Systematická anorganická chemie

Prezentace na téma: "Systematická anorganická chemie"— Transkript prezentace:

1 Systematická anorganická chemie
Vodík, kyslík, oxidy, voda, vzduch

2 Vodík Základní údaje o prvku: Symbol prvku H Protonové číslo 1
Molární hmotnost 1,0008 g.mol-1 Elektronová konfigurace 1s1 Elektronegativita 2,1 Oxidační číslo -I,0,I Atomový poloměr 30pm Teplota tání -259,2°C Teplota varu -252,6°C

3 Výskyt a výroba vodíku Nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Na Zemi však v pořadí podle zastoupení prvků zaujímá až 9. místo (w = 1%). Elementární vodík – součást atmosféry ve výškách nad 100 km. V přízemních vrstvách atmosféry je zastoupen pouze (φ = 0,003%). Vázaný vodík - voda, - uhlí, - ropa, - zemní plyn, - většina organických sloučenin,

4 Laboratorní příprava:
1) Rozpouštění neušlechtilých kovů v kyselinách: Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 2) Rozklad iontových hydridů vodou: CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2 3) Elektrolýza vody obsahující malé množství vhodných elektrolytů (např. NaOH): katoda: 2H+ + 2e- = H2 anoda: 2OH- = H2O + 1/2O2 + 2e-

5 PRŮMYSLOVÁ VÝROBA (nad 1000°C) (1200°C)
1) Oxidace zemního plynu (methanu) vodní parou CH4 + H2O(g) = CO + 3H2 ( °C), Ni-kat. 2) Redukce vodní páry koksem C(s) + H2O(g) = CO + H2 (nad 1000°C) 3) Termický rozklad methanu CH4 = C + 2H2 (1200°C) 4) Elektrolýza vody 5) Elektrolýza vodného roztoku NaCl

6 Vlastnosti a použití vodíku
Fyzikální vlastnosti - za běžných podmínek bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, který se obtížně zkapalňuje - málo rozpustný ve vodě, snadno však difunduje do krystalových mřížek kovů - nejlehčí plyn (cca14x lehčí než vzduch), svým chováním se nejvíce blíží ideálnímu plynu - v plynném, kapalném i pevném stavu je tvořen molekulami H2; tuhý vodík lze za vysokých tlaků převést na kovovou modifikaci se supravodivými vlastnostmi.

7 Chemické vlastnosti Atomový vodík H (vodík ve stavu zrodu) je reaktivní látka – slučuje se přímo s většinou prvků. Největší afinitu vykazuje vodík k nekovům, se kterými reaguje většinou explozivně za vzniku molekulových hydridů. H2 + F2 = 2HF (g) - probíhá za výbuchu i při -200°C H2 + Cl2 = 2HCl (g) - explozivní za normálních teplot při intenzivním osvětlení 2H2 + O2 = 2H2O (g) - vybuchuje po iniciaci (el. jiskra) 3H2 + N2 = 2NH3(g) - reakci je nutné i za vysokých teplot urychlovat katalyzátory

8 Použití Syntézy – amoniak, HCl, syntetický benzín
Metalurgie – redukční činidlo při výrobě některých kovů CuO +H2 = Cu +H2O(g) WO3 +3H2 = W +3H2O(g) Svařování a řezání kovů – kyslíko-vodíkový plamen, dosahující v Daniellově hořáku teploty až 2500°C Energetika - kapalný vodík - palivo v raketových motorech - deuterium, tritium – využití v jaderné energetice

9 Sloučeniny vodíku Hydridy – binární sloučeniny vodíku se všemi ostatními prvky; vodík vystupuje v OČ –I,+I iontové – sloučeniny vodíku s kovy 1. a 2. skupiny (mimo Mg a Be) – velmi reaktivní látky, silná redukční činidla kovové – vytváří vodík s většinou d-prvků – vykazují charakter intermetalických slitin polymerní – s kovy 12. a 13. skupiny – molekuly vázány do dlouhých řetězců (H-můstky) molekulové – prvky skupiny – jednoduché, přesně definované molekuly (NH3,HCl)

10 Kyslík Základní údaje o prvku: Symbol prvku O Protonové číslo 8
Molární hmotnost 15,9994 g.mol-1 Elektronová konfigurace 1s2 2s2 2p4 Elektronegativita 3,5 Oxidační číslo -II,-I,-1/2,0,II Atomový poloměr 66 pm Teplota tání -218,8°C Teplota varu -183,0°C

11 Výskyt a výroba kyslíku
Kyslík je nejrozšířenějším prvkem na Zemi (w = %). Volný kyslík (O2) – součást atmosféry do výšky cca 10-11km (φ = 20,9%) Vázaný kyslík - ve vodě, - v oxidech, které jsou součástí zemské kůry (SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, MgO,…atd.), - v organických látkách (biogenní prvek)

