O. ► Vodík patří do 1. skupiny periodické tabulky. ► Mezi alkalické kovy ho ale nezařazujeme – liší se svými vlastnostmi ► Typický nekov ► Objeven 1799.

Prezentace na téma: "O. ► Vodík patří do 1. skupiny periodické tabulky. ► Mezi alkalické kovy ho ale nezařazujeme – liší se svými vlastnostmi ► Typický nekov ► Objeven 1799."— Transkript prezentace:

1 o

2 ► Vodík patří do 1. skupiny periodické tabulky. ► Mezi alkalické kovy ho ale nezařazujeme – liší se svými vlastnostmi ► Typický nekov ► Objeven 1799 – H. Cavendish Elektronová konfigurace 1s 1 Elektronová konfigurace 1s 1 Relativní atomová hmotnost 1,00794 1,00794 Elektronegativita2,15Elektronegativita2,15 ► Nejlehčí a nejjednodušší chemický prvek ► Nejrozšířenější prvek ve vesmíru, 9. nejrozšířenější prvek na Zemi ► Biogenní prvek

3 ► Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu ► Lehčí než vzduch (za normálních podmínek má nejmenší hustotu ze všech plynů) ► Hořlavý, ale hoření nepodporuje ► Třaskavý plyn = prudce výbušná směs vodíku s kyslíkem ► Velmi málo rozpustný ve vodě Požár vzducholodi Hindenburg, plněné vodíkem, příčinou exploze byla elektrická jiskra Fyzikálně-chemické vlastnosti Teplota tání: −259,125 °C Teplota varu: −252,882 °C Teplota tání: −259,125 °C Teplota varu: −252,882 °C

4 ► Slučuje se téměř se všemi prvky (kromě vzácných plynů) - zejména s C, O, S, N, které tvoří základní stavební jednotky života na Zemi ► Reaktivnější je za zvýšené teploty (nebo za přítomnosti katalyzátoru) – hlavně s kyslíkem nebo halogeny se slučuje velmi bouřlivě H 2 + Cl 2 2 HCl 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 3 H 2 + N 2 2 NH 3 H 2 + S H 2 S ► Za normální teploty stabilní – dvouatomové molekuly (kovalentní vazba), pouze s F se slučuje. ► Stabilní:  Hydridový anion H - (NaH)… přijme elektron od atomu s malou elektronegativitou  Kation H + … odštěpením elektronu: H + + H 2 O H 3 0 + Fyzikálně-chemické vlastnosti

5 Vodíkové můstky (vazby) ► zvláštní typ chemické vazby – slabá vazebná interakce ► silnější než většina ostatních mezimolekulárních sil, ale je slabší (asi 10x) než iontová nebo kovalentní vazba ► vznikají mezi atomem vodíku a nevazebným elektronovým párem silně elektronegativního atomu: pouze 3 prvky v dostatečné míře odčerpají elektronovou hustotu od atomu vodíku: O, N, F ► silně ovlivní fyzikálně-chemické vlastnosti (zvyšuje teplotu varu a tání, hustotu, viskozitu).

6 Izotopy vodíku Vodík (protium) 1 H ► 1 proton, 1 elektron ► 99,9% všech přírodních atomů vodíku ► nejjednodušší atom ve vesmíru a tvoří jeho převažující část Deuterium 2 H, chemická značka D ► 1 proton, 1 neu t ron, 1 elektron, jádro se označuje jako deuteron ► stabilní izotop, který nepodléhá radioaktivní přeměně ► od běžného vodíku se liší především atomovou hmotností (2,01363) ► výskyt: v přírodě se běžně vyskytuje (7000x méně) ► využití: deuterium je využíváno také jako účinný stopovač biochemických reakcí, zpomaluje rychlost neuronů, od 2. sv. v. k přípravě plutonia a uranu ► s kyslíkem tvoří tzv. těžkou vodu D 2 O - v jaderném průmyslu

7 Tritium 3 H, chemická značka T ► 1 proton, 2 neurony, 1 elektron ► relativní atomová hmotnost je 3,016049 ► jádro tritia je nestabilní a rozpadá se s poločasem rozpadu 12,4 roku za vyzáření pouze málo energetického beta záření ► s kyslíkem tvoří tritiovou vodu T 2 O, tzv. trojnásob těžká voda ► výskyt: horní vrstvy atmosféry, vzniká kolizí kosmického záření s jádrem atomu deuteria, jedním z meziproduktů jaderné fúze (slučování jader), která je energetickým zdrojem hvězd ► využití: výroba svítících ručiček hodinek, tritiové barvy, jako jedna složka náplně termonukleární bomby, nejničivější lidmi vyrobené zbraně ► uměle je získáváno v jaderných reaktorech při výrobě plutonia z přírodního uranu

