kada se umjesto protiuma koristi radioaktivni tritij (β-raspad, poluživot 12,5 godina).

Osobine protuma i deuterija

					Gustina, g / l (20 K)
Glavna metoda proizvodnja vodonikau industriji - konverzija metana
ili hidratacija uglja na 800-11000 C (katalizator):
CH4 + H2O \u003d CO + 3H2				iznad 10000 S
"Vodeni gas": C + H2O \u003d CO + H2
Zatim konverzija CO: CO + H2O \u003d CO2 + H2						4000 C, kobaltovi oksidi

Ukupno: C + 2 H2 O \u003d CO2 + 2 H2

Ostali izvori vodonika.

Koksni plin: oko 55% vodonika, 25% metana, do 2% teških ugljikovodika, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% azota.

Vodik kao proizvod sagorevanja:

Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH \u003d Na2 SiO3 + CaO + 2 H2

Po 1 kg pirotehničke smjese oslobađa se do 370 litara vodonika.

Vodik u obliku jednostavne supstance koristi se za proizvodnju amonijaka i hidrogenizaciju (stvrdnjavanje) biljnih masti, za redukciju određenih metalnih oksida (molibden, volfram), za proizvodnju hidrida (LiH, CaH2,

LiAlH4).

Entalpija reakcije: H. + H. \u003d H2 je -436 kJ / mol, pa se atomski vodonik koristi za dobivanje redukcijskog "plamena" pri visokoj temperaturi ("Langmuirov plamenik"). Struja vodonika u električnom luku atomizira se na 35.000 C za 30%, a onda je tokom rekombinacije atoma moguće dostići 50.000 C.

Tečni vodonik koristi se kao gorivo u raketama (vidi kiseonik). Obećavanje ekološki prihvatljivog goriva za kopneni transport; u toku su eksperimenti na upotrebi metal-hidridnih akumulatora vodonika. Na primjer, legura LaNi5 može apsorbirati 1,5-2 puta više vodika nego što sadrži u istoj zapremini (kao i zapremina legure) tečnog vodonika.

Kiseonik

Prema općeprihvaćenim podacima, kiseonik je 1774. otkrio J. Priestley, a nezavisno K. Scheele. Priča o otkriću kiseonika dobar je primjer utjecaja paradigmi na napredak nauke (vidi Dodatak 1).

Čini se da je kiseonik zapravo otkriven mnogo ranije od službenog datuma. 1620. godine svako se mogao voziti Temzom (u Temzi) podmornicom koju je dizajnirao Cornelius van Drebbel. Čamac se kretao pod vodom zahvaljujući naporima desetaka veslača. Prema brojnim očevicima, pronalazač podmornice je uspješno riješio problem disanja tako što je u njemu hemijskim sredstvima osvježio zrak. Robert Boyle je 1661. godine napisao: „... Pored mehaničke strukture čamca, izumitelj je imao i hemijski rastvor (liker), koji je

smatra glavnom tajnom ronjenja. A kad bi se s vremena na vrijeme uvjerio da je prozračni dio zraka već potrošen i ljudima u čamcu otežao disanje, mogao je, otvaranjem posude napunjene ovom otopinom, brzo napuniti zrak sa takav sadržaj vitalnih dijelova koji bi ga opet učinio dovoljno dugim za disanje. "

Zdrava osoba u mirnom stanju kroz pluća dnevno pumpa oko 7200 litara zraka, nepovratno uzimajući 720 litara kiseonika. U zatvorenoj sobi zapremine 6 m3 osoba može izdržati bez ventilacije do 12 sati, a uz fizički rad 3-4 sata. Glavni uzrok otežanog disanja nije nedostatak kisika, već akumulacija ugljen-dioksidaod 0,3 do 2,5%.

Dugo vremena je glavna metoda za proizvodnju kisika bio ciklus "barij" (dobivanje kisika po Brinovoj metodi):

BaSO4 -t- → BaO + SO3;

5000 C -\u003e

BaO + 0,5 O2 \u003d\u003d\u003d\u003d\u003d\u003d BaO2<- 7000 C

Drebel-ovo tajno rješenje moglo bi biti rješenje vodonik-peroksida: BaO2 + H2 SO4 \u003d BaSO4 ↓ + H2 O2

Proizvodnja kiseonika tokom sagorevanja piro-smeše: NaClO3 \u003d NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ

Smjesa sadrži do 80% NaClO3, do 10% željeza u prahu, 4% barijevog peroksida i staklene vune.

Molekula kisika je paramagnetna (praktično biradikalna), stoga je njegova aktivnost velika. Organske supstance se oksidiraju u vazduhu kroz fazu stvaranja peroksida.

Kiseonik se topi na 54,8 K, vreli na 90,2 K.

Alotropna modifikacija elementa kisik - supstanca ozon O3. Biološka zaštita Zemlje od ozona je izuzetno važna. Na nadmorskoj visini od 20-25 km uspostavlja se ravnoteža:

UV<280 нм		UV 280-320nm
O2 ----\u003e 2 O *	O * + O2 + M -\u003e O3	O3 -------	\u003e O2 + O
	(M - N2, Ar)

1974. godine otkriveno je da atomski hlor, koji nastaje iz freona na nadmorskoj visini većoj od 25 km, katalizira propadanje ozona, kao da zamjenjuje ultraljubičasto svjetlo "ozona". Ovaj UV je sposoban da izazove rak kože (u Sjedinjenim Državama, do 600 hiljada slučajeva godišnje). Zabrana freona u aerosolnim limenkama na snazi \u200b\u200bje u Sjedinjenim Državama od 1978.

Od 1990. godine na popisu zabranjenih supstanci (u 92 zemlje) nalaze se CH3 CCl3, CCl4, klorobromohidrokarboni - njihova proizvodnja je umanjena do 2000. godine.

Sagorijevanje vodonika u kiseoniku

Reakcija je vrlo složena (dijagram u predavanju 3), pa je bilo potrebno dugo proučavanje prije početka praktične primjene.

21. jula 1969. godine prvi Zemljanin - N. Armstrong prošetao je Mjesecom. Raketa Saturn 5 (koju je dizajnirao Wernher von Braun) sastoji se od tri faze. Prva sadrži kerozin i kisik, druga i treća sadrže tečni vodik i kisik. Ukupno 468 tona tečnog O2 i H2. Obavljeno je 13 uspješnih lansiranja.

Od aprila 1981. godine SAD leti svemirskim brodom: 713 tona tečnog O2 i H2, kao i dva pojačala za čvrsto gorivo od po 590 tona (ukupna masa čvrstog goriva je 987 tona). Prvih 40 km uspona na TTU, od 40 do 113 km motori rade na vodonik i kiseonik.

15. maja 1987. prvo lansiranje Energije, 15. novembra 1988. prvi i jedini let Burana. Početna masa je 2400 tona, masa goriva (petrolej u

bočni pretinci, tečni O2 i H2) 2000 t. Snaga motora 125000 MW, nosivost 105 t.

Sagorijevanje nije uvijek bilo izvodljivo i uspješno.

1936. godine izgrađen je najveći svjetski vodikov zračni brod LZ-129 "Hindenburg". Količina je 200.000 m3, dužina oko 250 m, promjer 41,2 m. Brzina je 135 km / h zahvaljujući 4 motora od po 1100 ks, nosivost je 88 tona. Zračni brod je 37 puta preletio Atlantik i prevezla više od 3 hiljade putnika.

6. maja 1937. godine, prilikom pristajanja u Sjedinjenim Državama, zračni brod je eksplodirao i izgorio. Jedan od mogućih razloga je sabotaža.

28. januara 1986. godine, na 74. sekundi leta, Challenger je eksplodirao sa sedam kosmonauta - 25. let sistema Shuttle. Razlog je kvar u akceleratoru čvrstog goriva.

Demonstracija:

detonirajuća eksplozija plina (mješavina vodonika i kisika)

Gorivne ćelije

Tehnički važna varijanta ove reakcije sagorijevanja je razdvajanje procesa na dva dijela:

elektrooksidacija vodonika (anoda): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– \u003d 4 H2 O

elektroredukcija kisika (katoda): O2 + 2 H2 O + 4 e– \u003d 4 OH–

Sistem u kojem se vrši takvo "sagorijevanje" - gorivna ćelija... Efikasnost je mnogo veća od efikasnosti termoelektrana, jer ne postoji

posebna faza proizvodnje toplote. Maksimalna efikasnost \u003d ∆ G / ∆ H; za sagorijevanje vodonika dobija se 94%.

Učinak je poznat od 1839. godine, ali primijenjene su prve praktično radeće gorivne ćelije.

krajem 20. veka u svemiru (Blizanci, Apolon, Shuttle - SAD, Buran - SSSR).

Izgledi za gorivne ćelije [17]

Glasnogovornik kompanije Ballard Power Systems, govoreći na znanstvenoj konferenciji u Washingtonu, DC, naglasio je da će motor s gorivim ćelijama postati komercijalno isplativ kada zadovolji četiri glavna kriterija: smanjeni troškovi energije, povećana trajnost, smanjena veličina postrojenja i sposobnost brzog pokretanja po hladnom vremenu ... Trošak jednog kilovata energije koji generira postrojenje na gorivne ćelije trebao bi se smanjiti na 30 dolara. Za usporedbu, 2004. ista je cifra iznosila 103 dolara, a 2005. očekuje se da će doseći 80 dolara. Da bi se postigla ova cijena, potrebno je proizvesti najmanje 500 hiljada motora godišnje. Evropski naučnici oprezniji su u svojim prognozama i vjeruju da komercijalna upotreba gorivih ćelija vodonika u automobilskoj industriji započinje tek 2020. godine.

10.1 Vodik

Naziv "vodik" odnosi se i na hemijski element i na jednostavnu supstancu. Element vodonik sastoji se od atoma vodonika. Jednostavna supstanca vodoniksastoji se od molekula vodonika.

a) Hemijski element vodonik

U prirodnom nizu elemenata redni broj vodika je 1. U sistemu elemenata vodik je u prvom periodu u grupi IA ili VIIA.

Vodik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Molarni udio atoma vodonika u atmosferi, hidrosferi i litosferi Zemlje (sve se to zajedno naziva zemaljska kora) iznosi 0,17. Nalazi se u vodi, mnogim mineralima, nafti, prirodnom plinu, biljkama i životinjama. Ljudsko tijelo sadrži u prosjeku oko 7 kilograma vodonika.

