Vodonik. Fizička i hemijska svojstva, račun. Hemija organska jednadžba vodonika i kisika

10.1 Vodonik

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

a) Hemijski element vodonik

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

Vodonik je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Molarni udio atoma vodika u atmosferi, hidrosferi i litosferi Zemlje (sve zajedno se zove zemljina kora) je 0,17. Nalazi se u vodi, mnogim mineralima, nafti, prirodnom gasu, biljkama i životinjama. Ljudsko tijelo u prosjeku sadrži oko 7 kilograma vodonika.

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

Tricij je nestabilan (radioaktivan) izotop, stoga se praktički ne pojavljuje u prirodi. Deuterijum je stabilan, ali ga ima vrlo malo: w D = 0,015% (od mase svih zemaljskih vodonika). Stoga se atomska masa vodonika vrlo malo razlikuje od 1 D (1,00794 D).

b) Atom vodonika

Iz prethodnih dijelova kursa hemije, već znate sljedeće karakteristike atoma vodika:

Valentne sposobnosti atoma vodika određene su prisustvom jednog elektrona u jednoj valentnoj orbitali. Visoka energija jonizacije čini da atom vodika nije skloni da odustane od elektrona, a ne previsoka energija afiniteta za elektron dovodi do blage tendencije da ga prihvati. Shodno tome, u hemijskim sistemima formiranje H katjona je nemoguće, a jedinjenja sa H anjonom nisu baš stabilna. Dakle, za atom vodika najkarakterističnije je stvaranje kovalentne veze sa drugim atomima zbog njegovog jednog nesparenog elektrona. I u slučaju stvaranja anjona, iu slučaju stvaranja kovalentne veze, atom vodika je jednovalentan.
U jednostavnoj tvari, oksidacijsko stanje atoma vodika je nula, u većini spojeva vodik pokazuje oksidacijsko stanje + I, a samo u hidridima najmanje elektronegativnih elemenata vodika ima oksidacijsko stanje -I.
Informacije o valentnim sposobnostima atoma vodika date su u tabeli 28. Valentno stanje atoma vodika vezanog jednom kovalentnom vezom za bilo koji atom je u tabeli označeno simbolom "H-".

Tabela 28.Valentne sposobnosti atoma vodika

Valentno stanje		Primjeri hemikalija
	I 0 –I	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
		NaH, KH, CaH 2, BaH 2

c) Molekul vodonika

Dvoatomska molekula vodika H 2 nastaje kada su atomi vodika vezani jedinom kovalentnom vezom koja je za njih moguća. Veza se formira mehanizmom razmjene. Po načinu na koji se elektronski oblaci preklapaju, ovo je s-veza (Sl.10.1 a). Pošto su atomi isti, veza je nepolarna.

Međuatomska udaljenost (tačnije, ravnotežna međuatomska udaljenost, jer atomi vibriraju) u molekuli vodika r(H – H) = 0,74 A (sl.10.1 v), što je mnogo manje od zbira orbitalnih radijusa (1,06 A). Posljedično, elektronski oblaci vezanih atoma se duboko preklapaju (Sl.10.1 b), a veza u molekulu vodonika je jaka. O tome svjedoči i prilično velika vrijednost energije vezivanja (454 kJ/mol).
Ako oblik molekule karakterišemo graničnom površinom (slično graničnoj površini elektronskog oblaka), onda možemo reći da molekula vodika ima oblik blago deformisane (izdužene) sfere (Sl.10.1 G).

d) Vodonik (supstanca)

U normalnim uslovima, vodonik je gas bez boje i mirisa. U malim količinama nije toksičan. 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 raspon za postojanje tekućeg vodika (samo 6°C), kao i male vrijednosti molarne topline fuzije (0,117 kJ/mol) i isparavanja (0,903 kJ/mol) ) pokazuju da su međumolekularne veze u vodoniku vrlo slabe.
Gustina vodonika r (H 2) = (2 g/mol) :( 22,4 l/mol) = 0,0893 g/l. Za poređenje: prosječna gustina zraka je 1,29 g/l. Odnosno, vodonik je 14,5 puta lakši od vazduha. Praktično je nerastvorljiv u vodi.
Na sobnoj temperaturi vodonik je neaktivan, ali kada se zagrije, reagira s mnogim tvarima. U ovim reakcijama, atomi vodika mogu povećati i smanjiti svoje oksidacijsko stanje: N 2 + 2 e- = 2N -I, N 2 - 2 e- = 2H + I.
U prvom slučaju, vodik je oksidant, na primjer, u reakcijama s natrijem ili kalcijem: 2Na + H2 = 2NaH, ( t) Ca + H 2 = CaH 2. ( t)
Ali redukciona svojstva vodika su karakterističnija: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( t)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O. ( t)
Kada se zagrije, vodik se oksidira ne samo kisikom, već i nekim drugim nemetalima, na primjer, fluorom, klorom, sumporom, pa čak i dušikom.
U laboratoriji se kao rezultat reakcije dobiva vodik

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

Umjesto cinka mogu se koristiti željezo, aluminij i neki drugi metali, a umjesto sumporne kiseline mogu se koristiti i neke druge razrijeđene kiseline. Dobijeni vodonik se sakuplja u epruveti metodom istiskivanja vode (vidi Sl.10.2. b) ili jednostavno u obrnutu tikvicu (sl.10.2 a).

U industriji se vodik u velikim količinama dobiva iz prirodnog plina (uglavnom metana) njegovom interakcijom s vodenom parom na 800 ° C u prisustvu nikalnog katalizatora:

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

ili se ugalj tretira vodenom parom na visokoj temperaturi:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( t)

Čisti vodik se dobija iz vode razlaganjem električnom strujom (podvrgavanjem elektrolizi):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (elektroliza).

e) Jedinjenja vodonika

Hidridi (binarna jedinjenja koja sadrže vodonik) dijele se u dva glavna tipa:
a) nestalan (molekularni) hidridi,
b) soli slični (jonski) hidridi.
Elementi IVA - VIIA grupa i bor formiraju molekularne hidride. Od njih su stabilni samo hidridi elemenata koji formiraju nemetale:

B 2 H 6, CH 4; NH 3; H 2 O; HF
SiH 4;PH 3; H 2 S; HCl
ASH 3; H 2 Se; HBr
H 2 Te; HI
Sa izuzetkom vode, sva ova jedinjenja su gasovite supstance na sobnoj temperaturi, pa otuda i njihov naziv - "isparljivi hidridi".
Neki od elemenata koji formiraju nemetale nalaze se i u složenijim hidridima. Na primjer, ugljik formira spojeve s općim formulama C n H 2 n+2, C n H 2 n, C n H 2 n–2 i drugi, gdje n može biti veoma velika (ova jedinjenja proučava organska hemija).
Jonski hidridi uključuju hidride alkalnih, zemnoalkalnih elemenata i magnezijuma. Kristali ovih hidrida sastoje se od H anjona i metalnih katjona u najvišem oksidacionom stanju Me ili Me 2 (u zavisnosti od grupe sistema elemenata).