8 Laboratorní příprava 2 H + + 2 e - H 2 … elektrolýza vody (na katodě) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 … reakce neušlechtilých kovů s vodnými roztoky kyselin 2 Na + 2 H 2 O 2 NaOH + H 2 … reakcí alkalických kovů / kovů alkalických zemin s vodou Průmyslová výroba CH 4 C + 2 H 2 … (1 200°C… termické štěpení methanu) CH 4 + 2 2 … (800°C, vodní pára) CH 4 + 2 H 2 O CO + 3 H 2 … (800°C, vodní pára) C + H 2 O CO + H 2 * … (1 000 °C, rozžhavený koks, vodní pára) Jako vedlejší produkt elektrolýzy vodného roztoku NaCl * Směs CO a H 2 se nazývá vodní plyn

9 Výskyt v přírodě ► 9. nejrozšířenější prvek na Zemi  Biogenní prvek – organické sloučeniny, podstatná složek zemního plynu, v ložiscích uhlí, součást ropy, nejvíce zastoupena ve vodě  Elementární vodík je na Zemi přítomen jen vzácně - v blízkosti sopek v sopečných plynech  Plynný vodík se vyskytuje ve formě dvouatomových molekul H 2 ► Nejrozšířenější prvek ve vesmíru  základní stavební prvkem celého vesmíru  vyskytuje se jak ve všech svítících hvězdách, tak v mezigalaktickém prostoru a mezihvězdném prostoru je přítomen z převážné části jako atomární vodík H

10 Využití ► Hydrogenační činidlo (k sycení násobných vazeb org. molekul) ► Redukčních vlastností – metalurgie (k získávání kovů z jejich rud: wolfram, molybden) – vysoká cena vodíku, riziko možného výbuchu ► Svařování nebo řezání kyslíko-vodíkovým plamenem - hoření vodíku s kyslíkem je silně exotermní a vyvíjí teploty přes 3 000 °C. Toho se běžně využívá při svařování ► Zdroj energie - pravděpodobně budoucnost energetiky i dopravy, při spalování vodíku vzniká vedle značného energetického zisku ekologicky naprosto nezávadná voda ► Palivové články - v tomto energet. zařízení dochází k přímé přeměně energie chemické reakce vodíku s kyslíkem na elektrickou energii ► Izotopy vodíku pokládány za hlavní energetický zdroj při využití řízené termonukleární reakce ► Mimořádně nízké hustoty plynného vodíku se využívalo v počátcích letectví k plnění vzducholodí a balónů. ► V chemickém průmyslu: syntéza organ. a anorgan. sloučenin

11 Anorganické sloučeniny ► Hydridy - dvouprvkové slouč. vodíku s jiným prvkem ► Iontové hydridy - sloučeniny vodíku s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin:  LiH - hydrid lithný  KH - hydrid draselný  RbH - hydrid rubidný  CsH - hydrid cesný  CaH 2 – hydrid vápenatý  BeH 2 - hydrid berylnatý  MgH 2 – hydrid hořečnatý  SrH 2 - hydrid strontnatý  BaH 2 - hydrid barnatý ► Halogenvodíky:  HF - fluorovodík, fluoran (nejslabší kyselina z halogenvodíků)  HCl – chlorovodík, chloran  HBr – bromovodík, broman  HI - jodovodík, jodam (nejsilnější kyselina z halogenvodíků) ► Kyslíkaté kyseliny ► Kyslíkaté kyseliny H a A b O c ► Hydroxidy ► Hydroxidy M(OH) n ► Hydráty solí CuSO 4 ·5 H 2 O FeSO 4 · 7 H 2 O ZnSO 4 · 7 H 2 O