Postoje tri izotopa vodonika:
a) laki vodonik - protium,
b) teški vodonik - deuterij (D),
c) superteški vodonik - tritij (T).

Tritij je nestabilan (radioaktivni) izotop, stoga se u prirodi praktički ne pojavljuje. Deuterij je stabilan, ali vrlo malo: w D \u003d 0,015% (mase svih kopnenih vodonika). Stoga se atomska masa vodonika vrlo malo razlikuje od 1 D (1,00794 D).

b) atom vodonika

Iz prethodnih odjeljaka kursa hemije već znate sljedeće karakteristike atoma vodonika:

Valentne mogućnosti atoma vodonika određene su prisustvom jednog elektrona u jednoj valentnoj orbitali. Visoka energija jonizacije čini atom vodonika nesklonim odricanju od elektrona, a ne previsoka energija afiniteta za elektron dovodi do blage tendencije da ga prihvati. Zbog toga je u hemijskim sistemima nemoguće stvaranje kationa H, a spojevi sa anionom H nisu vrlo stabilni. Dakle, za atom vodonika najkarakterističnije je stvaranje kovalentne veze s drugim atomima zbog njegovog jednog nesparenog elektrona. I u slučaju nastanka aniona i u slučaju stvaranja kovalentne veze, atom vodonika je monovalentan.
U jednostavnoj supstanci, oksidaciono stanje atoma vodonika je nula, u većini spojeva vodonik pokazuje oksidaciono stanje od + I, a samo u hidridima najmanje elektronegativnih elemenata vodonik ima oksidaciono stanje od –I.
Podaci o valentnim mogućnostima atoma vodonika dati su u tabeli 28. Valentno stanje atoma vodonika vezanog jednom kovalentnom vezom za bilo koji atom označeno je u tablici simbolom "H-".

Tabela 28.Valentne mogućnosti atoma vodonika

Valentno stanje				Primjeri hemikalija
			Ja 0 –I	HCl, H2O, H2S, NH3, CH4, C2H6, NH4Cl, H2SO4, NaHCO3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
				NaH, KH, CaH 2, BaH 2

c) Molekul vodonika

Dvoatomni molekul vodonika H 2 nastaje kada su atomi vodonika vezani jedinom kovalentnom vezom koja je za njih moguća. Veza se formira mehanizmom razmjene. Usput kako se oblaci elektrona preklapaju, ovo je s-veza (slika 10.1 i). Budući da su atomi isti, veza je nepolarna.

Međuatomska udaljenost (tačnije, ravnotežna međuatomska udaljenost, jer atomi vibriraju) u molekulu vodonika r(H - H) \u003d 0,74 A (slika 10.1 u), što je mnogo manje od zbroja radijusa orbite (1,06 A). Zbog toga se elektronski oblaci vezanih atoma duboko preklapaju (slika 10.1 b), a veza u molekulu vodika je jaka. O tome svjedoči prilično velika vrijednost energije vezivanja (454 kJ / mol).
Ako oblik molekule okarakteriziramo graničnom površinom (slično graničnoj površini elektronskog oblaka), tada možemo reći da molekula vodika ima oblik blago deformirane (izdužene) kugle (slika 10.1. r).

d) Vodik (supstanca)

U normalnim uvjetima vodonik je plin bez boje i mirisa. U malim količinama je netoksičan. Čvrsti vodonik se topi na 14 K (–259 ° C), a tečni vodonik ključa na 20 K (–253 ° C). Niske tačke topljenja i ključanja, vrlo mali temperaturni opseg za postojanje tečnog vodonika (samo 6 ° C), kao i niske vrednosti molarnih toplota fuzije (0,117 kJ / mol) i isparavanja (0,903 kJ / mol) ukazuju da su intermolekularne veze u vodoniku vrlo slabe.
Gustina vodonika r (H2) \u003d (2 g / mol) :( 22,4 l / mol) \u003d 0,0893 g / l. Za usporedbu: prosječna gustina zraka je 1,29 g / l. Odnosno, vodonik je 14,5 puta lakši od vazduha. Praktično je netopiv u vodi.
Na sobnoj temperaturi vodonik je neaktivan, ali zagrijavajući reagira s mnogim tvarima. U tim reakcijama atomi vodonika mogu i povećati i smanjiti svoje oksidaciono stanje: N 2 + 2 e - \u003d 2N -I, N2 - 2 e - \u003d 2H + I.
U prvom slučaju, vodonik je oksidirajuće sredstvo, na primjer, u reakcijama sa natrijumom ili kalcijumom: 2Na + H2 \u003d 2NaH, ( t) Ca + H2 \u003d CaH2. ( t)
Ali redukciona svojstva vodonika su karakterističnija: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( t)
Kada se zagrije, vodonik oksidira ne samo kiseonik, već i neki drugi nemetali, na primjer, fluor, klor, sumpor, pa čak i azot.
Kao rezultat reakcije u laboratoriju se dobija vodik

Zn + H2SO4 \u003d ZnSO4 + H2.

Umjesto cinka mogu se koristiti željezo, aluminijum i neki drugi metali, a umjesto sumporne kiseline neke druge razrijeđene kiseline. Rezultirajući vodonik se sakuplja u epruveti istiskivanjem vode (vidi sliku 10.2 b) ili jednostavno u obrnutu tikvicu (slika 10.2 i).

U industriji se vodonik u velikim količinama dobija iz prirodnog plina (uglavnom metana) interakcijom s vodenom parom na 800 ° C u prisustvu nikal katalizatora:

CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( t, Ni)

ili se ugljen obrađuje na visokoj temperaturi vodenom parom:

2H 2 O + C \u003d 2H 2 + CO 2. ( t)

Čisti vodonik se dobija iz vode razlaganjem električne struje (izlaganjem elektrolizi):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (elektroliza).

e) Jedinjenja vodonika

Hidridi (binarni spojevi koji sadrže vodonik) podijeljeni su u dvije glavne vrste:
a) hlapljiv (molekularni) hidridi,
b) solni (jonski) hidridi.
Elementi IVA - VIIA grupa i bor čine molekularne hidride. Od toga su stabilni samo hidridi elemenata koji tvore nemetale:

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; VF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; Zdravo
Osim vode, svi ovi spojevi na sobnoj temperaturi su plinovite supstance, pa otuda i njihovo ime - „isparljivi hidridi“.
Neki od elemenata koji čine nemetale nalaze se i u složenijim hidridima. Na primjer, ugljenik tvori spojeve sa opštim formulama C n H 2 n+2, C n H 2 n , C n H 2 n–2 i drugi, gdje n mogu biti vrlo velike (ovi spojevi se proučavaju organskom hemijom).
Jonski hidridi uključuju hidride alkalijskih, zemnoalkalnih elemenata i magnezijuma. Kristali ovih hidrida sastoje se od H aniona i metalnih kationova u najvišem oksidacionom stanju Me ili Me 2 (ovisno o grupi sistema elemenata).

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

I jonski i gotovo svi molekularni hidridi (osim H20 i HF) su redukciona sredstva, ali jonski hidridi pokazuju svojstva smanjenja mnogo jača od molekularnih.
Pored hidrida, vodonik je dio hidroksida i nekih soli. Sa svojstvima ovih složenijih vodoničnih spojeva upoznat ćete se u sljedećim poglavljima.
Glavni potrošači vodonika proizvedenog u industriji su postrojenja za proizvodnju amonijaka i azotnih gnojiva, gdje se amonijak dobija direktno iz azota i vodonika:

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( R, t, Pt - katalizator).

U velikim količinama vodonik se koristi za dobivanje metilnog alkohola (metanola) reakcijom 2H 2 + CO \u003d CH 3 OH ( t, ZnO - katalizator), kao i u proizvodnji hlorovodonika, koji se dobija direktno iz klora i vodonika:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

Ponekad se vodonik koristi u metalurgiji kao redukciono sredstvo u proizvodnji čistih metala, na primjer: Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.

1. Koje su čestice jezgre a) protiv, b) deuterija, c) tricijuma?
2. Uporedite energiju jonizacije atoma vodonika sa energijom jonizacije atoma drugih elemenata. Koji je element vodonik najbliži po ovoj karakteristici?
3. Učinite isto za energiju afiniteta elektrona
4. Uporedite pravac polarizacije kovalentne veze i oksidaciono stanje vodonika u jedinjenjima: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5. Zapišite najjednostavniju molekularnu, strukturnu i prostornu formulu vodika. Koji se najčešće koristi?
6. Često se kaže: "Vodonik je lakši od vazduha." Šta to znači? Kada se ovaj izraz može shvatiti doslovno, a kada ne?
7. Napravite strukturne formule kalijumovih i kalcijumovih hidrida, kao i amonijaka, vodonik-sulfida i vodonik-bromida.
8. Poznavajući molarne topline fuzije i isparavanja vodika, odredite vrijednosti odgovarajućih specifičnih veličina.
9. Za svaku od četiri reakcije koje ilustriraju osnovna kemijska svojstva vodika sastavite elektroničku vagu. Obratite pažnju na oksidanse i redukcione agense.
10. Odredite masu cinka koja je potrebna da se laboratorijski dobije 4,48 litara vodonika.
11. Odredite masu i zapreminu vodonika koji se mogu dobiti iz 30 m 3 smeše metana i vodene pare, uzete u zapreminskom omjeru 1: 2, sa prinosom od 80%.
12. Sastavite jednadžbe reakcija koje se javljaju u interakciji vodonika a) sa fluorom, b) sa sumporom.
13. Sljedeće sheme reakcija ilustriraju glavna hemijska svojstva jonskih hidrida:

a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H2O MOH + H2; d) MH + HCl (p) MC1 + H2
Ovdje je M litij, natrij, kalij, rubidij ili cezij. Napišite jednadžbe odgovarajućih reakcija u slučaju da je M natrij. Ilustrirajte hemijska svojstva kalcijum-hidrida jednadžbama reakcija.
14. Koristeći metodu elektronske ravnoteže, konstruirajte jednadžbe sljedećih reakcija, ilustrirajući redukcijska svojstva nekih molekularnih hidrida:
a) HI + Cl2 HCl + I2 ( t); b) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); c) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).