12 Laboratorní příprava:
Termický rozklad látek bohatých na kyslík, např: 1) oxidů ušlechtilých kovů: 2Ag2O = 4Ag + O2 2) některých peroxidů: 2H2O2 = 2H2O + O2 2BaO2 = 2BaO + O2 3) solí oxokyselin: 2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2 2KNO3 = 2KNO2 + O2

13 PRŮMYSLOVÁ VÝROBA 1) Frakční destilace zkapalněného vzduchu
Založena na rozdílné teplotě varu jednotlivých plynných frakcí. Pořadí bodů varu přibližně odpovídá molárním hmotnostem složek. 2) Technologie PSA (Preasure Swing Adsorption) Podstatou metody je adsorpce plynů na molekulových sítech při měnícím se tlaku. 3) Elektrolýza vody Anodická oxidace OH- : 4OH- - 4e- = 2H2O + O2

14 Vlastnosti a použití kyslíku
Fyzikální vlastnosti - za běžných podmínek bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, podobně jako vodík obtížně zkapalnitelný; - málo rozpustný ve vodě za normálních podmínek asi 32g/dm3, s rostoucí teplotou jeho rozpustnost výrazně klesá; - ve všech třech skupenských stavech vystupuje ve formě molekul O2; - alotropickou modifikací je ozón, který má tříatomovou molekulu O3.

15 Chemické vlastnosti - značná reaktivita – slučuje se přímo s většinou prvků, mimo halogeny a některé ušlechtilých kovy (Au, Pt), - v reakcích vystupuje jako oxidační činidlo, - poskytuje reakce často velmi silně exotermické - část energie se uvolňuje ve formě viditelného záření (hoření), S + O2 = SO2 C + O2 = CO2 - může vytvářet dvojné (O2, CO2), výjimečně i trojné vazby (CO).

16 Lékařství – plnění dýchacích přístrojů, desinfekce a sterilizace (O3)
Použití Lékařství – plnění dýchacích přístrojů, desinfekce a sterilizace (O3) Metalurgie – intenzifikace hutních procesů (kyslíkové konvertory) Svařování a řezání kovů – kyslíko-vodíkový, popř. kyslíko- acetylenový plamen Chemický průmysl – oxidační reakce (výroba HNO3, H2SO4…) Kyslík se dodává v ocelových lahvích, plněných na tlak 15 MPa, označených modrým pruhem..

17 Sloučeniny kyslíku Oxidy – binární sloučeniny kyslíku s dalšími prvky. Oxidační číslo kyslíku je -II. Představují základ chemického systému sloučenin, který je založen na vztahu: kyselina oxid + voda vzájemná reakce sůl hydroxid Nejdůležitější charakteristiky oxidů: – strukturní typ, acidobazický charakter, termická stabilita.

18 Acidobazický charakter oxidů
Zásadotvorné oxidy – reagují s vodou za vzniku hydroxidů, s kyselinami za vzniku solí. Na2O + H2O = 2NaOH Na2O + 2HCl = 2NaCl + H2O Kyselinotvorné oxidy – poskytují reakcí s vodou oxokyseliny, s hydroxidy reagují za vzniku solí. Mn2O7 + H2O = 2HMnO4 Mn2O7 + 2KOH = 2KMnO4 + H2O

19 Amfoterní oxidy – Poskytují soli při reakci s kyselinami i se zásadami
Amfoterní oxidy – Poskytují soli při reakci s kyselinami i se zásadami. Ve vodě jsou vesměs nerozpustné. ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O ZnO + 2NaOH + 2H2O= Na2[Zn(OH)4] +H2O Tetrahydroxozinečnatan sodný Stojí za povšimnutí, že při reakci s kyselinou se kov z oxidu stává kationtem vzniklé soli. Naopak při reakci oxidu se zásadou se kov stává součástí komplexního aniontu. Netečné oxidy – nevytvářejí kyseliny, hydroxidy, ani soli (např. CO, N2O)

20 Peroxidy – podvojné sloučeniny kyslíku v nichž se vyskytuje vazba -O-O-. Oxidační číslo kyslíku je -I. Peroxid vodíku (H2O2) - bezbarvá, sirupovitá kapalina, fyzikálními vlastnostmi připomínající vodu Jedná se o nestálou látku, která se snadno rozkládá na vodu a kyslík: 2H2O2 = 2H2O + O2 Vystupuje většinou jako oxidační činidlo, přičemž se redukuje na vodu (desinfekční účinky). Chová se jako slabá dvojsytná kyselina - náhradou vodíku kovem vznikají peroxidy kovů.