12 Anorganické sloučeniny ► Kovalentní hydridy - křehké pevné látky kovového vzhledu:  BH 3 - boran  AlH 3 - alan  GaH 3 - gallan  InH 3 - indan  TlH 3 - thalan  CH 4 – karban, methan  SiH 4 - silan  GeH 4 - german  SnH 4 - stannan  PbH 4 – plumban  NH 3 – azan, amoniak, čpavek  PH 3 - fosfan  AsH 3 - arsan  SbH 3 - stiban  BiH 3 - bismutan  H 2 O – voda  H 2 O 2 – peroxid vodíku  H 2 S - sulfan, sirovodík (bezbarvý plyn, nakyslá chuť, zápach po zkažených vejcích, extrémně jedovatý - 0,015% ve vzduchu dokáže usmrtit člověka)  SeH 2 - selan  TeH 2 - telan  PoH 2 - polan  AtH - astatan

13 ► Kyslík patří do 16. skupiny periodické tabulky ► Autorem jeho českého a slovenského názvu je Jan Svatopluk Presl Elektronová konfigurace [ 2 He] 2s 2 2p 4 Elektronová konfigurace [ 2 He] 2s 2 2p 4 Relativní atomová hmotnost 15,9994 Relativní atomová hmotnost 15,9994 Elektronegativita 3,44Elektronegativita ► Nejrozšířenější prvek na zemi (49,4 hmotnostních %), důležitá složka zemské atmosféry (21%), nezbytný pro život na Zemi ► Do ovzduší se neustále uvolňuje fotosyntézou ► Biogenní prvek

14 ► Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu ► Těžší než vzduch ► Omezeně rozpustný ve vodě ► Kapalný a tuhý kyslík má namodralou barvu ► Silné oxidační činidlo ► Hoření = slučování kyslíku s ostatními prvky – exotermní reakce (uvolnění velkého množství tepelné a světelné energie), produkty hoření se nazývají oxidy ► Molekulový kyslík je velmi reaktivní ► Atomární je nestálý, vysoce reaktivní ► Ve sloučeninách je většinou dvojvazný Fyzikálně-chemické vlastnosti Teplota tání: −218,8 °C Teplota varu: −183 °C Teplota tání: −218,8 °C Teplota varu: −183 °C

15 Laboratorní příprava 2 KClO 3 2 KCl + 3 O 2 … (katalyzátor MnO 2 ) 2 KNO 3 2 KNO 2 + O 2 2 KMnO 4 K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 … tepelný rozklad kyslíkatých sloučenin 4 0H - - 4e - 2 H 2 O + O 2 … elektrolýza vody, na anodě 2 MnO 2 + 2 H 2 SO 4 2 MnSO 4 + 2 H 2 O + O 2 2 HgO 2 Hg + O 2 2 Ag 2 O 4 Ag + O 2 … tepelný rozklad oxidů 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 … katalitický rozklad peroxidu vodíku Průmyslová výroba Elektrolýza vody Frakční destilací zkapalněného vzduchu

16 Výskyt v přírodě ► Volný  v atmosféře ve formě dvouatomových molekul: 21 objemových %  tříatomové molekuly: ozon O 3  směs tří izotopů: 16 O, 17 O, 18 O; (99,9 % všech přírodních atomů kyslíku tvoří izotop 16 O) ► Vázaný  Voda (2/3 zem. povrchu) je hmotnostně složena z 90 % kyslíku.  V zemské kůře je kyslík přítomen téměř ve všech horninách (majoritní prvek) - 46 – 50 hmotnostních %.  Ve vesmíru je zastoupení kyslíku podstatně nižší (na 1 000 atomů vodíku zde připadá pouze jeden atom kyslíku)  Ve sloučeninách ► Anorganické: oxidy, kyseliny, soli,hydroxidy,… ► Organické: sacharidy,aminokyseliny,…

17 Využití ► Sváření, tavení a řezání kovů – kyslíko-vodíkový plamen (hořením O a H lze dosáhnout teploty 3 000 °C) – např. platinové kovy ► V hutnictví při výrobě železa (oceli) ► Náplň palivových článků, okysličovadlo u raketových motorů při letech kosmických lodí, pohon motorů a turbín ► Výroba elektrické energie - spalování fosilních paliv v tepelných elektrárnách (často v kombinaci s výrobou technologického tepla) ► Dýchací přístroje – v lékařství (při operacích a traumatických stavech pro podporu dýchání), pro horníky, horolezce, letce,… ► Negativní jev: koroze kovů způsobená nežádoucí oxidací

18 Uchovávání a skladování ► Ve zkapalněném stavu se uchovává ve speciálních Dewarových nádobách ► Plynný v ocelových tlakových lahvích s modrým pruhem. Přízemní ozón ► Tzv. suchý smog ► Opakem životu prospěšného ozonu ve stratosféře je přízemní ozon - těsně nad zemským povrchem ► Nebezpečný - dráždění a nemoci dýchacích cest, riziko astmatických záchvatů, podráždění očí a bolesti hlavy. ► V důsledku oxidů dusíku a plynných uhlovodíků ve vzduchu.