10.2 Kiseonik

Kao i u slučaju vodika, riječ "kisik" naziv je i kemijskog elementa i jednostavne supstance. Pored jednostavne supstance " kiseonik "(dioksigen) hemijski element kiseonik tvori još jednu jednostavnu supstancu koja se naziva " ozon "(trioksigen). To su alotropne modifikacije kisika. Supstanca kisik sastoji se od molekula kisika O 2, a supstanca ozon sastoji se od molekula ozona O 3.

a) Hemijski element kiseonik

U prirodnom nizu elemenata, redni broj kisika je 8. U sistemu elemenata, kisik je u drugom periodu u grupi VIA.
Kiseonik je najzastupljeniji element na Zemlji. U zemljinoj kori svaki drugi atom je atom kisika, odnosno molarni udio kisika u atmosferi, hidrosferi i litosferi Zemlje iznosi oko 50%. Kiseonik (tvar) je sastavni dio zraka. Zapreminski udio kisika u zraku iznosi 21%. Kiseonik (element) je dio vode, mnogih minerala, kao i biljaka i životinja. Ljudsko tijelo sadrži u prosjeku 43 kg kiseonika.
Prirodni kiseonik sastoji se od tri izotopa (16 O, 17 O i 18 O), od kojih je najlakši izotop 16 O, pa je atomska masa kiseonika blizu 16 D (15,9994 D).

b) atom kiseonika

Znate sljedeće karakteristike atoma kiseonika.

Tabela 29. Valensija atoma kiseonika

Valentno stanje				Primjeri hemikalija
				Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3 *
			–II –I 0 + I + II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OD 2
				NaOH, KOH, Ca (OH) 2, Ba (OH) 2 Na 2 O 2, K 2 O 2, CaO 2, BaO 2
				Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3

* Ovi se oksidi mogu smatrati i jonskim spojevima.
** Atomi kiseonika u molekulu nisu u datom valentnom stanju; ovo je samo primjer supstance sa oksidacionim stanjem atoma kiseonika jednakim nuli
Visoka energija jonizacije (poput vodonika) isključuje stvaranje jednostavnog kationa iz atoma kiseonika. Energija afiniteta elektrona je prilično visoka (gotovo dvostruko veća od energije vodonika), što atomu kiseonika pruža veću tendenciju da veže elektrone i sposobnost stvaranja O2A aniona. Ali energija afiniteta elektrona prema atomu kiseonika i dalje je niža od energije atoma halogena, pa čak i drugih elemenata grupe VIA. Prema tome, anjoni kiseonika ( oksidni joni) postoje samo u spojevima kiseonika sa elementima čiji atomi vrlo lako doniraju elektrone.
Dijeljenjem dva nesparena elektrona, atom kisika može stvoriti dvije kovalentne veze. Zbog nemogućnosti pobude, dva usamljena para elektrona mogu stupiti u interakciju samo donor-akceptor. Dakle, ne uzimajući u obzir višestrukost veze i hibridizaciju, atom kisika može biti u jednom od pet valentnih stanja (Tabela 29).
Najkarakterističnije za atom kisika je valentno stanje sa W k \u003d 2, odnosno stvaranje dvije kovalentne veze uslijed dva nesparena elektrona.
Veoma visoka elektronegativnost atoma kiseonika (veća - samo za fluor) dovodi do činjenice da u većini njegovih spojeva kiseonik ima oksidaciono stanje –II. Postoje supstance u kojima kisik pokazuje druge vrijednosti oksidacijskog stanja, od kojih su neke prikazane u Tabeli 29 kao primjeri, a usporedna stabilnost prikazana je na Sl. 10.3.

c) Molekul kiseonika

Eksperimentalno je utvrđeno da dvoatomska molekula kisika O 2 sadrži dva nesparena elektrona. Koristeći metodu valentnih veza, takva elektronička struktura ovog molekula ne može se objasniti. Ipak, veza u molekuli kiseonika po svojstvima je bliska kovalentnoj. Molekul kisika je nepolaran. Međuatomska udaljenost ( r o - o \u003d 1,21 A \u003d 121 nm) manja je od udaljenosti između atoma povezanih jednostavnom vezom. Molarna energija vezivanja je prilično visoka i iznosi 498 kJ / mol.

d) Kiseonik (supstanca)

U normalnim uvjetima kiseonik je plin bez boje i mirisa. Čvrsti kiseonik se topi na 55 K (–218 ° C), a tečni kiseonik kipi na 90 K (–183 ° C).
Intermolekularne veze u čvrstom i tečnom kiseoniku nešto su jače nego u vodoniku, što dokazuje širi temperaturni opseg za postojanje tečnog kiseonika (36 ° C) i veće molarne toplote fuzije (0,446 kJ / mol) i isparavanja (6, 83 kJ / mol).
Kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi: na 0 ° C, samo 5 zapremina kiseonika (gas!) Rastvara se u 100 zapremina vode (tečnost!).
Velika tendencija atoma kiseonika da vežu elektrone i velika elektronegativnost dovode do činjenice da kiseonik pokazuje samo oksidaciona svojstva. Ova svojstva su posebno izražena pri visokim temperaturama.
Kiseonik reaguje sa mnogim metalima: 2Ca + O2 \u003d 2CaO, 3Fe + 2O2 \u003d Fe 3 O 4 ( t);
nemetali: C + O 2 \u003d CO 2, P 4 + 5O 2 \u003d P 4 O 10,
i složene supstance: CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.

Kao rezultat takvih reakcija najčešće se dobijaju različiti oksidi (vidi poglavlje II § 5), ali aktivni alkalni metali, na primjer natrijum, sagorijevanjem se pretvaraju u perokside:

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

Strukturna formula nastalog natrijum-peroksida (Na) 2 (O-O).
Trepereće iverje smješteno u kisiku plamti. To je prikladan i lak način za otkrivanje čistog kisika.
U industriji se kiseonik dobija iz zraka rektifikacijom (složena destilacija), a u laboratoriji podvrgavanjem nekih spojeva koji sadrže kiseonik termičkoj razgradnji, na primjer:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° C);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° C, MnO 2 - katalizator);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° C)
i, pored toga, katalitičkim raspadanjem vodonik-peroksida na sobnoj temperaturi: 2H 2 O 2 \u003d 2 H 2 O + O 2 (MnO 2 -katalizator).
Čisti kiseonik koristi se u industriji da pojača one procese u kojima dolazi do oksidacije i da stvori plamen visoke temperature. U raketarstvu se tečni kiseonik koristi kao oksidans.
Kiseonik je od velike važnosti za održavanje života biljaka, životinja i ljudi. U normalnim uvjetima osoba ima dovoljno kiseonika za disanje. Ali u uvjetima kada nema dovoljno zraka ili ga uopće nema (u avionima, za vrijeme ronjenja, u svemirskim brodovima itd.), Za disanje se pripremaju posebne mješavine plina koje sadrže kisik. Kiseonik se koristi i u medicini kod bolesti koje uzrokuju poteškoće u disanju.

e) Ozon i njegovi molekuli

Ozon O 3 je druga alotropska modifikacija kisika.
Triatomska molekula ozona ima kutnu strukturu između dvije strukture, predstavljenu sljedećim formulama:

Ozon je tamnoplavi plin oštrog mirisa. Zbog svoje jake oksidativne aktivnosti otrovna je. Ozon je jedan i po puta „teži“ od kisika i nešto više od kisika, otopit ćemo se u vodi.
Ozon se stvara u atmosferi od kiseonika tokom električnog pražnjenja groma:

3O 2 \u003d 2O 3 ().

Pri normalnim temperaturama, ozon se polako pretvara u kisik, a kada se zagrije, taj se proces odvija eksplozijom.
Ozon je sadržan u takozvanom "ozonskom omotaču" zemljine atmosfere, štiteći čitav život na zemlji od štetnih efekata sunčevog zračenja.
U nekim se gradovima ozon koristi umjesto klora za dezinfekciju (dezinfekciju) vode za piće.

Nacrtajte strukturne formule sljedećih supstanci: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba (OH) 2. Navedi ove supstance. Opišite valentna stanja atoma kiseonika u tim spojevima.
Odredite valentno i oksidaciono stanje svakog od atoma kiseonika.
2. Napravite jednadžbe reakcija sagorijevanja u kiseoniku litijuma, magnezijuma, aluminijuma, silicijuma, crvenog fosfora i selena (atomi selena oksidiraju se u oksidacijsko stanje + IV, atomi ostalih elemenata - u najviše oksidacijsko stanje). Koje klase oksida su proizvodi ovih reakcija?
3. Koliko litara ozona se može dobiti (u normalnim uslovima) a) iz 9 litara kiseonika, b) iz 8 g kiseonika?

Voda je najzastupljenija supstanca u zemljinoj kori. Masa zemljine vode procjenjuje se na 10 18 tona. Voda je osnova hidrosfere naše planete, osim toga, sadržana je u atmosferi, u obliku leda formira polarne kape Zemlje i alpskih ledenjaka, a takođe je i dio različitih stijena. Masovni udio vode u ljudskom tijelu je oko 70%.
Voda je jedina supstanca koja u sva tri agregacijska stanja ima svoja posebna imena.

Elektronska struktura molekula vode (slika 10.4 i) detaljno smo proučavali ranije (vidi § 7.10).
Zbog polariteta O - H veza i uglastog oblika, molekul vode je električni dipol.

Za karakterizaciju polariteta električnog dipola koristi se fizička veličina, nazvana " električni moment električnog dipola "ili jednostavno " dipolni trenutak ".

U hemiji se dipolni trenutak mjeri u debajima: 1 D \u003d 3,34. 10-30 Kl. m

U molekulu vode postoje dvije polarne kovalentne veze, odnosno dva električna dipola, od kojih svaki ima svoj dipolni moment (i). Ukupan dipolni moment molekule jednak je vektorskom zbiru ova dva momenta (slika 10.5):

(H20) \u003d ,

gde q 1 i q 2 - djelomična naboja (+) na atomima vodika i - međuatomska rastojanja O - H u molekuli. Jer q 1 = q 2 = q, a, onda

Eksperimentalno utvrđeni dipolni momenti molekule vode i nekih drugih molekula dati su u tablici.

Tabela 30.Dipolni momenti nekih polarnih molekula

Molekula		Molekula		Molekula

S obzirom na dipolnu prirodu molekule vode, često se shematski prikazuje na sljedeći način:
Čista voda je bezbojna tečnost, bez okusa i mirisa. Neke od glavnih fizičkih karakteristika vode date su u tablici.

Tabela 31.Neke fizičke karakteristike vode

Velike vrijednosti molarnih toplina fuzije i isparavanja (red veličine veći od vodonika i kiseonika) ukazuju da su molekuli vode, kako u čvrstoj, tako i u tečnoj materiji, prilično čvrsto povezani. Te veze se nazivaju " vodonične veze ".