21 Voda Nejvýznamnější a nejrozšířenější chemická látka – nezbytná pro život a současně je nejdůležitější surovinou všech průmyslových odvětví. Výskyt: v kapalném stavu pokrývá 2/3 zemského povrchu, ve formě páry je stálou složkou atmosféry, tvoří součást živých organismů, vázaná se vyskytuje v různých sloučeninách (hydrátech) a je strukturní součástí mnohých minerálů a hornin.

22 Vlastnosti chemicky čisté vody
Bezbarvá kapalina bez chuti a zápachu. Teplota tání a varu 0°C, resp. 100°C – základní body Celsiovy stupnice. Vzhledem k velké polaritě vazeb O-H se mezi molekulami uplatňují vodíkové vazby – příčina mimořádných vlastností vody – tzv. anomálie vody. Nižší hustota pevné fáze oproti fázi kapalné – rmax= 0,999973kg.dm-3 při 4°C. Snižování teploty tání s rostoucím tlakem.

23 Technologie vody Tvrdost vody – charakteristika přírodních vod – je způsobena rozpuštěnými Ca2+ a Mg2+ ionty. karbonátová (přechodná) – způsobená hydrogenuhličitany – odstranitelná varem (dekarbonizace) Mg(HCO3)2 = MgCO3(s) + CO2 + H2O nekarbonátová (trvalá) – způsobená sírany - odstranitelná srážením CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 (s) + Na2SO4 celková = karbonátová + nekarbonátová (mmol.dm-3)

24 Druhy vod podle tvrdosti
Druh vody Celková tvrdost měkká do 1 mmol.dm-3 středně tvrdá 1 – 1,5 mmol.dm-3 tvrdá 1,5 – 3 mmol.dm-3 velmi tvrdá nad 3 mmol.dm-3 Pitná voda má mít tvrdost 1,5 – 2,1 mmol/dm3.

25 Úprava a čištění vody Obecné zásady čištění vod:
Postup čištění průmyslových odpadních vod závisí na jejich složení a budoucím použití. Obecné zásady čištění vod: odstranění hrubých nečistot – sedimentace v odkalovacích nádržích Odkalovací nádrž Dorrův hřeblový usazovák s obvodovým náhonem (schéma).

26 odstranění jemných tuhých částic – čiření (tvorba vločkovitého
odstranění jemných tuhých částic – čiření (tvorba vločkovitého mraku hydroxidu hlinitého, kterým prochází čištěná voda) Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 Vzniklý hydroxid částečně disociuje za tvorby komplexních iontů – např. [Al(OH)4]- , [Al(H2O)6]3+, mající díky svému elektrickému náboji výraznější sorpční vlastnosti neutralizace kyselých a zásaditých vod - vápnem, odpadními kyselinami (HCl, H2SO4) desinfekce vody (O3, Cl2, UV-záření) Pro zvláštní účely: Destilace (pro chemické účely). Odplyňování – pro parní kotle.

27 Rozdělení vody podle použití
pitná – optimální tvrdost 1,5 – 2,1 mmol.dm-3, musí obsahovat minimum dusíkatých a fosforečných sloučenin, které se do ní dostávají z průmyslových hnojiv. užitková – používaná ve výrobních provozech - úprava závisí na jejím určení. Např. napájecí voda pro parní kotle: - nesmí obsahovat žádné nečistoty - musí být měkká (nejlépe demineralizovaná) - musí být odplyněná (zbavená především O2) odpadní – všechny druhy vod, kterých bylo použito pro domácí, komunální, průmyslové a zemědělské účely, čímž ztratily své původní vlastnosti.

28 Vzduch Výskyt - tvoří zemskou atmosféru, která má až do výšky 10-11km (troposféra) téměř konstantní složení. dusík 78,1% kyslík 20,9% vzácné plyny asi 1% oxid uhličitý asi 0,03% Vzhledem ke stálému složení lze suchý vzduch považovat za čistý plyn s těmito vlastnostmi: molární hmotnost 28,94 g.mol-1 hustota (n.p.) 1,2932 g.dm-3 měrné teplo 0,994 kJ.kg-1

29 Zkapalňování vzduchu Lindeho způsob:
komprese na 20 MPa (vzduch se ohřeje) ochlazení stlačeného vzduchu - I. v amoniakálním chladiči - II. v protiproudém výměníku tepla prudké rozepnutí v expanzním ventilu - část vzduchu zkapalní - nezkondenzovaný podíl zpět do kompresoru

30 Použití kapalného vzduchu
Zdroj kyslíku, dusíku, vzácných plynů (Ar) Separace jednotlivých složek: - frakční destilace - adsorpce na molekulových sítech Dosahování velmi nízkých teplot – bod varu: -190°C Kapalný vzduch + dřevěné piliny = oxyliquit (trhavina)