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

I jonski i skoro svi molekularni hidridi (osim H 2 O i HF) su redukcioni agensi, ali ionski hidridi pokazuju redukciona svojstva mnogo jača od molekularnih.
Pored hidrida, vodonik je dio hidroksida i nekih soli. U narednim poglavljima ćete se upoznati sa svojstvima ovih složenijih jedinjenja vodonika.
Glavni potrošači vodonika koji se proizvodi u industriji su postrojenja za proizvodnju amonijaka i dušičnih gnojiva, gdje se amonijak dobiva direktno iz dušika i vodika:

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

U velikim količinama vodik se koristi za dobijanje metil alkohola (metanola) reakcijom 2H 2 + CO = CH 3 OH ( t, ZnO - katalizator), kao i u proizvodnji hlorovodonika koji se dobija direktno iz hlora i vodonika:

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

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

1. Koje su čestice jezgra a) protijuma, b) deuterijuma, c) tricijuma?
2.Uporedi energiju jonizacije atoma vodika sa energijom jonizacije atoma drugih elemenata. Prema ovoj karakteristici, koji element je najbliži vodoniku?
3. Uradite isto za energiju afiniteta elektrona
4. Uporedite smer 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 vodonika. 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 kalijum i kalcijum hidrida, kao i amonijaka, vodonik sulfida i bromovodonika.
8. Poznavajući molarne toplote fuzije i isparavanja vodonika, odredite vrednosti odgovarajućih specifičnih količina.
9. Za svaku od četiri reakcije koje ilustruju glavnu Hemijska svojstva vodonik, čine elektronsku vagu. Obratite pažnju na oksidanse i redukcione agense.
10. Odredite masu cinka potrebnu za dobijanje 4,48 litara vodonika u laboratoriji.
11. Odrediti masu i zapreminu vodonika koji se može dobiti iz 30 m 3 mješavine metana i vodene pare, uzetih u volumnom omjeru 1:2, sa prinosom od 80%.
12. Sastaviti jednačine reakcija koje se javljaju u interakciji vodonika a) sa fluorom, b) sa sumporom.
13. Sljedeće šeme reakcija ilustruju glavna hemijska svojstva ionskih hidrida:

a) MH + O 2 MOH ( t); b) MH + Cl 2 MCl + HCl ( t);
c) MH + H 2 O MOH + H 2; d) MH + HCl (p) MCl + H 2
Ovdje je M litijum, natrijum, kalijum, rubidijum ili cezijum. Napišite jednadžbe odgovarajućih reakcija ako je M natrijum. Ilustrirajte hemijska svojstva kalcijum hidrida sa jednadžbama reakcije.
14. Koristeći metodu elektronske ravnoteže, konstruirajte jednadžbe za sljedeće reakcije kako biste ilustrirali redukciona svojstva nekih molekularnih hidrida:
a) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( 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 kod vodonika, riječ "kiseonik" je naziv i hemijskog elementa i jednostavne supstance. Pored jednostavne supstance" kiseonik"(dioksigen) hemijski element kiseonik formira još jednu jednostavnu supstancu zvanu " ozon"(trioksigen). Ovo su alotropske modifikacije kiseonika. Supstanca kiseonik se sastoji od molekula kiseonika O 2, a supstanca ozon se sastoji od molekula ozona O 3.

a) Hemijski element kiseonik

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

b) Atom kiseonika

Poznate su vam sljedeće karakteristike atoma kisika.

Tabela 29.Valencija 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 oksidi se takođe mogu smatrati jonskim jedinjenjima.
** Atomi kiseonika u molekulu nisu u datom valentnom stanju; ovo je samo primjer tvari s oksidacijskim stanjem atoma kisika jednakim nuli
Visoka energija ionizacije (poput vodika) isključuje stvaranje jednostavnog kationa iz atoma kisika. Energija afiniteta elektrona je prilično visoka (skoro dvostruko veća od vodonika), što obezbjeđuje veću sklonost atomu kisika da veže elektrone i sposobnost formiranja O 2A anjona. Ali energija afiniteta za elektron atoma kisika je još uvijek manja od energije atoma halogena, pa čak i drugih elemenata grupe VIA. Stoga, anjoni kiseonika ( oksidni joni) postoje samo u spojevima kiseonika sa elementima, čiji atomi vrlo lako daju elektrone.
Druženjem dva nesparena elektrona, atom kiseonika može formirati dve kovalentne veze. Zbog nemogućnosti pobude, dva usamljena para elektrona mogu ući samo u interakciju donor-akceptor. Dakle, bez uzimanja u obzir mnogostrukosti veze i hibridizacije, atom kiseonika može biti u jednom od pet valentnih stanja (tabela 29).
Najkarakterističnije za atom kiseonika je valentno stanje sa W k = 2, odnosno formiranje dvije kovalentne veze zbog dva nesparena elektrona.
Vrlo visoka elektronegativnost atoma kisika (veća - samo za fluor) dovodi do činjenice da u većini njegovih spojeva kisik ima oksidacijsko stanje -II. Postoje tvari u kojima kisik pokazuje druge vrijednosti oksidacijskog stanja, od kojih su neke prikazane u tabeli 29 kao primjeri, a komparativna stabilnost je prikazana na sl. 10.3.

c) Molekul kiseonika

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

d) Kiseonik (supstanca)

U normalnim uslovima kiseonik je gas bez boje i mirisa. Čvrsti kiseonik se topi na 55 K (–218 °C), a tečni kiseonik ključa na 90 K (–183 °C).
Međumolekularne veze u čvrstom i tekućem kisiku nešto su jače nego u vodiku, o čemu svjedoči širi temperaturni raspon za postojanje tekućeg kisika (36°C) i veći od vodonika, molarne topline fuzije (0,446 kJ/mol) i isparavanje (6,83 kJ/mol).
Kiseonik je slabo rastvorljiv u vodi: na 0°C, samo 5 zapremina kiseonika (gas!) rastvori se u 100 zapremina vode (tečnost!).
Velika sklonost atoma kisika da vežu elektrone i visoka elektronegativnost dovode do činjenice da kisik pokazuje samo oksidirajuća svojstva. Ova svojstva posebno dolaze do izražaja pri visokim temperaturama.
Kiseonik reaguje sa mnogim metalima: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( t);
nemetali: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
i složene supstance: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2.