ELEKTRIČNI DIPOL, TRENUTAK DIPOLA, VEZNI POLARITET, POLARITET MOLEKULA.
Koliko valentnih elektrona atoma kiseonika učestvuje u stvaranju veza u molekulu vode?
2.Kojim se orbitalama preklapaju veze koje nastaju između vodonika i kiseonika u molekuli vode?
3. Napravite dijagram stvaranja veza u molekulu vodonik-peroksida H 2 O 2. Šta možete reći o prostornoj strukturi ovog molekula?
4. Međuatomske udaljenosti u molekulama HF, HCl i HBr iznose 0,92; 1.28 i 1.41. Koristeći tablicu dipolnih momenata, izračunajte i uporedite djelomične naboje na atomima vodika u tim molekulama.
5. Međuatomske udaljenosti S - H u molekuli sumporovodika su 1,34, a kut između veza je 92 °. Odredite vrijednosti djelomičnih naboja na atomima sumpora i vodonika. Šta možete reći o hibridizaciji valentnih orbitala atoma sumpora?

10.4. Vodikova veza

Kao što već znate, zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodonika i kiseonika (2,10 i 3,50), atom vodonika u molekuli vode ima veliki pozitivni parcijalni naboj ( q h \u003d 0,33 e), a atom kisika ima još veći negativni parcijalni naboj ( q h \u003d -0,66 e). Podsjetimo također da atom kisika ima dva usamljena para elektrona po sp 3-hibridni AO. Atom vodonika jedne molekule vode privlači atom kiseonika druge molekule, a uz to poluprazni 1s-AO atoma vodonika djelomično prihvaća par elektrona atoma kiseonika. Kao rezultat ovih interakcija između molekula nastaje posebna vrsta intermolekularnih veza - vodonična veza.
U slučaju vode, vodonična veza može se shematski predstaviti na sljedeći način:

U posljednjoj strukturnoj formuli, tri tačke (isprekidana linija, a ne elektroni!) Prikazuju vodoničnu vezu.

Vodonična veza postoji ne samo između molekula vode. Formira se ako su ispunjena dva uslova:
1) molekula ima jako polarnu N - E vezu (E je simbol atoma dovoljno elektronegativnog elementa),
2) molekul sadrži atom E sa velikim negativnim parcijalnim nabojem i usamljenim parom elektrona.
Element E može biti fluor, kiseonik i azot. Vodikove veze su mnogo slabije ako je E hlor ili sumpor.
Primjeri supstanci sa vodoničnom vezom između molekula: fluorovodik, čvrsti ili tečni amonijak, etilni alkohol i mnoge druge.

U tečnom fluorovodoniku, njegovi molekuli su povezani vodikovim vezama u prilično dugim lancima, a trodimenzionalne mreže nastaju u tečnom i čvrstom amonijaku.
Što se tiče čvrstoće, vodonična veza je posredna između hemijske veze i drugih vrsta intermolekularnih veza. Molarna energija vodonične veze obično se kreće od 5 do 50 kJ / mol.
U čvrstoj vodi (to jest u kristalima leda) svi atomi vodonika su vezani vodikom za atome kiseonika, pri čemu svaki atom kiseonika formira dvije vodonične veze (koristeći oba usamljena para elektrona). Ova struktura čini led "labavijim" u poređenju sa tečnom vodom, gde se neke vodonične veze prekidaju, a molekuli se mogu "gušće" spakirati. Ova karakteristika strukture leda objašnjava zašto, za razliku od većine drugih supstanci, voda u čvrstom stanju ima manju gustoću nego u tečnom stanju. Voda dostiže svoju maksimalnu gustinu na 4 ° C - pri ovoj temperaturi puca puno vodikovih veza, a toplotna ekspanzija nema jako jak uticaj na gustinu.
Vodikove veze su vrlo važne u našem životu. Zamislimo na trenutak da su vodonične veze prestale da se stvaraju. Evo nekoliko posljedica:

• voda na sobnoj temperaturi postala bi plinovita, jer bi joj tačka ključanja pala na oko –80 ° C;
• svi bi se rezervoari smrzavali s dna, jer bi gustina leda bila veća od gustine tečne vode;
• dvostruka spirala DNA prestala bi postojati i još mnogo više.

Navedeni primjeri dovoljni su da se shvati da bi u ovom slučaju priroda na našoj planeti postala potpuno drugačija.

HIDROGENNO VEZOVANJE, USLOVI NJEGOVOG OBLIKOVANJA.
Formula etilnog alkohola je CH 3 –CH 2 –O - H. Između kojih atoma različitih molekula ove supstance nastaju vodonične veze? Sastavite strukturne formule kako biste ilustrirali njihovo formiranje.
2. Vodikove veze postoje ne samo u pojedinačnim supstancama, već i u rastvorima. Pokazati uz pomoć strukturnih formula kako se stvaraju vodonične veze u vodenoj otopini a) amonijaka, b) vodonik-fluorida, c) etanola (etilnog alkohola). \u003d 2H 2 O.
Obje ove reakcije događaju se u vodi stalno i jednakom brzinom, stoga u vodi postoji ravnoteža: 2H 2 O AH 3 O + OH.
Ova ravnoteža se naziva ravnotežna autoprotolizavode.

Izravna reakcija ovog reverzibilnog procesa je endotermna, stoga se zagrijavanjem pojačava autoprotoliza, ali na sobnoj temperaturi ravnoteža se pomiče ulijevo, odnosno koncentracija jona H 3 O i OH je zanemariva. Čemu su jednaki?
Prema zakonu glumačkih masa

Ali s obzirom na činjenicu da je broj reagiranih molekula vode beznačajan u odnosu na ukupan broj molekula vode, može se pretpostaviti da se koncentracija vode tijekom autoprotolize praktično ne mijenja, a 2 \u003d const Ovako niska koncentracija suprotno nabijenih jona u čistoj vodi objašnjava zašto ova tečnost, iako slabo, ipak provodi električnu struju.

AUTOPROTOLIZA VODE, SADRŽAJ AUTOPROTOLIZE (IONSKI PROIZVOD) VODE.
Jonski proizvod tečnog amonijaka (tačka ključanja –33 ° C) je 2 · 10 –28. Napravite jednadžbu za autoprotolizu amonijaka. Odredite koncentraciju amonijevih jona u čistom tečnom amonijaku. Koja je od supstanci provodljivija, voda ili tečni amonijak?

1. Dobivanje vodonika i njegovo sagorevanje (redukciona svojstva).
2. Dobijanje kiseonika i sagorevanje supstanci u njemu (oksidaciona svojstva).

Svrha lekcije. U ovoj lekciji naučit ćete o možda najvažnijim kemijskim elementima za život na zemlji - vodiku i kisiku, naučiti o njihovim kemijskim svojstvima, kao i fizičkim svojstvima jednostavnih tvari koje tvore, naučiti više o ulozi kisika i vodika u prirodi i životu čovjek.

Vodik - najčešći element u svemiru. Kiseonik - najrasprostranjeniji element na Zemlji. Zajedno formiraju vodu - supstancu koja čini više od polovine mase ljudskog tijela. Kisik je plin koji nam je potreban za disanje, a bez vode ne bismo mogli živjeti ni nekoliko dana, pa se kiseonik i vodik nesumnjivo mogu smatrati najvažnijim hemijskim elementima neophodnim za život.

Struktura atoma vodonika i kiseonika

Dakle, vodonik pokazuje nemetalna svojstva. U prirodi se vodonik javlja u obliku tri izotopa, protijuma, deuterija i tricija, izotopi vodonika se međusobno vrlo razlikuju po fizičkim svojstvima, pa im se čak pripisuju i pojedinačni simboli.

Ako se ne sjećate ili ne znate što su izotopi, radite s materijalima elektroničkog obrazovnog resursa "Izotopi kao sorte atoma jednog hemijskog elementa". U njemu ćete naučiti kako se izotopi jednog elementa međusobno razlikuju, što dovodi do prisustva nekoliko izotopa u jednom elementu, kao i upoznati se s izotopima nekoliko elemenata.

Dakle, moguća stanja oksidacije kiseonika ograničena su na vrijednosti od –2 do +2. Ako kiseonik prihvati dva elektrona (postajući anion) ili formira dvije kovalentne veze sa manje elektronegativnih elemenata, prelazi u stanje oksidacije –2. Ako kisik tvori jednu vezu s drugim atomom kiseonika, a drugu vezu s atomom manje elektronegativnog elementa, on prelazi u –1 stanje oksidacije. Stvaranjem dvije kovalentne veze sa fluorom (jedinim elementom s većom vrijednosti elektronegativnosti), kiseonik prelazi u +2 oksidacijsko stanje. Stvarajući jednu vezu s drugim atomom kiseonika, a drugu s atomom fluora - +1. Konačno, ako kiseonik tvori jednu vezu sa manje elektronegativnim atomom, a drugu vezu sa fluorom, on će biti u 0-oksidacionom stanju.

Fizička svojstva vodonika i kiseonika, alotropija kisika

Vodik - plin bez boje, mirisa i okusa. Vrlo lagan (14,5 puta lakši od vazduha). Temperatura ukapljivanja vodonika - -252,8 ° C - gotovo je najniža među svim plinovima (na drugom mjestu nakon helija). Tečni i čvrsti vodonik su vrlo lagane bezbojne supstance.

Kiseonik - plin bez boje, mirisa i okusa, malo teži od zraka. Na -182,9 ° C pretvara se u tešku plavu tečnost, na -218 ° C se učvršćuje stvaranjem plavih kristala. Molekule kisika su paramagnetne, što znači da kisik privlači magnet. Kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi.

Za razliku od vodonika, koji tvori molekule samo jedne vrste, kiseonik pokazuje alotropiju i tvori molekule dvije vrste, odnosno element kiseonik tvori dvije jednostavne supstance: kisik i ozon.

Hemijska svojstva i proizvodnja jednostavnih supstanci

Vodik.

Veza u molekuli vodika je jednostruka, ali je jedna od najjačih pojedinačnih veza u prirodi i treba joj mnogo energije da se prekine, iz tog razloga je vodik vrlo neaktivan na sobnoj temperaturi, ali kad temperatura poraste (ili u prisustvu katalizatora) vodik lako stupa u interakciju s mnogim jednostavnim i složenim supstancama.