19 Organické sloučeniny ► Základní biogenní prvek ► Hydroxy sloučeniny –OH  Alkoholy C-OH  Fenoly –OH, aromatické jádro ► Ethery C-O-C ► Karbonylové sloučeniny  Aldehydy HC=O  Ketony C-CO-C ► Karboxylové kyseliny R-COOH ► Estery R-CO-OR ► Peroxidy C-O-O-C ► Heterocyklické sloučeniny ► Převážně O -II ► Výjimečně O -I (peroxidy), O +I (sloučeniny s F - fluoridy), O 1/2- (superoxidy) ► Oxidy O -II ► Hydroxidy –OH ► Kyseliny ► Soli:  uhličitany (CO 3 ) 2-  křemičitany (SiO 3 ) 2-  sírany (SO 4 ) 2-  dusičnany (NO 3 ) -  fosforečnany (PO 4 ) 3- Anorganické sloučeniny

20 = trikyslík - alotropní modifikace kyslíku. Vlastnosti ► Jedovatý plyn ( ► Jedovatý plyn (pro člověka a některé živočichy karcinogenní) ► Za normálních podmínek – namodralý plyn > ochlazováním se mění na tmavě modrou kapalinu > tmavě modrá pevná látka ► Molekula ozónu je lomená a úhel, který svírají vazby mezi atomy kyslíku, je 116,8°. ► Silné oxidační účinky ► Velmi reaktivní, nestabilní > rozpadá se 2O 3 → 3O 2

21 Vznik ozonu ► vzniká působením elektrických výbojů nebo krátkovlnného ultrafialového záření na molekuly obyčejného kyslíku ► dodaná energie rozštěpí dvouatomovou molekulu dikyslíku na dva atomy, tedy na dva vysoce reaktivní jednoatomové radikály ► radikály se okamžitě spojí s další molekulou dikyslíku za vzniku ozonu (trikyslíku) O 2 → 2 O O 2 + O → O 3

22 Využití ► oxidační činidlo - příprava některých peroxidických slouč. ► v průmyslu: bělení (např. textilních látek), čištění vody ► dezinfekce (povrchová konzervace potravinářských výrobků) ► v zemědělství: povrchovému ošetření zeleniny a ovoce ► medicína: léčba ekzémů, kožních defektů, stomatologie (ozonoterapie k léčení zubního kazu) Výskyt ► Ozonová vrstva (25-30 km nad povrchem) ► Ozonová vrstva vytváří obal chránící Zemi před účinky UV záření

23 ► Spolu se vzduchem (zemskou atmosférou) tvoří základní podmínky pro existenci života na Zemi. ► Nejrozšířenější a nejvýznamnější sloučenina H a O ► Patří mezi nejstálejší sloučeniny ► V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích:  Pevné – led  Kapalné – voda  Plynné – vodní pára

24 Vlastnosti ► Mimořádné chemické a fyzikální vlastnosti jsou důsledkem geometrie molekuly - chemické vazby mezi atomy svírají úhel přibližně 105°. ► Za normální teploty a tlaku: bezbarvá, čirá kapalina, bez zápachu. ► Vodíkové můstky mezi molekulami. Anomálie vody: ► Hustota – největší hustotu má tekutá voda při 3,95 °C, při této teplotě má nejmenší objem.  Voda o teplotě kolem 4 °C se hromadí na dně oceánu a vodních nádrží. To má důsledky na: v hloubkách voda nemrzne – důležité pro vodní organismy, zvětrávání – voda při mrazu zvětšuje svůj objem a „trhá“ horniny Teplota tání: 0 °C Teplota varu: 100 °C Teplota tání: 0 °C Teplota varu: 100 °C

25 Tvrdost vody ► Způsobují ji některé rozpustné soli vápníku a hořčíku - kationty: ► PŘECHODNÁ TVRDOST  Způsobena hydrogenuhličitany  Odstraní se povařením (rozpustný hydrogenuhličitan se mění na nerozpustný uhličitan) Ca(HCO 3 ) 2 → CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Mg(HCO 3 ) 2 → MgCO 3 + H 2 O + CO 2 ► TRVALÁ TVRDOST  Způsoběna hlavně sírany  Neodstraníme ji převařením, ale přidáním uhličitanu sodného (rozpustný síran se změní na nerozpustný uhličitan) CaSO 4 + Na 2 CO 3 → CaCO 3 + Na 2 SO 4