Najčešće, kao rezultat takvih reakcija, dobijaju se različiti oksidi (videti Poglavlje II § 5), ali aktivni alkalni metali, na primer natrijum, se sagorevanjem pretvaraju u perokside:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

Strukturna formula rezultirajućeg natrijum peroksida (Na) 2 (O-O).
Tinjajući iver, stavljen u kiseonik, bukti. To je zgodan i lak način za detekciju čistog kiseonika.
U industriji se kisik dobiva iz zraka rektificiranjem (kompleksnom destilacijom), au laboratoriji termičkom razgradnjom nekih spojeva koji sadrže kisik, na primjer:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 °C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 - katalizator);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °C)
i, pored toga, katalitičkim razlaganjem vodikovog peroksida na sobnoj temperaturi: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 je katalizator).
Čisti kisik se koristi u industriji za intenziviranje onih procesa u kojima dolazi do oksidacije i za stvaranje visokotemperaturnog plamena. U raketnoj industriji, tečni kiseonik se koristi kao oksidant.
Kiseonik je od velike važnosti za održavanje života biljaka, životinja i ljudi. U normalnim uslovima, osoba ima dovoljno kiseonika da diše. Ali u uslovima kada nema dovoljno vazduha, ili ga uopšte nema (u avionima, tokom ronjenja, u svemirskim brodovima, itd.), posebne gasne mešavine koji sadrže kiseonik. Kiseonik se takođe koristi u medicini za bolesti koje uzrokuju otežano disanje.

e) Ozon i njegovi molekuli

Ozon O 3 je druga alotropska modifikacija kiseonika.
Triatomska molekula ozona ima ugaonu strukturu, sredinu između dvije strukture, prikazanu sljedećim formulama:

Ozon je tamnoplavi plin oštrog mirisa. Zbog snažnog oksidativnog djelovanja otrovan je. Ozon je jedan i po puta "teži" od kiseonika i nešto više od kiseonika, rastvorićemo ga u vodi.
Ozon nastaje u atmosferi iz kiseonika tokom električnih pražnjenja groma:

3O 2 = 2O 3 ().

Na normalnim temperaturama, ozon se polako pretvara u kisik, a kada se zagrije, ovaj proces se odvija eksplozijom.
Ozon se nalazi u takozvanom "ozonskom omotaču" zemljine atmosfere, štiteći sav život na Zemlji od štetnog djelovanja sunčevog zračenja.
U nekim gradovima se umjesto hlora koristi ozon 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. Imenujte ove supstance. Opišite valentna stanja atoma kisika u ovim spojevima.
Odredite valenciju i oksidaciono stanje svakog od atoma kiseonika.
2. Napraviti jednačine reakcija sagorevanja u kiseoniku litijuma, magnezijuma, aluminijuma, silicijuma, crvenog fosfora i selena (atomi selena su oksidovani do oksidacionog stanja + IV, atomi ostalih elemenata - do najvišeg oksidacionog stanja). Kojim klasama oksida pripadaju 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 alpske glečere, a također je dio raznih stijena. Maseni udio vode u ljudskom tijelu je oko 70%.
Voda je jedina supstanca koja ima svoja posebna imena u sva tri agregatna stanja.

Elektronska struktura molekula vode (Sl.10.4 a) smo detaljno proučavali ranije (vidi § 7.10).
Zbog polariteta O – H veza i ugaonog oblika, molekul vode je električni dipol.

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

U hemiji, dipolni moment se mjeri u Debyesu: 1 D = 3,34. 10-30 Cl. m

U molekuli vode postoje dvije polarne kovalentne veze, odnosno dva električna dipola, od kojih svaki ima svoj dipolni moment (i). Ukupni dipolni moment molekula jednak je vektorskom zbroju ova dva momenta (slika 10.5):

(H 2 O) = ,

gdje q 1 i q 2 - parcijalni naboji (+) na atomima vodonika, i - međuatomske udaljenosti O - H u molekulu. Jer q 1 = q 2 = q, a, onda

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

Tabela 30.Dipolni momenti nekih polarnih molekula

Molekul	Molekul	Molekul

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

Tabela 31.Neke fizičke karakteristike vode

Velike vrijednosti molarne topline fuzije i isparavanja (red veličine veće od onih vodonika i kisika) ukazuju na to da su molekule vode, kako u čvrstoj tako iu tečnoj tvari, prilično čvrsto povezane. Ove veze se zovu " vodonične veze".

ELEKTRIČNI DIPOL, DIPOLNI MOMENT, POLARITET VEZIVANJA, POLARITET MOLEKULA.
Koliko valentnih elektrona atoma kiseonika učestvuje u formiranju veza u molekulu vode?
2. Prilikom preklapanja kojih orbitala nastaju veze 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 molekulima HF, HCl i HBr su 0,92; 1.28 i 1.41. Koristeći tablicu dipolnog momenta, izračunajte i uporedite parcijalne naboje na atomima vodika u ovim molekulima.
5. Međuatomske udaljenosti S - H u molekulu sumporovodika jednake su 1,34, a ugao između veza je 92°. Odredite vrijednosti parcijalnih naboja na atomima sumpora i vodika. Šta možete reći o hibridizaciji valentnih orbitala atoma sumpora?

10.4. Vodikova veza

Kao što već znate, zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodika i kiseonika (2,10 i 3,50), atom vodonika u molekuli vode ima veliki pozitivni parcijalni naboj ( q h = 0,33 e), a atom kisika ima još veći negativni parcijalni naboj ( q h = -0,66 e). Podsjetimo također da atom kisika ima dva usamljena para elektrona po sp 3-hibridni AO. Atom vodika jedne molekule vode privlači atom kisika druge molekule, a osim toga poluprazan 1s-AO atoma vodika djelimično prihvata par elektrona od atoma kiseonika. Kao rezultat ovih interakcija između molekula, posebna vrsta intermolekularne veze - vodikova veza.
U slučaju vode, vodikova veza može se shematski prikazati na sljedeći način:

U posljednjoj strukturnoj formuli, tri tačke (isprekidana linija, ne elektroni!) pokazuju vodikovu vezu.