S hemijske tačke gledišta, vodonik je tipični nemetal. Odnosno, sposoban je za interakciju s aktivnim metalima da bi stvorio hidride, u kojima pokazuje oksidaciono stanje –1. Sa nekim metalima (litijum, kalcijum) interakcija se odvija čak i na sobnoj temperaturi, ali prilično sporo, pa se zagrijavanje koristi u sintezi hidrida:

,

.

Stvaranje hidrida direktnom interakcijom jednostavnih supstanci moguće je samo za aktivne metale. Već aluminijum ne stupa u direktnu interakciju s vodikom, njegov hidrid se dobiva reakcijama izmjene.

Vodik takođe reaguje sa nemetalima samo kada se zagreje. Izuzetak su halogen klora i broma, čija se reakcija može izazvati svjetlošću:

.

Reakcija sa fluorom takođe ne zahtijeva zagrijavanje, ona se odvija eksplozivno čak i uz jako hlađenje i u apsolutnom mraku.

Reakcija s kisikom odvija se prema mehanizmu razgranatog lanca, pa se brzina reakcije brzo povećava, a u smjesi kisika i vodika u omjeru 1: 2 reakcija se odvija eksplozijom (takva smjesa naziva se "detonirajući plin" "):

.

Reakcija sa sumporom odvija se mnogo mirnije, bez praktično oslobađanja toplote:

.

Reakcije sa azotom i jodom su reverzibilne:

,

.

Ova okolnost u velikoj mjeri komplikuje proizvodnju amonijaka u industriji: postupak zahtijeva upotrebu povećanog pritiska za miješanje ravnoteže prema stvaranju amonijaka. Jodovododid se ne dobija izravnom sintezom, jer postoji nekoliko mnogo prikladnijih metoda za njegovu sintezu.

Vodik ne reagira direktno sa nemetalnim nemetalima (), iako su njegovi spojevi s njima poznati.

U reakcijama sa složenim tvarima, vodik u većini slučajeva djeluje kao redukcijsko sredstvo. U rastvorima, vodonik može smanjiti metale s niskom aktivnošću (smještene nakon vodonika u nizu napona) iz njihovih soli:

Kada se zagrije, vodonik može smanjiti mnoge metale iz njihovih oksida. Štoviše, što je metal aktivniji, to ga je teže obnoviti i za to je potrebna veća temperatura:

.

Metale aktivnije od cinka praktično je nemoguće redukovati vodonikom.

Vodonik u laboratoriju se dobija interakcijom metala sa jakim kiselinama. Najčešće se koriste cink i solna kiselina:

Rjeđe korištena elektroliza vode u prisustvu jakih elektrolita:

U industriji se vodik dobija kao nusproizvod u proizvodnji kaustične sode elektrolizom otopine natrijum klorida:

Pored toga, vodonik se dobija preradom nafte.

Proizvodnja vodika fotolizom vode jedna je od najobećavajućih metoda u budućnosti, međutim, trenutno je industrijska primjena ove metode otežana.

Rad sa materijalima elektronskih obrazovnih izvora. Laboratorijski rad "Proizvodnja i svojstva vodonika" i Laboratorijski rad "Smanjivanje svojstava vodonika". Proučite princip Kippovog aparata i Kirjuškinovog aparata. Razmislite, u kojim je slučajevima prikladnije koristiti Kippov aparat, a u kojim - Kirjuškin. Kakva svojstva vodik pokazuje u reakcijama?

Kiseonik.

Veza u molekulu kiseonika je dvostruka i vrlo jaka. Stoga je kiseonik prilično neaktivan na sobnoj temperaturi. Zagrijavanjem, međutim, počinje pokazivati \u200b\u200bsnažna oksidacijska svojstva.

Kiseonik reaguje bez zagrijavanja s aktivnim metalima (alkali, zemnoalkalna zemlja i neki lantanidi):

Kada se zagrije, kiseonik u interakciji s većinom metala stvara okside:

,

,

.

Kiseonik ne oksidira srebro i manje aktivne metale.

Kiseonik takođe reaguje sa većinom nemetala i stvara okside:

,

,

.

Interakcija s dušikom događa se samo na vrlo visokim temperaturama, oko 2000 ° C.

Kiseonik ne reaguje sa klorom, bromom i jodom, iako se mnogi od njihovih oksida mogu dobiti indirektno.

Interakcija kiseonika sa fluorom može se provesti propuštanjem električnog pražnjenja kroz smjesu plinova:

.

Kiseonik (II) fluorid je nestabilno jedinjenje, lako se razgrađuje i vrlo je snažno oksidirajuće sredstvo.

U otopinama je kiseonik jako, iako sporo oksidirajuće sredstvo. Kiseonik po pravilu pospješuje prelazak metala u viša oksidaciona stanja:

Prisustvo kiseonika često omogućava otapanje u kiselinama metala koji se nalaze neposredno iza vodonika u nizu napona:

Kada se zagrije, kiseonik može oksidirati niže okside metala:

.

Kiseonik se u industriji ne proizvodi hemijskim metodama, već se destilacijom dobija iz vazduha.

Laboratorija koristi reakcije razgradnje spojeva bogatih kiseonikom - nitrata, klorata, permanganata kada se zagrijavaju:

Kiseonik možete dobiti i katalitičkim raspadanjem vodonik-peroksida:

Pored toga, gore navedena reakcija elektrolize vode može se koristiti za stvaranje kisika.

Rad sa materijalima elektroničkog obrazovnog izvora. Laboratorijski rad "Dobivanje kisika i njegovih svojstava."

Kako se naziva metoda sakupljanja kisika koja se koristi u laboratorijskom radu? Koji još načini sakupljanja plinova postoje, a koji su pogodni za sakupljanje kisika?

Zadatak 1. Pogledajte video "Razgradnja kalijum permanganata zagrijavanjem."

Odgovori na pitanja:

1. 1. Koji je od čvrstih proizvoda reakcije topljiv u vodi?
   2. Koje je boje otopina kalijum permanganata?
   3. Kakve je boje otopina kalijum manganata?

Zapiši jednačine tekućih reakcija. Izjednačite ih metodom elektroničke ravnoteže.

Razgovarajte o zadatku sa nastavnikom u ili u video sobi.

Ozon.

Molekula ozona je triatomska i veze u njoj su manje jake nego u molekuli kiseonika, što dovodi do veće hemijske aktivnosti ozona: ozon bez zagrijavanja lako oksidira mnoge tvari u otopinama ili u suhom obliku:

Ozon je u stanju lako oksidirati azotni oksid (IV) u dušikov oksid (V), a sumporni oksid (IV) u sumporni oksid (VI) bez katalizatora:

Ozon se postepeno razgrađuje stvarajući kisik:

Da bi se dobio ozon, koriste se posebni uređaji - ozonizatori, u kojima se tlocdno pražnjenje prolazi kroz kisik.

U laboratoriju se za dobivanje malih količina ozona ponekad koriste reakcije razgradnje perokso jedinjenja i nekih viših oksida kada se zagriju:

Rad sa materijalima elektroničkog obrazovnog izvora. Laboratorijski rad "Dobivanje ozona i proučavanje njegovih svojstava."

Objasnite zašto je indigo rješenje obezbojeno. Zapišite jednadžbe za reakcije koje se javljaju kada se otopine olovnog nitrata i natrijum sulfida pomiješaju i kada ozonizirani zrak prođe kroz nastalu suspenziju. Za reakciju jonske izmjene napišite jonske jednadžbe. Za redoks reakciju sastavite elektroničku vagu.

Razgovarajte o zadatku sa nastavnikom u ili u video sobi.

Hemijska svojstva vode

Za bolje upoznavanje sa fizičkim svojstvima vode i njenim značajem, radite na materijalima elektronskih obrazovnih izvora "Abnormalna svojstva vode" i "Voda je najvažnija tečnost na Zemlji".

Voda je od velike važnosti za sve žive organizme - zapravo, mnogi živi organizmi su više od polovine vode. Voda je jedno od najsvestranijih rastvarača (pri visokim temperaturama i pritiscima njezine se sposobnosti kao rastvarača znatno povećavaju). S hemijskog stajališta, voda je vodonik-oksid, dok se u vodenoj otopini disocira (iako u vrlo maloj mjeri) na kation vodika i hidroksidne anione:

.

Voda stupa u interakciju s mnogim metalima. S aktivnom (alkalna, zemnoalkalna zemlja i neki lantanidi) voda reaguje bez zagrijavanja:

Interakcija s manje aktivnim događa se kada se zagrije.

10.1 Vodik

Naziv "vodik" odnosi se i na hemijski element i na jednostavnu supstancu. Element vodonik sastoji se od atoma vodonika. Jednostavna supstanca vodoniksastoji se od molekula vodonika.

a) Hemijski element vodonik

U prirodnom nizu elemenata redni broj vodika je 1. U sistemu elemenata vodik je u prvom periodu u grupi IA ili VIIA.

Vodik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Molarni udio atoma vodonika u atmosferi, hidrosferi i litosferi Zemlje (sve se to zajedno naziva zemaljska kora) iznosi 0,17. Nalazi se u vodi, mnogim mineralima, nafti, prirodnom plinu, biljkama i životinjama. Ljudsko tijelo sadrži u prosjeku oko 7 kilograma vodonika.

Postoje tri izotopa vodonika:
a) laki vodonik - protium,
b) teški vodonik - deuterij (D),
c) superteški vodonik - tritij (T).

Tritij je nestabilan (radioaktivni) izotop, stoga se u prirodi praktički ne pojavljuje. Deuterij je stabilan, ali vrlo malo: w D \u003d 0,015% (mase svih kopnenih vodonika). Stoga se atomska masa vodonika vrlo malo razlikuje od 1 D (1,00794 D).

b) atom vodonika

Iz prethodnih odjeljaka kursa hemije već znate sljedeće karakteristike atoma vodonika:

Valentne mogućnosti atoma vodonika određene su prisustvom jednog elektrona u jednoj valentnoj orbitali. Visoka energija jonizacije čini atom vodonika nesklonim odricanju od elektrona, a ne previsoka energija afiniteta za elektron dovodi do blage tendencije da ga prihvati. Zbog toga je u hemijskim sistemima nemoguće stvaranje kationa H, a spojevi sa anionom H nisu vrlo stabilni. Dakle, za atom vodonika najkarakterističnije je stvaranje kovalentne veze s drugim atomima zbog njegovog jednog nesparenog elektrona. I u slučaju nastanka aniona i u slučaju stvaranja kovalentne veze, atom vodonika je monovalentan.
U jednostavnoj supstanci, oksidaciono stanje atoma vodonika je nula, u većini spojeva vodonik pokazuje oksidaciono stanje od + I, a samo u hidridima najmanje elektronegativnih elemenata vodonik ima oksidaciono stanje od –I.
Podaci o valentnim mogućnostima atoma vodonika dati su u tabeli 28. Valentno stanje atoma vodonika vezanog jednom kovalentnom vezom za bilo koji atom označeno je u tablici simbolom "H-".

