HIDROGENUL-prezentare curs1

21
HIDROGENUL Simbolul H Numar atomic = 1 Numar de masa = 1.000797

description

curs

Transcript of HIDROGENUL-prezentare curs1

  • HIDROGENUL Simbolul H Numar atomic = 1 Numar de masa = 1.000797

  • Scurt istoric T.B. Paracelsus a preparat hidrogenul prin actiunea acizilor asupra ferului, numindu-l aer inflamabilJ. Watt (1781) - prin combustie formeaza apaA.L. Lavoisier l-a denumit hidrogen formator de apa (idor = apa; gennao = a forma)

  • EEste primul element a sistemului periodic, cu cea mai simpla configuratie electronica 1s1Ionizarea se poate realiza prin:

    - cedare de electron H 1e- H+ Eion = 13.53 eV (energie mare) Nici o specie chimica nu poate atrage complet electronul atomului de hidrogen H+ se formeaza prin descarcari electrice in tuburi vidate In solutii apoase H+ se gaseste hidratat, sub forma ionului hidroniu, H3O+ H+ + H2O H3O+ H = - 1092,7 KJ/mol Prezinta caracter reducator.A- acceptare de electron H + 1e- H- Ae = 0,716 eV (energie mare) Prezinta caracter oxidant.

  • Izotopi

    Are trei izotopi11 H protiu, simbol H , raspandire 99,95%21 H deuteriu, simbol D, raspandire 0,015%31 H tritiu, simbol T, radioactiv

    Molecula de hidrogen este diatomica, cu legatura sigma intre cei doi atomi. Pot exista 6 tipuri de molecule, combinatii intre cei trei izotopi:H2 D2 T2 HD HT DTEnergiile de legatura in molecula, exprimate in KJ/mol sunt:H2 432,9 D2 440,0 T2 443,38

  • Stare naturala in forma liberain gazele vulcanice - formate prin actiunea vaporilor de apa asupra rocilor la temperatura si presiune inalta in gazele naturale si petroliere (SUA)In urma fermentatiilor la nivelul tubului digestiv a celulozei, a glicerinei, zaharului din lapte (Bacillus subtilis)in gazele degajate de plantein atmosfera 0,01% (Claude 1909)in cromosfera soarelui flacari gigantice de Hin nebuloase- stelele albe - primul stadiu de evolutie a unui astru contin H ce trece in He iar stelele albastre - stele reci contin H2

    in forma combinataregnul animal si vegetalin cantitate mica, la suprafata pamantului 1%, apa naturala a 9-a parte din greutatea apeiHidrocarburile naturale

  • Metode de obtinere Metode de laborator

    folosite pentru cantitati mici Metode industriale

    folosite pentru cantitati mari

  • Metode de laborator a) Descompunerea chimica a apeiToate elementele care unindu-se cu aceeasi cantitate de oxigen degaja mai multa caldura decat hidrogenul, descompun apa cu degajare de hidrogen- Metalele alcaline descompun apa la temperatura camerei2Na + 2 H2O = 2NaOH + H2 hidrogenul se aprinde cu flacara galbena vapori de sodiu2K + 2 H2O = 2KOH + H2 hidrogenul se aprinde cu flacara violet vapori de potasiu- Metalele alcalino-pamantoase descompun apa la temperatura de 70 0CCa + 2H2O = Ca(OH)2 + H2Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2 - Aluminiul nu reactioneaza cu apa datorita peliculei de Al2O3. Reactia are loc dupa amalgamare cu HgNO3Al + 3H2O = Al(OH)3 + 3/2H2 - Ferul descompune apa la temperaturi ridicate (900 0C)Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2Sub aceasta temperatura au loc reactiile:Fe + 2H2O = FeO + H23FeO + 2H2O = Fe3O4 + H2- Dintre nemetale descompun apa B, Si, P si CP4 + 16H2O = 4H3PO4 + 10H2 reactia are loc la 400-600 0C, catalizator CuC + H2O = CO + H2 formarea gazului de apa, reactia are loc la peste 5000C Reactiile secundare sunt:CO2 + C = 2COCO + H2O = CO2 + H2 reactia are loc in prezenta de Co, Ni, Fe,Mn