Vodikova veza ne postoji samo između molekula vode. Formira se ako su ispunjena dva uslova:
1) u molekuli postoji jako polarna veza N – E (E je simbol atoma dovoljno elektronegativnog elementa),
2) u molekulu se nalazi E atom 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 klor ili sumpor.
Primjeri tvari s vodikovom vezom između molekula: fluorovodonik, čvrsti ili tekući amonijak, etil alkohol i mnogi drugi.

U tekućem fluorovodiku, njegovi molekuli su povezani vodoničnim vezama u prilično duge lance, a trodimenzionalne mreže se formiraju u tekućem i čvrstom amonijaku.
Što se tiče jačine, vodonična veza je između njih hemijska veza i druge vrste intermolekularnih veza. Molarna energija vodonične veze obično se kreće od 5 do 50 kJ/mol.
U čvrstoj vodi (to jest, kristalima leda), svi atomi vodika su vezani vodonikom za atome kisika, pri čemu svaki atom kisika formira dvije vodikove veze (koristeći oba usamljena para elektrona). Ova struktura čini led "labavijim" u poređenju sa vodom u tečnom stanju, gde su neke od vodoničnih veza prekinute, a molekuli su u stanju da se "pakuju" nešto gušće. Ova karakteristika strukture leda objašnjava zašto, za razliku od većine drugih supstanci, voda u čvrstom stanju ima manju gustoću nego u tekućem stanju. Voda dostiže svoju maksimalnu gustinu na 4°C - na ovoj temperaturi dolazi do pucanja mnogo vodikovih veza, i termička ekspanzija još uvek ne utiče jako na gustinu.
Vodikove veze su veoma važne u našem životu. Zamislimo na trenutak da su vodonične veze prestale da se formiraju. Evo nekih od posljedica:

voda na sobnoj temperaturi bi postala gasovita, jer bi njena tačka ključanja pala na oko –80 °C;
svi rezervoari bi se smrzli sa dna, jer bi gustina leda bila veća od gustine tekuće vode;
dvostruka spirala DNK bi prestala da postoji i još mnogo toga.

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

VODONIČNO VEZE, USLOVI NJEGOVOG STVARANJA.
Formula etil alkohol CH 3 –CH 2 –O – H. Između kojih atoma različitih molekula ove tvari nastaju vodikove veze? Sastavite strukturne formule kako biste ilustrirali njihovo formiranje.
2. Vodikove veze postoje ne samo u pojedinačnim supstancama, već iu rastvorima. Pokažite uz pomoć strukturnih formula kako nastaju vodonične veze u vodenom rastvoru a) amonijaka, b) fluorovodonika, c) etanola (etil alkohola). = 2H 2 O.
Obje ove reakcije se u vodi odvijaju konstantno i jednakom brzinom, stoga u vodi postoji ravnoteža: 2H 2 O AH 3 O + OH.
Ova ravnoteža se zove ravnoteža autoprotolize vode.

Direktna reakcija ovog reverzibilnog procesa je endotermna, pa se pri zagrijavanju povećava autoprotoliza, dok se na sobnoj temperaturi ravnoteža pomjera ulijevo, odnosno koncentracija H 3 O i OH iona je zanemarljiva. Čemu su oni jednaki?
Po zakonu glumačkih masa

Ali zbog činjenice da je broj izreagiranih molekula vode beznačajan u poređenju s ukupnim brojem molekula vode, može se pretpostaviti da se koncentracija vode tokom autoprotolize praktički ne mijenja, a 2 = const Tako niska koncentracija suprotno nabijenih jona u čista voda objašnjava zašto ova tečnost, iako loša, ipak provodi električnu struju.

AUTOPROTOLIZA VODE, KONSTANTA AUTOPROTOLIZE (JONSKI PROIZVOD) VODE.
Jonski proizvod tečnog amonijaka (tačka ključanja –33 °C) je 2 · 10 –28. Sastavite jednadžbu za autoprotolizu amonijaka. Odredite koncentraciju amonijevih jona u čistom tekućem amonijaku. Koja od supstanci ima najveću električnu provodljivost, voda ili tečni amonijak?

1. Dobijanje vodonika i njegovo sagorevanje (redukciona svojstva).
2. Dobijanje kisika i sagorijevanje tvari u njemu (oksidirajuća svojstva).

Kiseonik- jedan od najčešćih elemenata na Zemlji. Čini otprilike polovinu težine Zemljine kore, spoljašnjeg omotača planete. U kombinaciji sa vodonikom, formira vodu, koja pokriva više od dvije trećine zemljine površine.

Ne možemo ni da vidimo kiseonik, ni da ga okusimo ili pomirišemo. Međutim, on čini petinu zraka i vitalan je. Da bismo živjeli, mi, poput životinja i biljaka, trebamo disati.

Kiseonik je neizostavan učesnik hemijske reakcije, ulazeći u bilo koju mikroskopsku ćeliju živog organizma, uslijed čega se hranjive tvari razgrađuju i oslobađa energija neophodna za život. Zato je kiseonik toliko neophodan svakom živom biću (s izuzetkom nekoliko vrsta mikroba).

Prilikom sagorijevanja, tvari se spajaju s kisikom, oslobađajući energiju u obliku topline i svjetlosti.

Vodonik

Najčešći element u svemiru je vodonik... To čini većinu zvijezda. Na Zemlji, većina vodonika (hemijski simbol H) je vezan za kiseonik (O) i formira vodu (H20). Vodik je najjednostavniji i najlakši hemijski element, budući da se svaki njegov atom sastoji od samo jednog protona i jednog elektrona.

Početkom 20. veka vazdušni brodovi i veliki avioni punili su se vodonikom. Međutim, vodonik je vrlo zapaljiv. Nakon nekoliko katastrofa uzrokovanih požarima, vodonik se više nije koristio u zračnim brodovima. Danas se u aeronautici koristi još jedan laki gas - nezapaljivi helijum.