Tabela 28.Valentne mogućnosti atoma vodonika

Valentno stanje				Primjeri hemikalija
			Ja 0 –I	HCl, H2O, H2S, NH3, CH4, C2H6, NH4Cl, H2SO4, NaHCO3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
				NaH, KH, CaH 2, BaH 2

c) Molekul vodonika

Dvoatomni molekul vodonika H 2 nastaje kada su atomi vodonika vezani jedinom kovalentnom vezom koja je za njih moguća. Veza se formira mehanizmom razmjene. Usput kako se oblaci elektrona preklapaju, ovo je s-veza (slika 10.1 i). Budući da su atomi isti, veza je nepolarna.

Međuatomska udaljenost (tačnije, ravnotežna međuatomska udaljenost, jer atomi vibriraju) u molekulu vodonika r(H - H) \u003d 0,74 A (slika 10.1 u), što je mnogo manje od zbroja radijusa orbite (1,06 A). Zbog toga se elektronski oblaci vezanih atoma duboko preklapaju (slika 10.1 b), a veza u molekulu vodika je jaka. O tome svjedoči prilično velika vrijednost energije vezivanja (454 kJ / mol).
Ako oblik molekule okarakteriziramo graničnom površinom (slično graničnoj površini elektronskog oblaka), tada možemo reći da molekula vodika ima oblik blago deformirane (izdužene) kugle (slika 10.1. r).

d) Vodik (supstanca)

U normalnim uvjetima vodonik je plin bez boje i mirisa. U malim količinama je netoksičan. Čvrsti vodonik se topi na 14 K (–259 ° C), a tečni vodonik ključa na 20 K (–253 ° C). Niske tačke topljenja i ključanja, vrlo mali temperaturni opseg za postojanje tečnog vodonika (samo 6 ° C), kao i niske vrednosti molarnih toplota fuzije (0,117 kJ / mol) i isparavanja (0,903 kJ / mol) ukazuju da su intermolekularne veze u vodoniku vrlo slabe.
Gustina vodonika r (H2) \u003d (2 g / mol) :( 22,4 l / mol) \u003d 0,0893 g / l. Za usporedbu: prosječna gustina zraka je 1,29 g / l. Odnosno, vodonik je 14,5 puta lakši od vazduha. Praktično je netopiv u vodi.
Na sobnoj temperaturi vodonik je neaktivan, ali zagrijavajući reagira s mnogim tvarima. U tim reakcijama atomi vodonika mogu i povećati i smanjiti svoje oksidaciono stanje: N 2 + 2 e - \u003d 2N -I, N2 - 2 e - \u003d 2H + I.
U prvom slučaju, vodonik je oksidirajuće sredstvo, na primjer, u reakcijama sa natrijumom ili kalcijumom: 2Na + H2 \u003d 2NaH, ( t) Ca + H2 \u003d CaH2. ( t)
Ali redukciona svojstva vodonika su karakterističnija: O 2 + 2H 2 \u003d 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 \u003d Cu + H 2 O. ( t)
Kada se zagrije, vodonik oksidira ne samo kiseonik, već i neki drugi nemetali, na primjer, fluor, klor, sumpor, pa čak i azot.
Kao rezultat reakcije u laboratoriju se dobija vodik

Zn + H2SO4 \u003d ZnSO4 + H2.

Umjesto cinka mogu se koristiti željezo, aluminijum i neki drugi metali, a umjesto sumporne kiseline neke druge razrijeđene kiseline. Rezultirajući vodonik se sakuplja u epruveti istiskivanjem vode (vidi sliku 10.2 b) ili jednostavno u obrnutu tikvicu (slika 10.2 i).

U industriji se vodonik u velikim količinama dobija iz prirodnog plina (uglavnom metana) interakcijom s vodenom parom na 800 ° C u prisustvu nikal katalizatora:

CH 4 + 2H 2 O \u003d 4H 2 + CO 2 ( t, Ni)

ili se ugljen obrađuje na visokoj temperaturi vodenom parom:

2H 2 O + C \u003d 2H 2 + CO 2. ( t)

Čisti vodonik se dobija iz vode razlaganjem električne struje (izlaganjem elektrolizi):

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 (elektroliza).

e) Jedinjenja vodonika

Hidridi (binarni spojevi koji sadrže vodonik) podijeljeni su u dvije glavne vrste:
a) hlapljiv (molekularni) hidridi,
b) solni (jonski) hidridi.
Elementi IVA - VIIA grupa i bor čine molekularne hidride. Od toga su stabilni samo hidridi elemenata koji tvore nemetale:

B 2 H 6; CH 4; NH 3; H 2 O; VF
SiH 4; PH 3; H 2 S; HCl
AsH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; Zdravo
Osim vode, svi ovi spojevi na sobnoj temperaturi su plinovite supstance, pa otuda i njihovo ime - „isparljivi hidridi“.
Neki od elemenata koji čine nemetale nalaze se i u složenijim hidridima. Na primjer, ugljenik tvori spojeve sa opštim formulama C n H 2 n+2, C n H 2 n , C n H 2 n–2 i drugi, gdje n mogu biti vrlo velike (ovi spojevi se proučavaju organskom hemijom).
Jonski hidridi uključuju hidride alkalijskih, zemnoalkalnih elemenata i magnezijuma. Kristali ovih hidrida sastoje se od H aniona i metalnih kationova u najvišem oksidacionom stanju Me ili Me 2 (ovisno o grupi sistema elemenata).

LiH
NaH	MgH 2
KH	CaH 2
RbH	SrH 2
CsH	BaH 2

I jonski i gotovo svi molekularni hidridi (osim H20 i HF) su redukciona sredstva, ali jonski hidridi pokazuju svojstva smanjenja mnogo jača od molekularnih.
Pored hidrida, vodonik je dio hidroksida i nekih soli. Sa svojstvima ovih složenijih vodoničnih spojeva upoznat ćete se u sljedećim poglavljima.
Glavni potrošači vodonika proizvedenog u industriji su postrojenja za proizvodnju amonijaka i azotnih gnojiva, gdje se amonijak dobija direktno iz azota i vodonika:

N 2 + 3H 2 2NH 3 ( R, t, Pt - katalizator).

U velikim količinama vodonik se koristi za dobivanje metilnog alkohola (metanola) reakcijom 2H 2 + CO \u003d CH 3 OH ( t, ZnO - katalizator), kao i u proizvodnji hlorovodonika, koji se dobija direktno iz klora i vodonika:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl.

Ponekad se vodonik koristi u metalurgiji kao redukciono sredstvo u proizvodnji čistih metala, na primjer: Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.

1. Koje su čestice jezgre a) protiv, b) deuterija, c) tricijuma?
2. Uporedite energiju jonizacije atoma vodonika sa energijom jonizacije atoma drugih elemenata. Koji je element vodonik najbliži po ovoj karakteristici?
3. Učinite isto za energiju afiniteta elektrona
4. Uporedite pravac polarizacije kovalentne veze i oksidaciono stanje vodonika u jedinjenjima: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; b) CH 4, SiH 4, GeH 4.
5. Zapišite najjednostavniju molekularnu, strukturnu i prostornu formulu vodika. Koji se najčešće koristi?
6. Često se kaže: "Vodonik je lakši od vazduha." Šta to znači? Kada se ovaj izraz može shvatiti doslovno, a kada ne?
7. Napravite strukturne formule kalijumovih i kalcijumovih hidrida, kao i amonijaka, vodonik-sulfida i vodonik-bromida.
8. Poznavajući molarne topline fuzije i isparavanja vodika, odredite vrijednosti odgovarajućih specifičnih veličina.
9. Za svaku od četiri reakcije koje ilustriraju osnovna kemijska svojstva vodika sastavite elektroničku vagu. Obratite pažnju na oksidanse i redukcione agense.
10. Odredite masu cinka koja je potrebna da se laboratorijski dobije 4,48 litara vodonika.
11. Odredite masu i zapreminu vodonika koji se mogu dobiti iz 30 m 3 smeše metana i vodene pare, uzete u zapreminskom omjeru 1: 2, sa prinosom od 80%.
12. Sastavite jednadžbe reakcija koje se javljaju u interakciji vodonika a) sa fluorom, b) sa sumporom.
13. Sljedeće sheme reakcija ilustriraju glavna hemijska svojstva jonskih hidrida:

a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H2O MOH + H2; d) MH + HCl (p) MC1 + H2
Ovdje je M litij, natrij, kalij, rubidij ili cezij. Napišite jednadžbe odgovarajućih reakcija u slučaju da je M natrij. Ilustrirajte hemijska svojstva kalcijum-hidrida jednadžbama reakcija.
14. Koristeći metodu elektronske ravnoteže, konstruirajte jednadžbe sljedećih reakcija, ilustrirajući redukcijska svojstva nekih molekularnih hidrida:
a) HI + Cl2 HCl + I2 ( t); b) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( t); c) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( t).

10.2 Kiseonik

Kao i u slučaju vodika, riječ "kisik" naziv je i kemijskog elementa i jednostavne supstance. Pored jednostavne supstance " kiseonik "(dioksigen) hemijski element kiseonik tvori još jednu jednostavnu supstancu koja se naziva " ozon "(trioksigen). To su alotropne modifikacije kisika. Supstanca kisik sastoji se od molekula kisika O 2, a supstanca ozon sastoji se od molekula ozona O 3.

a) Hemijski element kiseonik

U prirodnom nizu elemenata, redni broj kisika je 8. U sistemu elemenata, kisik je u drugom periodu u grupi VIA.
Kiseonik je najzastupljeniji element na Zemlji. U zemljinoj kori svaki drugi atom je atom kisika, odnosno molarni udio kisika u atmosferi, hidrosferi i litosferi Zemlje iznosi oko 50%. Kiseonik (tvar) je sastavni dio zraka. Zapreminski udio kisika u zraku iznosi 21%. Kiseonik (element) je dio vode, mnogih minerala, kao i biljaka i životinja. Ljudsko tijelo sadrži u prosjeku 43 kg kiseonika.
Prirodni kiseonik sastoji se od tri izotopa (16 O, 17 O i 18 O), od kojih je najlakši izotop 16 O, pa je atomska masa kiseonika blizu 16 D (15,9994 D).

b) atom kiseonika

Znate sljedeće karakteristike atoma kiseonika.