26 Dělení vody ► podle hydrologie a meteorologie:  povrchová  podzemní  ve formě srážek ► podle vlastností:  měkká – obsahuje málo minerálních látek  tvrdá – z podzemních pramenů, obsahuje více minerálních látek  destilovaná - chemicky čistá, připravena destilací (zbavena minerálních látek), použití např. při přípravě roztoků, v průmyslu  užitková – v průmyslových závodech a v potravinářství dezinfikovaná voda  pitná voda – sterilizuje se chlorem, ozonem nebo ozařováním ultrafialovým zářením, je zbavená nečistot, obsahuje vyvážené množství minerálních látek tak, aby neškodily zdraví  minerální voda –mnoho minerálních látek, léčivé účinky ► podle mikrobiologie:  pitná  odpadní  povrchová

27 Vznik, reakce a sloučeniny ► vzniká prudkým, explozivním slučováním H a O (bezbarvý plamen), exotermní reakce 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O ► vedlejší produkt při neutralizaci HCl + NaOH → NaCl + H 2 O ► 2 Na + 2 H 2 O → 2 NaOH + H 2 … (za normální teploty reaguje s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin) ► H 2 O + SO 2 → H 2 S0 3 … (reaguje s kyselinotvornými oxidy za vzniku kyselin) ► K 2 O + H 2 O → 2 KOH … (reaguje se zásadotvornými oxidy za vzniku hydroxidů) ► Některé krystalické látky obsahují ve svých strukturách vázané molekuly vody – hydráty:  CuSO 4. 5 H 2 O … pentahydrát  CaSO 4. ½ H 2 O … hemihydrát

28 Příprava pitné vody ► Získává se úpravou surové vody (podzemní nebo povrchová). ► Ke shromažďování povrchové vody slouží vodárenská nádrž (přehrada). ► Odvádí se do úpravny vod. Tam se upravuje (mechanické předčištění, chemické čeření, filtrace přes pískové filtry, odstranění iontů železa a manganu, někdy i částečné odstranění dusičnanů a dusitanů, dezinfekce). ► Pak směřuje do vodojemů a z nich se vodovody dopravuje k spotřebitelům. Znečištění vody ► Pětina lidstva nemá přístup k nezávadné vodě > choroby způsobené kontaminovanou vodou a špatnou hygienou ► Část znečištění životního prostředí pochází ze zemědělství (pesticidy, hnojiva)

29 Výskyt vody v přírodě ► V přírodě se nikdy nevyskytuje čistá, obsahuje určité množství rozpuštěných látek a plynů ► Hydrologie (rozšířením a pohyb vody na Zemi); hydrosféra ► 71 % povrchu Země: slaná voda moří a oceánů 97 % (prům. obsahuje 35 g solí v 1 l), sladká voda 3 %

30 Koloběh vody

31 Výskyt vody ve vesmíru ► Ve vesmíru se velké množství vody nachází v molekulárních mračnech v mezihvězdném prostoru, i protoplanetární mlhovina (vznikla z ní Sluneční soustava), obsahovala velké množství vody, jádra komet obsahují desítky procent vody. ► Plynná, v atmosféře:  Merkur (3,4 %), Mars (0,03 %), Jupiter (0,1%), Saturn (0,1 %), Enceladus (měsíc Saturnu) – 100 % ► Kapalná:  Země (71 % povrchu)  Europa, Io (měsíce Jupiteru) ► Zmrzlá voda:  Mars (na pólech)  Pluto (odhad 30 %)

32 Význam a využití ► Lidské tělo (70 %), rostliny (90 %) vody. Už ztráta 20 % tělesné vody je smrtelná. Na dehydrataci člověk umírá asi během 7 dnů. ► Polární rozpouštědlo (dobře rozpouští iontové a polární sloučeniny – vytváří ve vodě hydratované ionty) ► Je nejdůležitější surovinou všech průmyslových odvětví, používá se ke chlazení, ohřevu, k výrobě elektrické energie, v potravinářství ► Vodní toky (řeky) a plochy (oceány, moře, jezera) hrají významnou roli v dopravě. ► Minerální voda má léčivé účinky.