Vodik se spaja s ugljikom i formira tvari koje se nazivaju ugljikovodici. To uključuje proizvode dobivene od prirodnog plina i sirove nafte, kao što su plinovi propan i butan ili tekući benzin. Vodik se također kombinuje s ugljikom i kisikom da bi formirao ugljikohidrate. Skrob u krompiru i pirinču i šećer u cvekli su ugljeni hidrati.

Sunce i druge zvijezde su uglavnom napravljene od vodonika. U središtu zvijezde, monstruozne temperature i pritisci uzrokuju da se atomi vodika međusobno spajaju i pretvaraju u drugi plin - helij. Istovremeno se oslobađa ogromna količina energije u obliku topline i svjetlosti.

Industrijske metode dobivanja jednostavnih tvari zavise od oblika u kojem se odgovarajući element nalazi u prirodi, odnosno šta mogu biti sirovine za njegovu proizvodnju. Tako se dobija kiseonik dostupan u slobodnom stanju fizički- oslobađanje od tečnog vazduha. Gotovo sav vodonik je u obliku spojeva, pa se za njegovo dobivanje koriste hemijske metode... Posebno se mogu koristiti reakcije razgradnje. Jedna od metoda za proizvodnju vodika je reakcija razgradnje vode električnom strujom.

Glavna industrijska metoda za proizvodnju vodika je reakcija metana s vodom, koja je dio prirodnog plina. Izvodi se na visokoj temperaturi (lako je osigurati da ne dođe do reakcije kada se metan propušta čak i kroz kipuću vodu):

CH 4 + 2H 2 0 = CO 2 + 4H 2 - 165 kJ

U laboratoriju, za dobivanje jednostavnih tvari, ne koriste nužno prirodne sirovine, već biraju one polazne materijale iz kojih je lakše izolirati traženu tvar. Na primjer, u laboratoriji se kisik ne dobiva iz zraka. Isto se odnosi i na proizvodnju vodonika. Jedna od laboratorijskih metoda za proizvodnju vodika, koja se ponekad koristi u industriji, je razlaganje vode električnom strujom.

Obično u laboratoriji, vodonik se proizvodi interakcijom cinka sa hlorovodoničnom kiselinom.

U industriji

1.Elektroliza vodenih rastvora soli:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Propuštanje vodene pare preko vrućeg koksa na temperaturi od oko 1000°C:

H 2 O + C ⇄ H 2 + CO

3.Prirodni gas.

Pretvorba pare: CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3H 2 (1000 ° C) Katalitička oksidacija kisikom: 2CH 4 + O 2 ⇄ 2CO + 4H 2

4. Krekiranje i reformiranje ugljovodonika u procesu prerade nafte.

U laboratoriji

1.Djelovanje razrijeđenih kiselina na metale. Za izvođenje takve reakcije najčešće se koriste cink i hlorovodonična kiselina:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interakcija kalcijuma sa vodom:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Hidroliza hidrida:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Djelovanje alkalija na cink ili aluminij:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2 Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Elektrolizom. Tokom elektrolize vodenih rastvora alkalija ili kiselina, na katodi se razvija vodonik, na primer:

2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O

Bioreaktor za proizvodnju vodonika

Fizička svojstva

Gasoviti vodonik može postojati u dva oblika (modifikacije) - u obliku orto - i paravodika.

U molekulu ortovodonika (t.t. -259,10 °C, bp b. -252,89 °C) - jedan naspram drugog (antiparalelni).

Alotropni oblici vodonika mogu se odvojiti adsorpcijom na aktivnom ugljenu na temperaturi tekućeg dušika. Na vrlo niskim temperaturama, ravnoteža između ortohidrogena i paravodonika je gotovo u potpunosti pomjerena prema ovom drugom. Na 80 K, odnos oblika je otprilike 1:1. Desorbirani paravodonik zagrijavanjem se pretvara u ortovodonik dok se ne formira ravnoteža smjese na sobnoj temperaturi (orto-par: 75:25). Bez katalizatora, transformacija je spora, što omogućava proučavanje svojstava pojedinačnih alotropnih oblika. Molekul vodonika je dvoatomski - N₂. U normalnim uslovima, to je gas bez boje, mirisa i ukusa. Vodonik je najlakši gas, njegova gustina je mnogo puta manja od gustine vazduha. Očigledno, što je manja masa molekula, to je njihova brzina veća na istoj temperaturi. Kao najlakši, molekuli vodonika kreću se brže od molekula bilo kojeg drugog plina i stoga mogu brže prenijeti toplinu s jednog tijela na drugo. Iz toga slijedi da vodik ima najveću toplinsku provodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplotna provodljivost je oko sedam puta veća od toplotne provodljivosti vazduha.

Hemijska svojstva

Molekule vodika H₂ su prilično jake, a da bi vodonik reagovao, mora se utrošiti mnogo energije: H 2 = 2H - 432 kJ Dakle, na uobičajenim temperaturama, vodik reaguje samo s vrlo aktivnim metalima, na primjer s kalcijem, formirajući kalcijum hidrid: Ca + H 2 = CaH 2 i sa jedinim nemetalom - fluor, formirajući fluorovodonik: F 2 + H 2 = 2HF Sa većinom metala i nemetala, vodonik reaguje na povišenim temperaturama ili pod drugim dejstvom, na primjer, pod rasvjetom. Može "oduzeti" kisik nekim oksidima, na primjer: CuO + N 2 = Cu + N 2 0 Napisana jednačina odražava reakciju redukcije. Reakcije redukcije nazivaju se procesi zbog kojih se jedinjenju oduzima kisik; tvari koje oduzimaju kisik nazivaju se redukcijskim sredstvima (dok se same oksidiraju). Dalje će biti data još jedna definicija pojmova "oksidacija" i "redukcija". I ova definicija, historijski prva, zadržava svoj značaj u današnje vrijeme, posebno u organskoj hemiji. Reakcija redukcije je suprotna reakciji oksidacije. Obje ove reakcije uvijek se odvijaju istovremeno kao jedan proces: tokom oksidacije (redukcije) jedne tvari, redukcija (oksidacija) druge se nužno mora dogoditi istovremeno.

N 2 + 3H 2 → 2 NH 3

Oblici sa halogenima vodonik halogenidi:

F 2 + H 2 → 2 HF, reakcija se odvija eksplozijom u mraku i na bilo kojoj temperaturi, Cl 2 + H 2 → 2 HCl, reakcija se odvija eksplozijom, samo na svjetlu.