  • b) Actiunea metalelor asupra acizilorMulte metale reactioneaza cu acizii diluati - saruri si eliberand hidrogenZn + 2HCl = ZnCl2 + H2Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2c) Actiunea metalelor asupra hidroxizilor alcaliniMetale - Zn, Al, Sn reactioneaza la cald cu solutii concentrate de NaOH, eliberand hidrogenZn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2Al + 3NaOH + 3H2O = Na3[Al(OH)6] + 3/2H2Sn + 2NaOH + H2O = Na2SnO3 + 2H2d) Descompunerea hidrurilor metaliceHidrurile metalelor alcaline si alcalino-pamantoase reactioneaza cu apa la rece (cele de Na si K reactioneaza cu incandescenta). Hidrolitul, CaH2 furnizeaza 1m3 hidrogen/kgCaH2 + H2O = Ca(OH)2 + H2

  • Metode industriale a) electroliza apeib) reducerea apei cu carbunec) reducerea apei cu ferd) cracarea hidrocarburilor naturale sau artificiale

  • a )electroliza apei = descompunerea apei cu ajutorul curentului electric 1800 - A. Carlisle si W. Nicholson Apa pura - nu este un foarte bun conductor electric, da un curent foarte slab de hidrogen la catod si de oxigen la anod. Pentru cresterea conductibilitatii, apa:-- se aciduleaza (10%) cu H2SO4 sau H3PO4 cand se folosesc electrozi de Pt;- - se alcalinizeaza (30%) cu NaOH cand se folosesc electrozi de Fe procedeu mai frecvent folosit. Spatiul catodic se separa de cel anodic prin diafragma de azbest, pentru impiedicarea difuziei gazelor. Disocierile care au loc sunt: NaOH Na+ + HO- HOH H+ + HO- La anod (A): 2HO- - 2e- 2HO 2HO = H2O +1/2O2 La catod (K): 2H+ + 2e- 2H 2H = H2 La conducerea curentului electric participa si ionii Na+ care cu ionii HO- refac permanent hidroxidul de sodiu. Deoarece in curentul de hidrogen difuzeaza aprox. 1% oxigen care impurifica produsul, se trece gazul peste azbest platinat. Apa rezultata se indeparteaza prin condensare, la racire. H2 + 1/2O2 = H2O

  • b) Reducerea apei cu carbuneVaporii de apa se trec peste carbune inrosit, la temperatura 1050 0C, cand se formeaza gazul de apa C + H2O CO +H2 H = 34 KJ/molLa temperaturi mai joase are loc reactia: 2CO C +CO2 H = - 40,8 KJ/mol

    Prin activarea vaporilor de apa, in prezenta unui catalizator (Fe2O3 activat cu Cr2O3 sau NiO) la 350 0C aproape tot oxidul de carbon format trece in dioxid de carbon, conform reactiei:H2O + CO H2 + CO2 H = -10,1 KJ/mol

    Dioxidul de carbon se elimina trecandu-l prin solutie de NaOH, conform reactiei:2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O

    AVANTAJ din produse ieftine carbune si apa se obtine gazul de apa care contine el insusi H2 si poate fi folosit in sinteze sau poate fi separat in componenti.

