Anorganická chemie

Vodík

Výskyt

Nejrozšířenější prvek ve vesmíru

Výskyt na Zemi:

• Volný $(\text{H}_2)$ – zemní plyn, sopečné plyny

• Vázaný (sloučeniny) – $\text{H}_2\text{O}$, organické sloučeniny (zemní plyn, ropa, uhlí, ...)

Je to biogenní prvek = tvoří těla živých organismů

Vyskytuje se ve 3 izotopech:

• ${}_1^1 \text{H}$ – lehký vodík (protium):

  Atomové jádro: $1 \ \text{p} + 0 \ \text{n}$

  Drtivě převažuje nad ostatními izotopy

• ${}_1^2 \text{H}$ nebo $\text{D}$ – těžký vodík (deuterium):

  Atomové jádro: $1 \ \text{p} + 1 \ \text{n}$

  Hmotnost je cca 2× větší než hmotnost lehkého vodíku

  Těžká voda: $\text{D}_2\text{O}$ – používá se v jaderných reaktorech pro zpomalování neutronů

• ${}_1^3 \text{H}$ nebo $\text{T}$ – radioaktivní vodík (tritium):

  Atomové jádro: $1 \ \text{p} + 2 \ \text{n} \to$ je nestabilní

  Hmotnost je cca 3× větší než hmotnost lehkého vodíku

  $\beta^-$ rozpad:

  $$\begin{align*} {}_1^3 \text{H} &\to \text{e}^- + {}_2^3 \text{He} \\ \tau_{\frac{1}{2}} &= 12{,}32 \ \text{let} \end{align*}$$

  Používá se do světélkujících ručiček hodinek

Fyzikální vlastnosti

Plyn bezbarvý, bez chuti a bez zápachu

Má nižší hustotu než vzduch

Chemické vlastnosti

Elektronová konfigurace: $1 \ \text{s}^1$

Vždy se vyskytuje jako molekula $\text{H}_2$, v tomto stavu je poměrně málo reaktivní

Oxidační čísla: $\text{I}, -\text{I}$ – např. $\text{H}^\text{I}\text{Cl}, \ \text{Na}\text{H}^{-\text{I}}$

Často figuruje jako redukční činidlo

Ve sloučeninách s $\text{O}, \text{N}, \text{F}$ tvoří tzv. vodíkové vazby/můstky

Atomární vodík $(\text{H})$ = singletový vodík = vodík ve stádiu zrodu – je extrémně reaktivní

Vodík je plyn hořlavý:

Vodík a vzduch tvoří třaskavou směs (vznítí se elektrickou jiskrou na $600 \ °\text{C}$)

Laboratorní příprava

Příprava = v laboratoři, malé množství, i drahé suroviny, normální podmínky

Možnosti:

1. Reakce neušlechtilého kovu s kyselinou:

   Např.:

   $$\text{Zn} + 2 \ \text{HCl} \to \text{Zn}\text{Cl}_2 + 2 \ \text{H}_2$$

2. Reakce $\text{s}^1$ prvku s $\text{H}_2\text{O}$:

   Např.:

   $$2 \ \text{Na} + 2 \ \text{H}_2\text{O} \to 2 \ \text{NaOH} + \text{H}_2$$

Průmyslová výroba

Výroba = v průmyslu, velké množství, suroviny co nejlevnější, extrémní podmínky

Možnosti:

1. Reakce methanu a vodní páry:

   $$\text{C}\text{H}_4 + \text{H}_2\text{O} \overset{\text{Ni}; \ 1100° \text{C}}\longrightarrow \text{CO} + 3 \ \text{H}_2$$

2. Reakce rozžhaveného koksu a vodní páry:

   $$\text{C} + \text{H}_2\text{O} \overset{t}\longrightarrow \underbrace{\text{CO} + \text{H}_2}_{\text{vodní plyn}}$$

   Vodní plyn se používá na výrobu organických sloučenin

3. Vedlejší produkt při výrobě $\text{NaOH}$ (= elektrolýze roztoku $\text{NaCl}$)

Použití

Skladování: v ocelových lahvích s červeným pruhem (kdysi), nebo v červené lahvi s červeným hrdlem (nyní)

• K výrobě dalších sloučenin ($\text{N}\text{H}_3, \text{HCl}, ...$)

• Jako redukční činidlo (při výrobě $\text{W}$)

• Na ztužování tuků – kapalný olej $\to$ pevný tuk

• Palivo:

  Spalování $\text{O}_2$, termojaderná fúze, palivové články

  Oxidace na anodě (palivový článek):

  $$\text{H}_2^0 \to \text{H}^+$$

  Redukce na katodě (palivový článek):

  $$\text{O}_2^0 \to \text{O}^{-\text{II}}$$

  Celkově vzniká $\text{H}_2\text{O}$

Sloučeniny

Hydridy

= Binární sloučeniny $\text{H}$ s dalšími prvky

Dělení:

1. Iontové hydridy:

   Tvoří je $\text{H}_2$ s prvky $\text{I}.$ a $\text{II}. \ \text{A}$ skupiny

   Iontová vazba

   $\text{H}_2$ má oxidační číslo $-\text{I}$

   Např. hydrid sodný ($\text{NaH}$), hydrid vápenatý ($\text{Ca}\text{H}_2$)

   Krystalické látky

   Jsou reaktivní, reakcí s $\text{H}_2\text{O}$ tvoří hydroxid a $\text{H}_2$

   Např.:

   $$\text{NaH} + \text{H}_2\text{O} \to \text{NaOH} + \text{H}_2$$

2. Kovalentní hydridy:

   Tvoří je $\text{H}_2$ s prvky $\text{III}. - \text{VII}. \ \text{A}$ skupiny

   Kovalentní vazba

   $\text{H}_2$ má oxidační číslo $+\text{I}$

   Mají triviální názvy – např. alan ($\text{Al}\text{H}_3$), silan ($\text{Si}\text{H}_4$)

   ---

   25. 1. 2023

   Hydridy s nepolární vazbou nereagují s vodou jako zásada či kyselina – např. $\text{C}\text{H}_4, \text{Si}\text{H}_4, \text{B}_2\text{H}_6$

   Hydridy s polární vazbou reagují s vodou jako zásada či kyselina – např. $\text{HCl}, \text{H}_2\text{S}, \text{N}\text{H}_3, \text{P}\text{H}_3$

3. Kovové hydridy:

   Tvoří je $\text{H}_2$ s $\text{d}$-prvky

   Mají kovový vzhled

   $\text{H}_2$ proniká do krystalické mřížky kovu

4. Hydridové komplexy:

   Obsahují koordinačně kovalentní vazbu mezi $\text{H}^-$ a kovem

   Např. $\text{Li}[\text{Al}\text{H}_4]$ (tetrahydridohlinitan lithný) – používá se jako redukční činidlo v organické chemii