Reaguje sa čađom pod jakim zagrijavanjem:

C + 2H 2 → CH 4

Interakcija sa alkalnim i zemnoalkalnim metalima

Vodik nastaje sa aktivnim metalima hidridi:

Na + H 2 → 2 NaH Ca + H 2 → CaH 2 Mg + H 2 → MgH 2

Hidridi- slano, čvrste materije, lako se hidrolizira:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + 2H 2

Interakcija sa metalnim oksidima (obično d-elementima)

Oksidi se redukuju u metale:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2 Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenacija organskih jedinjenja

Kada vodik djeluje na nezasićene ugljovodonike u prisustvu nikalnog katalizatora i povišene temperature, dolazi do reakcije hidrogenacija:

CH 2 = CH 2 + H 2 → CH 3 -CH 3

Vodik redukuje aldehide u alkohole:

CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH.

Hydrogen Geochemistry

Vodonik - osnovni građevinski materijal univerzum. To je najčešći element, a svi elementi nastaju iz njega kao rezultat termonuklearnih i nuklearnih reakcija.

Slobodni vodonik H 2 je relativno rijedak u kopnenim plinovima, ali u obliku vode igra izuzetno važnu ulogu u geohemijskim procesima.

Vodik može biti dio minerala u obliku amonijum jona, hidroksil jona i kristalne vode.

U atmosferi se vodik kontinuirano proizvodi razgradnjom vode sunčevim zračenjem. Migrira u gornju atmosferu i bježi u svemir.

Aplikacija

Energija vodonika

Atomski vodonik se koristi za zavarivanje atomskim vodonikom.

U prehrambenoj industriji vodonik je registrovan kao aditiva za hranu E949 kao gas za pakovanje.

Karakteristike liječenja

Kada se pomiješa sa zrakom, vodonik stvara eksplozivnu smjesu - takozvani eksplozivni plin. Ovaj plin je najeksplozivniji kada je zapreminski omjer vodonika i kisika 2:1, odnosno vodonika i zraka otprilike 2:5, jer zrak sadrži oko 21% kisika. Vodonik je takođe opasan za požar. Tečni vodonik može izazvati ozbiljne promrzline ako dođe u dodir s kožom.

Eksplozivne koncentracije vodonika sa kiseonikom nastaju od 4% do 96% zapremine. Kada se pomeša sa vazduhom od 4% do 75 (74)% zapremine.

Upotreba vodonika

U hemijskoj industriji vodonik se koristi u proizvodnji amonijaka, sapuna i plastike. U prehrambenoj industriji se koristi vodonik iz tečnosti biljna ulja napravi margarin. Vodonik je veoma lagan i uvek se diže u vazduh. Nekada su zračni brodovi i baloni bili napunjeni vodonikom. Ali 30-ih godina. XX vijek bilo je nekoliko užasnih katastrofa jer su vazdušni brodovi eksplodirali i izgorjeli. Danas su vazdušni brodovi punjeni gasom helijuma. Vodonik se takođe koristi kao raketno gorivo. Vodonik bi se jednog dana mogao naširoko koristiti kao gorivo za automobile i kamione. Motori na vodik ne zagađuju okolinu i emituju samo vodenu paru (iako sama proizvodnja vodonika dovodi do određenog zagađenja životne sredine). Naše sunce je uglavnom napravljeno od vodonika. Sunčeva toplina i svjetlost su rezultat oslobađanja nuklearne energije iz fuzije jezgri vodika.

Korištenje vodonika kao goriva (ekonomska efikasnost)

Najvažnija karakteristika tvari koje se koriste kao gorivo je njihova kalorijska vrijednost. Sa kursa opšta hemija poznato je da se reakcija interakcije vodika s kisikom događa oslobađanjem topline. Ako uzmemo 1 mol H 2 (2 g) i 0,5 mol O 2 (16 g) pod standardnim uslovima i pokrenemo reakciju, onda prema jednačini

H 2 + 0,5 O 2 = H 2 O

nakon završetka reakcije nastaje 1 mol H2O (18 g) sa oslobađanjem energije od 285,8 kJ/mol (za poređenje: toplina sagorijevanja acetilena je 1300 kJ/mol, propan je 2200 kJ/mol ). 1 m³ vodonika teži 89,8 g (44,9 mola). Dakle, da bi se dobio 1 m³ vodonika, potrošit će se 12832,4 kJ energije. Uzimajući u obzir da je 1 kWh = 3600 kJ, dobijamo 3,56 kWh električne energije. Poznavajući tarifu za 1 kWh električne energije i cijenu 1 m³ plina, može se zaključiti da je preporučljivo preći na vodonično gorivo.

Na primjer, eksperimentalni model Honda FCX 3. generacije sa rezervoarom za vodonik od 156 litara (sadrži 3,12 kg vodika pod pritiskom od 25 MPa) putuje 355 km. Shodno tome, od 3,12 kg H2 dobija se 123,8 kWh. Potrošnja energije na 100 km iznosit će 36,97 kWh. Poznavajući cijenu električne energije, cijenu plina ili benzina, njihovu potrošnju za automobil na 100 km, lako je izračunati negativan ekonomski učinak prebacivanja automobila na vodikovo gorivo. Recimo (Rusija 2008), 10 centi po kWh električne energije dovodi do toga da 1 m³ vodonika dovodi do cijene od 35,6 centi, a uzimajući u obzir efikasnost razlaganja vode od 40-45 centi, isto toliko kWh od sagorevanja benzina košta 12832,4kJ / 42000kJ / 0,7kg / l * 80 centi / l = 34 centa po maloprodajnim cenama, dok smo za vodonik izračunali idealnu opciju, bez transporta, amortizacije opreme itd. Za metan sa energijom sagorevanja od oko 39 MJ po m³ rezultat će biti dva do četiri puta manji zbog razlike u cijeni (1m³ za Ukrajinu košta 179 dolara, a za Evropu 350 dolara). Odnosno, ekvivalentna količina metana koštat će 10-20 centi.

Međutim, ne treba zaboraviti da kada se vodik sagorijeva, dobijamo čistu vodu iz koje je izvučen. Odnosno, imamo obnovljivi izvor energije skladište energije bez štete po okoliš, za razliku od plina ili benzina, koji su primarni izvori energije.

