Vodík

Obecné charakteristiky vodíku

  • Vodík představuje nejrozšířenější prvek ve vesmíru.

    • Skládá se z 90% všech atomů a 75% hmotnosti atomů.

    • Nachází se v hvězdách, obřích planetách a oblacích mezihvězdného prostoru.

    • Chemické vzorce: H, H2, CH4, NH3, H2O, CH3OH, NH2OH.

Distribuce vodíku na Zemi

  • třetí nejrozšířenější prvek

    • Tvoří 15,4% atomů zemské kůry a oceánů, hmotnostně 9. místo (0,9 % hmotnosti).

    • V přírodě se vyskytuje pouze ve sloučeninách (s výjimkou horních vrstev atmosféry a plynů v ropě).

    • Hlavní sloučeniny: voda, uhlovodíky, biomasa.

Fyzikální vlastnosti vodíku

  • Elektronová konfigurace: 1s1.

  • Ionizační energie: 1317 kJ/mol.

  • Elektronegativita: 2.1.

  • Varianty vodíku:

    • Atomy, molekuly, ionizované částice: H, H2, H+, H-, H3+.

    • Tři izotopy: 1 1H (protium), 1 2H (deuterium), 1 3H (tritium).

Vazebné možnosti vodíku

  • Kovalentní vazba (σ): interakce s atomovými orbitály (s, pz) nebo hybridními AO.

  • Iontová vazba: převážně elektrostatické síly.

    • Příklad: Hydridový anion A+H-.

  • Polární kovalentní vazba: vzniká i u nejelektronegativnějšího atomu fluoru, nevytváří H+ a A¯.

Vlastnosti vodíku

  • Plyn bez barvy a zápachu, tvořen dvojatomovými molekulami H2, je nejlehčím plynem.

  • Nízká teplota varu (-253 °C) a tání (-259 °C).

  • Při vysokých tlacích může existovat jako pevný vodík (kovový charakter).

  • Rozpustný v některých kovech (platina, palladium).

  • Má oxidační i redukční vlastnosti, atomový vodík má vysokou reaktivitu.

Disociační energie vodíku

  • H-H disociační energie: 431 kJ/mol.

  • Reakce:

    • S kyslíkem: 2 H2 + O2 → 2 H2O (třaskavé smíšeniny).

    • Reakce s halogeny:

      • H2 + F2 → 2 HF (samovolně).

      • H2 + Cl2 → 2 HCl (aktivace světlem).

      • H2 + Br2 → 2 HBr (aktivace teplem).

      • H2 + I2 → 2 HI (aktivace teplem).

Chemické vlastnosti vodíku

  • Příbuznost:

    • Alkalickým kovům (ns1).

    • Halogenům (chybí jeden elektron).

  • Kombinuje vlastnosti elektropozitivních i elektronegativních prvků.

  • Reakce:

    • Radikálové reakce: X2 + H2 = 2 HX (X= F, Cl, Br, O).

    • Oxidační reakce: 2 Me + H2 = 2 MeH.

    • Redukční reakce: WO3 + 3 H2 = W + 3 H2O.

    • Hydrogenační reakce: CO + 2 H2 = CH3OH.

Příprava vodíku

  • Elektrolýza vody: 2 H3O+ + 2 e- = 2 H2O + H2 (na katodě).

  • Reakce prvků s vodou: 2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2.

  • Reakce s vodní párou: 3 Fe + 4 H2O(g) = Fe3O4 + 4 H2.

  • Reakce s kyselinami a zásadami.

  • Rozklad hydridů vodou: CaH2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + 2 H2.

Výroba vodíku

  • Reakce vodní páry s koksem a rozklad nasycených uhlovodíků.

  • Elektrolýza vodného roztoku NaCl.

  • Tepelný rozklad hydridů.

Použití vodíku

  • Výroba amoniaku: N2 + 3 H2 → 2 NH3.

  • Výroba methanolu: CO + 2 H2 → 2 CH3OH.

  • Hydrogenace nenasycených uhlovodíků.

  • Výroba různých organických sloučenin.

  • Výroba HCl: H2 + Cl2 → 2 HCl.

  • Redukce kovů: H2 + PdCl2 → Pd + 2 HCl.

  • Palivo pro raketové motory, používané v palivových článkách.

Hydridy

  • Iontové hydridy: XH>XM (LiH, NaH, CaH2).

  • Kovalentní hydridy: tvořené s nekovy a polokovy (SiH4, NH3).

  • Kovové hydridy: proměnné nestechiometrické složení.

  • Hydrogenační katalyzátory: Pt, Pd, Ni, Ru, Rh.

Vodíková vazba

  • V přírodě se vodíkové můstky vytváří mezi vodíkem a negativními atomy (F, O, N).

  • Síla vodíkové vazby: < 0,5 eV.

  • Vznik: elektrostatické interakce.

  • Typická energie: 10-40 kJ/mol, maximální 100 kJ/mol.

Voda

  • Voda je nejběžnější a nejvýznamnější sloučenina vodíku.

  • Vyskytuje se ve třech formách: kapalina, led, pára.

  • Tvar molekuly: tetraedr, silně polarizovaný.

  • Vysoké teploty tání a varu.

  • Vznik vodíkové vazby zvyšuje hustotu vody.

  • Hlavní formy vody na Zemi a jejich distribuce.

Závěr

  • Důležitost vodíku a jeho sloučenin v chemických reakcích a průmyslových aplikacích.