  • c ) reducerea apei cu ferFerul descompune apa la temperaturi ridicate (900 0C)Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 H = -38,4 KJ/gSub aceasta temperatura au loc reactiile:Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4 CO2 H = -3 kcalgFe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2OH = 38,4 kcalg

    d) cracarea hidrocarburilor naturale sau artificialeReactia are loc la 1000 0C si poate fi condusa in faza omogena sau eterogena (in prezenta de Fe sau Pt)CH4 C + 2H2H = -17,87 kcalArderea unei parti din metan duce la formarea de CO2 si H2O.Conversia metanului cu apa favorizeaza formarea hidrogenului:CH4 + 2H2O CO2 + 4H2Reactia are loc si la temperatura arcului electric, 3000 0C si poate rezulta:CH4 C2H2 + H2

  • Procedeul Liljenroth (1925) Se bazeaza pe reactia fosforului cu apa, tinand cont de urmatoarele trei etape de lucru:-- obtinerea fosforului in cuptoare electrice, conform reactiei: Ca3(PO4)2 + 3SiO2 + 5C = 1/2P4 + 3 CaSiO3 + 5CO-- reactia fosforului cu apa (temp. 1000 0C), conform reactiei:1 P4 + 8H2O = 2H3PO4 + 5H2- oxidarea monoxidului de carbon (temp. 500 0C), conform reactiei:55CO + 5H2O = 5CO2 + 5H2

  • Proprietati fizice- - la temperatura obisnuita este gaz incolor, inodor, insipid- - este un amestec de izotopi, cu proprietatile izotopului dominant 11 H protiu, simbol H- - prin pierderea electronului, formeaza ionul pozitiv de hidrogen, H+, cu raza 210-13 cm- - prin captarea unui elctron formeaza ionul negativ hidrura, H-, cu raza aprox. 2,7210-8 cm- - raza covalenta a moleculei diatomice este 0,7410-8 cm- - raza primei orbite Bohr este 0,5810-8 cm- - molecula este diatomica, formata printr-o legatura de tip s-s- - este cel mai usor dintre toate gazele, de 14,4 ori mai usor decat aerul, difuzeaza prin orificii mici in alte gaze si se incalzeste- - densitatea in raport cu aerul este d = 0,06948- - cand presiunea tinde la zero, devine un gaz perfect- - este foarte putin solubil in apa, coeficientul de absorbtie medie este 0,02 pana la 20 0C. Este mai solubil in alcool, AlCl3, LiCl, CaCl2, cloroform, benzen, nitrobenzen

  • Proprietatile chimice -- fiind primul element a sistemului, are o pozitie speciala in randul elementelor;-- este electropozitiv sau electronegativ, stabilind legaturi covalente sau mai mult sau mai putin ionice;-- formeaza legaturi puternice cu urmatoarele elemente: a) halogenii b) oxigenul, sulful, seleniul, telurulo c) azotul, fosforulo d) carbonul e) metalele

  • a)Reactia cu halogenii are loc in functie de reactivitatea acestora, astfel: Cu fluorul gazos reactia are loc la rece, in absenta luminiiH2 + F2 = 2HF H = -64,0 1 kcal Cu clorul reactia se petrece, fie la temperatura de 400 0C fie la temperatura ambianta dar in prezenta luminii, prin mecanism inlantuit H2 +Cl2 = 2HCl h Reactia de initiere Cl2 2Cl Reactii de propagare H2 + Cl HCl + HH + Cl2 HCl + Cl Reactii de intrerupereH + H H2 Cl + Cl Cl2 H + Cl HCl Cu bromul reactioneaza la incalzire si iluminare puternica H2 + Br2 2HBr Cu iodul reactioneaza la temperatura mai mare de 200 0C, in prezenta azbestului platinat H2 + I2 2HI