Tabela 29. Valensija atoma kiseonika

Valentno stanje				Primjeri hemikalija
				Al 2 O 3, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3 *
			–II –I 0 + I + II	H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 O 2 ** O 2 F 2 OD 2
				NaOH, KOH, Ca (OH) 2, Ba (OH) 2 Na 2 O 2, K 2 O 2, CaO 2, BaO 2
				Li 2 O, Na 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, La 2 O 3

* Ovi se oksidi mogu smatrati i jonskim spojevima.
** Atomi kiseonika u molekulu nisu u datom valentnom stanju; ovo je samo primjer supstance sa oksidacionim stanjem atoma kiseonika jednakim nuli
Visoka energija jonizacije (poput vodonika) isključuje stvaranje jednostavnog kationa iz atoma kiseonika. Energija afiniteta elektrona je prilično visoka (gotovo dvostruko veća od energije vodonika), što atomu kiseonika pruža veću tendenciju da veže elektrone i sposobnost stvaranja O2A aniona. Ali energija afiniteta elektrona prema atomu kiseonika i dalje je niža od energije atoma halogena, pa čak i drugih elemenata grupe VIA. Prema tome, anjoni kiseonika ( oksidni joni) postoje samo u spojevima kiseonika sa elementima čiji atomi vrlo lako doniraju elektrone.
Dijeljenjem dva nesparena elektrona, atom kisika može stvoriti dvije kovalentne veze. Zbog nemogućnosti pobude, dva usamljena para elektrona mogu stupiti u interakciju samo donor-akceptor. Dakle, ne uzimajući u obzir višestrukost veze i hibridizaciju, atom kisika može biti u jednom od pet valentnih stanja (Tabela 29).
Najkarakterističnije za atom kisika je valentno stanje sa W k \u003d 2, odnosno stvaranje dvije kovalentne veze uslijed dva nesparena elektrona.
Veoma visoka elektronegativnost atoma kiseonika (veća - samo za fluor) dovodi do činjenice da u većini njegovih spojeva kiseonik ima oksidaciono stanje –II. Postoje supstance u kojima kisik pokazuje druge vrijednosti oksidacijskog stanja, od kojih su neke prikazane u Tabeli 29 kao primjeri, a usporedna stabilnost prikazana je na Sl. 10.3.

c) Molekul kiseonika

Eksperimentalno je utvrđeno da dvoatomska molekula kisika O 2 sadrži dva nesparena elektrona. Koristeći metodu valentnih veza, takva elektronička struktura ovog molekula ne može se objasniti. Ipak, veza u molekuli kiseonika po svojstvima je bliska kovalentnoj. Molekul kisika je nepolaran. Međuatomska udaljenost ( r o - o \u003d 1,21 A \u003d 121 nm) manja je od udaljenosti između atoma povezanih jednostavnom vezom. Molarna energija vezivanja je prilično visoka i iznosi 498 kJ / mol.

d) Kiseonik (supstanca)

U normalnim uvjetima kiseonik je plin bez boje i mirisa. Čvrsti kiseonik se topi na 55 K (–218 ° C), a tečni kiseonik kipi na 90 K (–183 ° C).
Intermolekularne veze u čvrstom i tečnom kiseoniku nešto su jače nego u vodoniku, što dokazuje širi temperaturni opseg za postojanje tečnog kiseonika (36 ° C) i veće molarne toplote fuzije (0,446 kJ / mol) i isparavanja (6, 83 kJ / mol).
Kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi: na 0 ° C, samo 5 zapremina kiseonika (gas!) Rastvara se u 100 zapremina vode (tečnost!).
Velika tendencija atoma kiseonika da vežu elektrone i velika elektronegativnost dovode do činjenice da kiseonik pokazuje samo oksidaciona svojstva. Ova svojstva su posebno izražena pri visokim temperaturama.
Kiseonik reaguje sa mnogim metalima: 2Ca + O2 \u003d 2CaO, 3Fe + 2O2 \u003d Fe 3 O 4 ( t);
nemetali: C + O 2 \u003d CO 2, P 4 + 5O 2 \u003d P 4 O 10,
i složene supstance: CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 \u003d 2H 2 O + 2SO 2.

Kao rezultat takvih reakcija najčešće se dobijaju različiti oksidi (vidi poglavlje II § 5), ali aktivni alkalni metali, na primjer natrijum, sagorijevanjem se pretvaraju u perokside:

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2.

Strukturna formula nastalog natrijum-peroksida (Na) 2 (O-O).
Trepereće iverje smješteno u kisiku plamti. To je prikladan i lak način za otkrivanje čistog kisika.
U industriji se kiseonik dobija iz zraka rektifikacijom (složena destilacija), a u laboratoriji podvrgavanjem nekih spojeva koji sadrže kiseonik termičkoj razgradnji, na primjer:
2KMnO 4 \u003d K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 ° C);
2KClO 3 \u003d 2KCl + 3O 2 (150 ° C, MnO 2 - katalizator);
2KNO 3 \u003d 2KNO 2 + 3O 2 (400 ° C)
i, pored toga, katalitičkim raspadanjem vodonik-peroksida na sobnoj temperaturi: 2H 2 O 2 \u003d 2 H 2 O + O 2 (MnO 2 -katalizator).
Čisti kiseonik koristi se u industriji da pojača one procese u kojima dolazi do oksidacije i da stvori plamen visoke temperature. U raketarstvu se tečni kiseonik koristi kao oksidans.
Kiseonik je od velike važnosti za održavanje života biljaka, životinja i ljudi. U normalnim uvjetima osoba ima dovoljno kiseonika za disanje. Ali u uvjetima kada nema dovoljno zraka ili ga uopće nema (u avionima, za vrijeme ronjenja, u svemirskim brodovima itd.), Za disanje se pripremaju posebne mješavine plina koje sadrže kisik. Kiseonik se koristi i u medicini kod bolesti koje uzrokuju poteškoće u disanju.

e) Ozon i njegovi molekuli

Ozon O 3 je druga alotropska modifikacija kisika.
Triatomska molekula ozona ima kutnu strukturu između dvije strukture, predstavljenu sljedećim formulama:

Ozon je tamnoplavi plin oštrog mirisa. Zbog svoje jake oksidativne aktivnosti otrovna je. Ozon je jedan i po puta „teži“ od kisika i nešto više od kisika, otopit ćemo se u vodi.
Ozon se stvara u atmosferi od kiseonika tokom električnog pražnjenja groma:

3O 2 \u003d 2O 3 ().

Pri normalnim temperaturama, ozon se polako pretvara u kisik, a kada se zagrije, taj se proces odvija eksplozijom.
Ozon je sadržan u takozvanom "ozonskom omotaču" zemljine atmosfere, štiteći čitav život na zemlji od štetnih efekata sunčevog zračenja.
U nekim se gradovima ozon koristi umjesto klora za dezinfekciju (dezinfekciju) vode za piće.

Nacrtajte strukturne formule sljedećih supstanci: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba (OH) 2. Navedi ove supstance. Opišite valentna stanja atoma kiseonika u tim spojevima.
Odredite valentno i oksidaciono stanje svakog od atoma kiseonika.
2. Napravite jednadžbe reakcija sagorijevanja u kiseoniku litijuma, magnezijuma, aluminijuma, silicijuma, crvenog fosfora i selena (atomi selena oksidiraju se u oksidacijsko stanje + IV, atomi ostalih elemenata - u najviše oksidacijsko stanje). Koje klase oksida su proizvodi ovih reakcija?
3. Koliko litara ozona se može dobiti (u normalnim uslovima) a) iz 9 litara kiseonika, b) iz 8 g kiseonika?

Voda je najzastupljenija supstanca u zemljinoj kori. Masa zemljine vode procjenjuje se na 10 18 tona. Voda je osnova hidrosfere naše planete, osim toga, sadržana je u atmosferi, u obliku leda formira polarne kape Zemlje i alpskih ledenjaka, a takođe je i dio različitih stijena. Masovni udio vode u ljudskom tijelu je oko 70%.
Voda je jedina supstanca koja u sva tri agregacijska stanja ima svoja posebna imena.

Elektronska struktura molekula vode (slika 10.4 i) detaljno smo proučavali ranije (vidi § 7.10).
Zbog polariteta O - H veza i uglastog oblika, molekul vode je električni dipol.

Za karakterizaciju polariteta električnog dipola koristi se fizička veličina, nazvana " električni moment električnog dipola "ili jednostavno " dipolni trenutak ".

U hemiji se dipolni trenutak mjeri u debajima: 1 D \u003d 3,34. 10-30 Kl. m

U molekulu vode postoje dvije polarne kovalentne veze, odnosno dva električna dipola, od kojih svaki ima svoj dipolni moment (i). Ukupan dipolni moment molekule jednak je vektorskom zbiru ova dva momenta (slika 10.5):

(H20) \u003d ,

gde q 1 i q 2 - djelomična naboja (+) na atomima vodika i - međuatomska rastojanja O - H u molekuli. Jer q 1 = q 2 = q, a, onda

Eksperimentalno utvrđeni dipolni momenti molekule vode i nekih drugih molekula dati su u tablici.

Tabela 30.Dipolni momenti nekih polarnih molekula

Molekula		Molekula		Molekula

S obzirom na dipolnu prirodu molekule vode, često se shematski prikazuje na sljedeći način:
Čista voda je bezbojna tečnost, bez okusa i mirisa. Neke od glavnih fizičkih karakteristika vode date su u tablici.

Tabela 31.Neke fizičke karakteristike vode

Velike vrijednosti molarnih toplina fuzije i isparavanja (red veličine veći od vodonika i kiseonika) ukazuju da su molekuli vode, kako u čvrstoj, tako i u tečnoj materiji, prilično čvrsto povezani. Te veze se nazivaju " vodonične veze ".