PHP na liniji 377 Upozorenje: zahtijevaju (http: //www..php): nije uspjelo otvoriti stream: nije pronađen odgovarajući omot u /hsphere/local/home/winexins/site/tab/vodorod.php na liniji 377 Fatal greška: zahtijevam (): Neuspješno otvaranje je potrebno "http: //www..php" (include_path = ".. php na liniji 377

U našem Svakodnevni život postoje stvari koje su toliko uobičajene da gotovo svi znaju za njih. Na primjer, svi znaju da je voda tekućina, lako je dostupna i ne gori, stoga može ugasiti vatru. Ali da li ste se ikada 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 opšte logike (ne naučne), sledi da i voda mora da gori, zar ne? Međutim, to se ne dešava.

Kada dolazi do sagorijevanja?

Sagorijevanje je kemijski proces u kojem se molekule i atomi spajaju kako bi oslobodili energiju u obliku topline i svjetlosti. Da biste nešto spalili, potrebne su vam dvije stvari - gorivo kao izvor sagorijevanja (na primjer, list papira, komad drveta, itd.) i oksidant (kiseonik u zemljinoj atmosferi je glavni oksidant). Također nam je potrebna toplina potrebna da dostignemo temperaturu paljenja tvari kako bi započeo proces sagorijevanja.

Izvor slike auclip.ru

Na primjer, razmotrite proces spaljivanja papira pomoću šibica. U tom slučaju papir će biti gorivo, plinoviti kisik koji se nalazi u zraku djelovat će kao oksidacijsko sredstvo, a temperatura paljenja će se postići zbog zapaljene šibice.

Struktura hemijskog sastava vode

Izvor slike: water-service.com.ua

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

Zašto je vodonik zapaljiva supstanca?

Atomi vodika imaju samo jedan elektron i stoga se lako vezuju za druge elemente. U pravilu, vodik se prirodno javlja u obliku plina, čiji se molekuli sastoje od dva atoma. Ovaj plin je vrlo reaktivan i brzo oksidira u prisustvu oksidacijskog sredstva, što ga čini zapaljivim.

Izvor slike: myshared.ru

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

Kiseonik podržava sagorevanje

Kao što je ranije spomenuto, oksidirajuće sredstvo je potrebno za svako sagorijevanje. Postoje mnogi hemijski oksidanti, uključujući kiseonik, ozon, vodikov peroksid, fluor itd. Kiseonik je glavni oksidans koji se nalazi u višku u Zemljinoj atmosferi. Generalno je glavni oksidant u većini požara. Zbog toga je potrebno stalno snabdevanje kiseonikom da bi se vatra održavala.

Voda gasi vatru

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

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

Kao što smo ranije rekli, vodonik je vrlo zapaljiv, sve što je potrebno je oksidant i temperatura paljenja da bi se reakcija pokrenula. Budući da je kisik najzastupljeniji oksidacijski agens na Zemlji, on se brzo spaja s atomima vodika, oslobađajući velike količine svjetlosti i topline, formirajući tako molekule vode. Ovako to funkcionira:

Imajte na umu da je mješavina vodonika s malom količinom kisika ili zraka eksplozivna i naziva se plinom oksivodonik, izuzetno brzo gori uz glasno pucanje, što se doživljava kao eksplozija. Katastrofa zračnog broda Hindenburg 1937. godine u New Jerseyju odnijela je desetine života kao rezultat sagorijevanja vodonika koji je ispunio školjku dirižablja. Zapaljivost vodika i njegova eksplozivnost u kombinaciji s kisikom glavni je razlog zašto vodu ne dobivamo kemijski u laboratorijama.

10.1 Vodonik

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

a) Hemijski element vodonik

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

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

b) Atom vodonika

Iz prethodnih dijelova kursa hemije, već znate sljedeće karakteristike atoma vodika:

Tabela 28.Valentne sposobnosti atoma vodika

Valentno stanje		Primjeri hemikalija
	I 0 –I	HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH H 2 B 2 H 6, SiH 4, GeH 4
		NaH, KH, CaH 2, BaH 2

c) Molekul vodonika

d) Vodonik (supstanca)

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2.

U industriji se vodik u velikim količinama dobiva iz prirodnog plina (uglavnom metana) njegovom interakcijom s vodenom parom na 800 ° C u prisustvu nikalnog katalizatora:

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

ili se ugalj tretira vodenom parom na visokoj temperaturi:

2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2. ( t)

Čisti vodik se dobija iz vode razlaganjem električnom strujom (podvrgavanjem elektrolizi):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (elektroliza).

e) Jedinjenja vodonika

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

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

H 2 + Cl 2 = 2HCl.

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

1. Koje su čestice jezgra a) protijuma, b) deuterijuma, c) tricijuma?
2.Uporedi energiju jonizacije atoma vodika sa energijom jonizacije atoma drugih elemenata. Prema ovoj karakteristici, koji element je najbliži vodoniku?
3. Uradite isto za energiju afiniteta elektrona
4. Uporedite smer 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 vodonika. 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 kalijum i kalcijum hidrida, kao i amonijaka, vodonik sulfida i bromovodonika.
8. Poznavajući molarne toplote fuzije i isparavanja vodonika, odredite vrednosti odgovarajućih specifičnih količina.
9. Za svaku od četiri reakcije koje ilustruju osnovna hemijska svojstva vodonika, nacrtajte elektronsku vagu. Obratite pažnju na oksidanse i redukcione agense.
10. Odredite masu cinka potrebnu za dobijanje 4,48 litara vodonika u laboratoriji.
11. Odrediti masu i zapreminu vodonika koji se može dobiti iz 30 m 3 mješavine metana i vodene pare, uzetih u volumnom omjeru 1:2, sa prinosom od 80%.
12. Sastaviti jednačine reakcija koje se javljaju u interakciji vodonika a) sa fluorom, b) sa sumporom.
13. Sljedeće šeme reakcija ilustruju glavna hemijska svojstva ionskih hidrida:

10.2 Kiseonik

a) Hemijski element kiseonik

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

b) Atom kiseonika

Poznate su vam sljedeće karakteristike atoma kisika.

Tabela 29.Valencija 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

c) Molekul kiseonika

d) Kiseonik (supstanca)

Najčešće, kao rezultat takvih reakcija, dobijaju se različiti oksidi (videti Poglavlje II § 5), ali aktivni alkalni metali, na primer natrijum, se sagorevanjem pretvaraju u perokside:

2Na + O 2 = Na 2 O 2.