  • b) Reactia cu oxigenul are ca produs de reactie apa in stare de vapori. Reactia se produce la flacara sau scanteie electrica2H2 + O2 = 2H2O H = -58 kcal Viteza de reactie creste cu temperatura iar vaporii de apa, datorita caldurii se descompun exploziv. Amestecul de H2 si O2 este supranumit gaz detonant Aplicatie practica - suflatorul oxihidric. Este construit din doua tuburi efilate concentrice, prin cel interior se trimite O2 iar prin cel exterior se trimite H2.Temperatura flacarii este 2700 0C daca se foloseste O2 si 2000 0C daca se foloseste aer in locul oxigenului.Utilizare: taierea sau sudarea metalelor greu fuzibile.Avand caracter reducator, extrage oxigenul si din combinatii CuO + H2 = Cu + H2OReactia cu sulful si seleniul are loc la 250 0C iar cu telurul la 400 0C H2 + S = H2S H2 + Se = H2Se H2 + Te = H2Te

  • cc) Reactia cu azotul are loc la temperatura de 300-600 0C si presiune 1000 atm, in prezenta de catalizatori 3H2 + N2 2NH3d) Reactia cu carbonul are loc la temperatura de 1200 0C cand se formeaza metanul iar la temperatura arcului electric se formeaza acetilena:2H2 + C = CH4 H2 + 2C = C2H2 ee) Cu metalele formeaza hidruri metalice ionice.Combinatiile binare ale hidrogenului cu diferite elemente se numesc hidruri care pot fi: - hidruri ionice- hidruri interstitiale - hidruri moleculare

  • 1 Hidrurile ionice sunt combinatiile cu metalele puternic electropozitive, cum ar fi metalele alcaline, alcalino-pamantoase si lantanidele. Hidrurile ionice sunt combinatii foarte reactive din punct de vedere chimic, datorita afinitatii relativ mici a hidrogenului pentru electron. Unele hidrurile ionice se aprind spontan in aer, foarte probabil datorita hidrolizei determinate de vaporii de apa prezenti in atmosfera.KH + H2O = KOH + H2 Hidrurile de magneziu si beriliu prezinta un anumit caracter covalent. Ambele sunt solide, nevolatile, insolubile in solventi organici.

    2 Hidruri moleculare formeaza elementele din grupele 13-17. Metalele din aceste grupe cu exceptia Tl, formeaza hidruri asemanatoare hidrurilor nemetalelor. Reactia directa are loc uneori cu degajare de caldura (F2, Cl2, O2) iar alte ori cu absorbtie de caldura (N2, S, P). La solubizare dau solutii acide.3 Hidruri interstitiale formeaza metalele tranzitionale. Sunt solide cu caracter metalic, conductibilitate termica si electrica, compozitie variata si nestoechiometrica. Hidrogenul, avand volum mic patrunde in interstitiile retelei cristaline a metalului. Aceasta poate duce la rearanjarea atomilor metalici intr-un alt tip de retea. SUtilizare - tehnologia semiconductorilorM - metalurgia pulberilor, T - tehnica nucleara moderatori de neutroni.

  • Forme alotropice ale hidrogenuluiHidrogenul prezinta alotropie dinamica, avand doua forme alotropice orto-hidrogen si para-hidrogenS-au descoperit - variatia intensitatii liniilor spectrale ale hidrogenului molecular. Spectrul secundar este un spectru de banda de rotatie-vibratie moleculara, in care liniile sunt alternativ stralucitoare si pale. Meeke (1924) a aratat prezenta celor doua forme alotropice.Heisenberg si Hund au aratat cu ajutorul mecanicii cuantice ca si nucleul poseda un spin, iar la nivelul moleculei:- cand spinii nucleari sunt paraleli specia se numeste orto-hidrogen, o-H2- cand spinii nucleari sunt anti-paraleli specia se numeste para-hidrogen, p-H2.Pentru hidrogenul obisnuit raportul intre cele doua specii este de 3:1. In stare perfect curata p-H2 este stabil numai la temperatura foarte joasa, la temperatura mai crescuta se imbogateste in o-H2.Hidrogenul in stare nascanda este hidrogenul mai bogat in energie, obtinut in unele reactii chimice si are actiune hidrogenanta asupra unor substante care nu se reduc cu hidrogen gazos obisnuit.