ELEKTRIČNI DIPOL, TRENUTAK DIPOLA, VEZNI POLARITET, POLARITET MOLEKULA.
Koliko valentnih elektrona atoma kiseonika učestvuje u stvaranju veza u molekulu vode?
2.Kojim se orbitalama preklapaju veze koje nastaju između vodonika i kiseonika u molekuli vode?
3. Napravite dijagram stvaranja veza u molekulu vodonik-peroksida H 2 O 2. Šta možete reći o prostornoj strukturi ovog molekula?
4. Međuatomske udaljenosti u molekulama HF, HCl i HBr iznose 0,92; 1.28 i 1.41. Koristeći tablicu dipolnih momenata, izračunajte i uporedite djelomične naboje na atomima vodika u tim molekulama.
5. Međuatomske udaljenosti S - H u molekuli sumporovodika su 1,34, a kut između veza je 92 °. Odredite vrijednosti djelomičnih naboja na atomima sumpora i vodonika. Šta možete reći o hibridizaciji valentnih orbitala atoma sumpora?

10.4. Vodikova veza

Kao što već znate, zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodonika i kiseonika (2,10 i 3,50), atom vodonika u molekuli vode ima veliki pozitivni parcijalni naboj ( q h \u003d 0,33 e), a atom kisika ima još veći negativni parcijalni naboj ( q h \u003d -0,66 e). Podsjetimo također da atom kisika ima dva usamljena para elektrona po sp 3-hibridni AO. Atom vodonika jedne molekule vode privlači atom kiseonika druge molekule, a uz to poluprazni 1s-AO atoma vodonika djelomično prihvaća par elektrona atoma kiseonika. Kao rezultat ovih interakcija između molekula nastaje posebna vrsta intermolekularnih veza - vodonična veza.
U slučaju vode, vodonična veza može se shematski predstaviti na sljedeći način:

U posljednjoj strukturnoj formuli, tri tačke (isprekidana linija, a ne elektroni!) Prikazuju vodoničnu vezu.

Vodonična veza postoji ne samo između molekula vode. Formira se ako su ispunjena dva uslova:
1) molekula ima jako polarnu N - E vezu (E je simbol atoma dovoljno elektronegativnog elementa),
2) molekul sadrži atom E sa velikim negativnim parcijalnim nabojem i usamljenim parom elektrona.
Element E može biti fluor, kiseonik i azot. Vodikove veze su mnogo slabije ako je E hlor ili sumpor.
Primjeri supstanci sa vodoničnom vezom između molekula: fluorovodik, čvrsti ili tečni amonijak, etilni alkohol i mnoge druge.

U tečnom fluorovodoniku, njegovi molekuli su povezani vodikovim vezama u prilično dugim lancima, a trodimenzionalne mreže nastaju u tečnom i čvrstom amonijaku.
Što se tiče čvrstoće, vodonična veza je posredna između hemijske veze i drugih vrsta intermolekularnih veza. Molarna energija vodonične veze obično se kreće od 5 do 50 kJ / mol.
U čvrstoj vodi (to jest u kristalima leda) svi atomi vodonika su vezani vodikom za atome kiseonika, pri čemu svaki atom kiseonika formira dvije vodonične veze (koristeći oba usamljena para elektrona). Ova struktura čini led "labavijim" u poređenju sa tečnom vodom, gde se neke vodonične veze prekidaju, a molekuli se mogu "gušće" spakirati. Ova karakteristika strukture leda objašnjava zašto, za razliku od većine drugih supstanci, voda u čvrstom stanju ima manju gustoću nego u tečnom stanju. Voda dostiže svoju maksimalnu gustinu na 4 ° C - pri ovoj temperaturi puca puno vodikovih veza, a toplotna ekspanzija nema jako jak uticaj na gustinu.
Vodikove veze su vrlo važne u našem životu. Zamislimo na trenutak da su vodonične veze prestale da se stvaraju. Evo nekoliko posljedica:

• voda na sobnoj temperaturi postala bi plinovita, jer bi joj tačka ključanja pala na oko –80 ° C;
• svi bi se rezervoari smrzavali s dna, jer bi gustina leda bila veća od gustine tečne vode;
• dvostruka spirala DNA prestala bi postojati i još mnogo više.

Navedeni primjeri dovoljni su da se shvati da bi u ovom slučaju priroda na našoj planeti postala potpuno drugačija.

HIDROGENNO VEZOVANJE, USLOVI NJEGOVOG OBLIKOVANJA.
Formula etilnog alkohola je CH 3 –CH 2 –O - H. Između kojih atoma različitih molekula ove supstance nastaju vodonične veze? Sastavite strukturne formule kako biste ilustrirali njihovo formiranje.
2. Vodikove veze postoje ne samo u pojedinačnim supstancama, već i u rastvorima. Pokazati uz pomoć strukturnih formula kako se stvaraju vodonične veze u vodenoj otopini a) amonijaka, b) vodonik-fluorida, c) etanola (etilnog alkohola). \u003d 2H 2 O.
Obje ove reakcije događaju se u vodi stalno i jednakom brzinom, stoga u vodi postoji ravnoteža: 2H 2 O AH 3 O + OH.
Ova ravnoteža se naziva ravnotežna autoprotolizavode.

Izravna reakcija ovog reverzibilnog procesa je endotermna, stoga se zagrijavanjem pojačava autoprotoliza, ali na sobnoj temperaturi ravnoteža se pomiče ulijevo, odnosno koncentracija jona H 3 O i OH je zanemariva. Čemu su jednaki?
Prema zakonu glumačkih masa

Ali s obzirom na činjenicu da je broj reagiranih molekula vode beznačajan u odnosu na ukupan broj molekula vode, može se pretpostaviti da se koncentracija vode tijekom autoprotolize praktično ne mijenja, a 2 \u003d const Ovako niska koncentracija suprotno nabijenih jona u čistoj vodi objašnjava zašto ova tečnost, iako slabo, ipak provodi električnu struju.

AUTOPROTOLIZA VODE, SADRŽAJ AUTOPROTOLIZE (IONSKI PROIZVOD) VODE.
Jonski proizvod tečnog amonijaka (tačka ključanja –33 ° C) je 2 · 10 –28. Napravite jednadžbu za autoprotolizu amonijaka. Odredite koncentraciju amonijevih jona u čistom tečnom amonijaku. Koja je od supstanci provodljivija, voda ili tečni amonijak?

1. Dobivanje vodonika i njegovo sagorevanje (redukciona svojstva).
2. Dobijanje kiseonika i sagorevanje supstanci u njemu (oksidaciona svojstva).

Postoje stvari u našem svakodnevnom životu koje su toliko česte da gotovo svi znaju za njih. Na primjer, svi znaju da je voda tečnost, lako je dostupna i ne gori, stoga može ugasiti vatru. Ali da li ste se ikad zapitali zašto je to tako?

Izvor slike: pixabay.com

Voda se sastoji od atoma vodonika i kiseonika. Oba ova elementa podržavaju sagorijevanje. Dakle, na osnovu opće logike (koja nije naučna), proizlazi da i voda mora gorjeti, zar ne? Međutim, to se ne događa.

Kada dolazi do sagorevanja?

Sagorijevanje je kemijski proces u kojem se molekuli i atomi kombiniraju kako bi oslobodili energiju u obliku topline i svjetlosti. Da biste nešto sagorjeli, potrebne su vam dvije stvari - gorivo kao izvor sagorijevanja (na primjer, list papira, komad drveta itd.) I oksidans (glavni oksidans je kiseonik u zemljinoj atmosferi). Potrebna nam je i toplina potrebna da dostigne temperaturu paljenja supstance kako bi započeo proces sagorijevanja.

Izvor slike auclip.ru

Na primjer, razmotrite postupak sagorijevanja papira pomoću šibica. U tom će slučaju gorivo biti papir, plinoviti kisik sadržan u zraku djelovat će kao oksidirajuće sredstvo, a temperatura paljenja postići će se zbog goruće šibice.

Struktura hemijskog sastava vode

Izvor slike: water-service.com.ua

Voda se sastoji od dva atoma vodonika i jednog atoma kiseonika. Njegova hemijska formula je H2O. Sada je zanimljivo primijetiti da su dva sastojka vode zaista zapaljiva.

Zašto je vodonik zapaljiva supstanca?

Atomi vodika imaju samo jedan elektron i stoga se lako vezuju za ostale elemente. Vodik se u pravilu prirodno javlja u obliku plina čiji se molekuli sastoje od dva atoma. Ovaj gas je visoko reaktivan i brzo oksidira u prisustvu oksidacionog sredstva, čineći ga zapaljivim.

Izvor slike: myshared.ru

Kada vodonik sagori, oslobađa se velika količina energije, pa se često koristi u tečnom obliku za lansiranje svemirskih letjelica u svemir.

Kiseonik podržava sagorijevanje

Kao što je ranije spomenuto, za svako sagorijevanje potreban je oksidirajući agens. Postoje mnogi hemijski oksidanti, uključujući kiseonik, ozon, vodonik-peroksid, fluor itd. Kiseonik je glavni oksidans koji se nalazi u prekomjernoj količini u Zemljinoj atmosferi. Općenito je glavno oksidirajuće sredstvo u većini požara. Zbog toga je za održavanje vatre potrebna stalna opskrba kiseonikom.

Voda gasi vatru

Voda može ugasiti vatru iz više razloga, od kojih je jedan taj što je nezapaljiva tečnost, iako se sastoji od dva elementa koji mogu odvojeno stvoriti vatreni pakao.

Voda je najčešće sredstvo za gašenje požara. Izvor slike: pixabay.com

Kao što smo ranije rekli, vodonik je lako zapaljiv, potrebni su samo oksidanti i temperatura paljenja da bi reakcija započela. Budući da je kiseonik najzastupljenije oksidirajuće sredstvo na Zemlji, brzo se kombinira s atomima vodonika, oslobađajući velike količine svjetlosti i toplote, stvarajući tako molekule vode. Evo kako to funkcionira:

Imajte na umu da je smjesa vodika s malom zapreminom kisika ili zraka eksplozivna i naziva se plinom oksihidrogenom, izuzetno brzo sagorijeva glasnim pucanjem, što se doživljava kao eksplozija. Katastrofa zračnog broda Hindenburg 1937. godine u New Jerseyu odnijela je desetine života uslijed sagorijevanja vodonika koji je ispunio ljusku zračnog broda. Zapaljivost vodonika i njegova eksplozivnost u kombinaciji s kisikom glavni su razlog zašto vodu ne dobivamo kemijski u laboratorijama.