Strukturna formula rezultirajućeg natrijum peroksida (Na) 2 (O-O).
Tinjajući iver, stavljen u kiseonik, bukti. To je zgodan i lak način za detekciju čistog kiseonika.
U industriji se kisik dobiva iz zraka rektificiranjem (kompleksnom destilacijom), au laboratoriji termičkom razgradnjom nekih spojeva koji sadrže kisik, na primjer:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 °C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 - katalizator);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °C)
i, pored toga, katalitičkim razlaganjem vodikovog peroksida na sobnoj temperaturi: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (MnO 2 je katalizator).
Čisti kisik se koristi u industriji za intenziviranje onih procesa u kojima dolazi do oksidacije i za stvaranje visokotemperaturnog plamena. U raketnoj industriji, tečni kiseonik se koristi kao oksidant.
Kiseonik je od velike važnosti za održavanje života biljaka, životinja i ljudi. U normalnim uslovima, osoba ima dovoljno kiseonika da diše. Ali u uslovima kada nema dovoljno vazduha, ili ga uopšte nema (u avionima, tokom ronilačkih operacija, u svemirskim brodovima, itd.), za disanje se pripremaju specijalne gasne mešavine koje sadrže kiseonik. Kiseonik se takođe koristi u medicini za bolesti koje uzrokuju otežano disanje.

e) Ozon i njegovi molekuli

Ozon O 3 je druga alotropska modifikacija kiseonika.
Triatomska molekula ozona ima ugaonu strukturu, sredinu između dvije strukture, prikazanu sljedećim formulama:

3O 2 = 2O 3 ().

Elektronska struktura molekula vode (Sl.10.4 a) smo detaljno proučavali ranije (vidi § 7.10).
Zbog polariteta O – H veza i ugaonog oblika, molekul vode je električni dipol.

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

U hemiji, dipolni moment se mjeri u Debyesu: 1 D = 3,34. 10-30 Cl. m

(H 2 O) = ,

gdje q 1 i q 2 - parcijalni naboji (+) na atomima vodonika, i - međuatomske udaljenosti O - H u molekulu. Jer q 1 = q 2 = q, a, onda

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

Tabela 30.Dipolni momenti nekih polarnih molekula

Molekul	Molekul	Molekul

Tabela 31.Neke fizičke karakteristike vode

10.4. Vodikova veza

Kao što već znate, zbog značajne razlike u elektronegativnosti vodika i kiseonika (2,10 i 3,50), atom vodonika u molekuli vode ima veliki pozitivni parcijalni naboj ( q h = 0,33 e), a atom kisika ima još veći negativni parcijalni naboj ( q h = -0,66 e). Podsjetimo također da atom kisika ima dva usamljena para elektrona po sp 3-hibridni AO. Atom vodika jedne molekule vode privlači atom kisika druge molekule, a osim toga poluprazan 1s-AO atoma vodika djelimično prihvata par elektrona od atoma kiseonika. Kao rezultat ovih interakcija između molekula, nastaje posebna vrsta međumolekulskih veza - vodikova veza.
U slučaju vode, vodikova veza može se shematski prikazati na sljedeći način:

U posljednjoj strukturnoj formuli, tri tačke (isprekidana linija, ne elektroni!) pokazuju vodikovu vezu.

U tekućem fluorovodiku, njegovi molekuli su povezani vodoničnim vezama u prilično duge lance, a trodimenzionalne mreže se formiraju u tekućem i čvrstom amonijaku.
U smislu čvrstoće, vodonična veza je posredna između hemijske veze i drugih vrsta međumolekularnih veza. Molarna energija vodonične veze obično se kreće od 5 do 50 kJ/mol.
U čvrstoj vodi (to jest, kristalima leda), svi atomi vodika su vezani vodonikom za atome kisika, pri čemu svaki atom kisika formira dvije vodikove veze (koristeći oba usamljena para elektrona). Ova struktura čini led "labavijim" u poređenju sa vodom u tečnom stanju, gde su neke od vodoničnih veza prekinute, a molekuli su u stanju da se "pakuju" nešto gušće. Ova karakteristika strukture leda objašnjava zašto, za razliku od većine drugih supstanci, voda u čvrstom stanju ima manju gustoću nego u tekućem stanju. Voda dostiže svoju maksimalnu gustinu na 4°C - na ovoj temperaturi se raskida mnogo vodoničnih veza, a termička ekspanzija još uvek nema jako jak uticaj na gustinu.
Vodikove veze su veoma važne u našem životu. Zamislimo na trenutak da su vodonične veze prestale da se formiraju. Evo nekih od posljedica:

voda na sobnoj temperaturi bi postala gasovita, jer bi njena tačka ključanja pala na oko –80 °C;
svi rezervoari bi se smrzli sa dna, jer bi gustina leda bila veća od gustine tekuće vode;
dvostruka spirala DNK bi prestala da postoji i još mnogo toga.

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

VODONIČNO VEZE, USLOVI NJEGOVOG STVARANJA.
Formula etil alkohola je CH 3 –CH 2 –O – H. Između kojih atoma različitih molekula ove tvari nastaju vodikove veze? Sastavite strukturne formule kako biste ilustrirali njihovo formiranje.
2. Vodikove veze postoje ne samo u pojedinačnim supstancama, već iu rastvorima. Pokažite uz pomoć strukturnih formula kako nastaju vodonične veze u vodenom rastvoru a) amonijaka, b) fluorovodonika, c) etanola (etil alkohola). = 2H 2 O.
Obje ove reakcije se u vodi odvijaju konstantno i jednakom brzinom, stoga u vodi postoji ravnoteža: 2H 2 O AH 3 O + OH.
Ova ravnoteža se zove ravnoteža autoprotolize vode.

Ali zbog činjenice da je broj izreagiranih molekula vode beznačajan u poređenju s ukupnim brojem molekula vode, može se pretpostaviti da se koncentracija vode tokom autoprotolize praktički ne mijenja, a 2 = const Ovako niska koncentracija suprotno nabijenih jona u čistoj vodi objašnjava zašto ova tekućina, iako slabo, ipak provodi električnu struju.

1. Dobijanje vodonika i njegovo sagorevanje (redukciona svojstva).
2. Dobijanje kisika i sagorijevanje tvari u njemu (oksidirajuća svojstva).