2 - Katedra chemie FP TUL

Transkript

ACH 01
ANORGANICKÁ CHEMIE
Vznik prvků
– velký třesk – prajádro vesmíru vysoká hustota a teplota,
původní hustota 96 g.cm–3, teplota 1032 K
– po jedné sekundě 1010 K – neutrony + protony + elektrony
– stovky sekund – jaderná reakce – spojování protonů a
neutronů – jádra deuteria a helia
– kondenzace prvních hvězd
– syntéza prvků
Katedra chemie FP TUL – www.kch.tul.cz
Syntéza prvků
– vodíkové hoření:
1H
+ 1H → 2H + e+ + ne
2H
+ 1H → 3He + g
3He
+ 3He → 4He + 2 1H
Celkově se 4 protony přemění na jádro heliové,
dva pozitrony a dvě neutrina
4 1H → 4He + 2 p + 2 ne
Syntéza prvků
– heliové hoření: 4He + 4He → 8Be
8Be + 4He → 12C + g
12C + 4He → 16O + g
16O + 4He → 20Ne + g
20Ne + 4He → 24Mg + g
Syntéza prvků
– uhlíkové hoření:
+ 12C → 24Mg + g
12C + 12C → 23Na + 1H
12C + 12C → 20Ne + 4He
12C
Syntéza prvků
– další procesy a
– rovnovážný proces (22Ti – 29Cu)
– pomalá a rychlá neutronová absorpce
– záchyt protonů
– proces x
– umělá příprava prvků
Greenwood, Earnshaw: Chemie prvků str. 23-45
Hledání systému prvků
Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849)
– 1829 – pravidlo triád
Alexandre-Emile Béguyer de Chancourtois
(1820-1886) – 1862 – šroubovice
John Alexander Reina Newlands (1838-1898)
–1863 – oktávy
William Odling (1829-1921)
–1865 – podobné vlastnosti
Lothar Julius Mayer (1830-1895)
–1870 – tabulka
Dmitrij Ivanovič Mendělejev
(1834-1907)
1868-1870
«Основы химии»
Další objevy prvků předpovězených
Mendělějevem
Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran
1875 Ga
(1838-1912)
Lars Frederik Nilson (1840-1899)
1879 Sc
Clemens Alexander Winkler (1838-1904)
1886 Ge
Periodicita a chemické vlastnosti
– oxidační stav
– anomální vlastnosti první krátké periody
– anomálie prvků následujících po přechodných
kovech
– lantanoidová kontrakce
– diagonální vztahy
• Historie
VODÍK
• Výskyt vodíku
• Příprava výroba a využití vodíku
• Atomové a fyzikální vlastnosti vodíku
• Vazebné možnosti
• Vodíková vazba
• Chemické vlastnosti
• Hydridy – voda
Historie poznání vodíku
1671 – Robert Boyle – uvolnění vodíku
rozpouštěním Fe v HCl, H2SO4
1766 – Henry Cavendish – podrobný popis
vlastností
1783 – A. L. Lavoisier – návrh názvu hydrogen
(z řeckého ydor geinomai – vodu tvořící)
1878 – J. N. Lockyer – spektrální důkaz H
1920 – W. M. Latimer – popis vodíkové vazby
1932 – H. C. Urey – objev deuteria
1934 – M.L.E. Oliphant, P. Harteck a E. Rutherford
tritium bombardováním deuteria
Výskyt vodíku
• Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru
• Třetí nejrozšířenější prvek na Zemi
(0,9 % hmotnostních)
• Výhradně ve sloučeninách (s výjimkou
horních vrstev atmosféry a ropných plynů)
• 15,4% atomů zemské kůry a oceánů
• Nejrozšířenější sloučeniny –
voda a uhlovodíky
Vlastnosti vodíku
H2
D2
T2
Bod tání [K]
13,96
18,73
20,62
Bod varu [K]
20,39
23,67
25,04
Kritická teplota [K]
33,19
38,35
40,6
Kritický tlak [MPa]
1,315
1,665
1,834
Příprava vodíku
• Elektrolýza vody
2 H3O+ + 2 e-  2 H2O + H2 (na katodě)
• Reakce prvků s1 a s2 s vodou
2 Na + 2 H2O  2 NaOH + H2
Příprava vodíku
• Reakce méně ušlechtilých kovů s vodní
parou
3 Fe + 4 H2O  Fe3O4 + 4 H2
• Reakce kovů s vodnými roztoky kyselin
a zásad
Zn + 2 HCl  ZnCl2 + H2
Zn + 2 NaOH + 2 H2O  Na2[Zn(OH)4] + H2
Příprava vodíku
• Hydrolýza hydridů
CaH2 + 2 H2O  Ca(OH)2 + 2 H2
• Tepelný rozklad hydridů přechodných
kovů (reakce budoucnosti)
Mg2FeH6
BaReH9
LaNi5H6
ZVÝŠENÁ
TEPLOTA
H2
+ kovy
Výroba vodíku
Reakce vodní páry s koksem
C(s) + 2 H2O(g)  CO(g) + 2 H2(g)
C(s) + 2 H2O(g)

CO2 + 2 H2(g)
http://www.makelengineering.com/dir/Te
chnologies/ISRU/ISRU.htm
500oC, Cr2O3, Fe2O3
Výroba vodíku
• Elektrolýza vodného roztoku NaCl
http://www.enaa.or.jp/WE-NET/suiso/suiso2_e.html
Výroba vodíku
• Rozklad nasycených uhlovodíků (z ropy a zemního plynu)
CH4(g)  C(s) + 2 H2(g)
CH4(g) + H2O(g)  CO(g) + 3 H2(g)
http://www.ecn.nl/units/h2sf/rd/co2capture/services-and-facilities/
http://fuelcellsworks.com/news/2009/06/02/
hydrogen-generating-plant-for-ukraine/
Výroba vodíku
• Rozklad nasycených uhlovodíků (z ropy a zemního plynu)
CH4(g)  C(s) + 2 H2(g)
CH4(g) + H2O(g)  CO(g) + 3 H2(g)
http://www.blewbury.co.uk/energy/images/hydrogen_production.jpg
Výroba vodíku ze zemního plynu
http://www.zeroregio.com/front_content.php?idcat=188
Biokatalytická syntéza vodíku
http://arstechnica.com/science/news/2009/11/photosynthesis-proves-to-be-apowerful-source-for-hydrogen.ars
http://spie.org/x19175.xml?highlight=x2358&ArticleID=x19175
Manipulace s vodíkem
Použití vodíku
Výroba amoniaku
450°C, 200 atm. Fe katalyzátor –
Haber-Boschův proces
http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebite
size/science/images/gcsechem_75.gif
http://www.linde-process
engineering.com/img/4_2_Fluessigstickstoffwaesche.jpg
Použití vodíku
Hydrogenace nenasycených uhlovodíků
(lehkých rostlinných olejů na tuhé tuky)
Výroba organických sloučenin (methanolu)
http://imghost.indiamart.com/data/9/0/MY1531269/Hydrogenation_250x250.jpg
http://imghost.indiamart.com/data/D/M/MY
-1531269/Vanaspati_Plant_250x250.jpg
Použití vodíku
Výroba HCl
přímou reakcí s chlorem
http://upload.wikimedia.org/wikipedia
/commons/thumb/1/1c/Hydrochloric_
Acid_Burner_Flame.ogg/midHydrochloric_Acid_Burner_Flame.og
g.jpg
http://www.raviindustries.biz/images/hcl5.jpg
Použití vodíku
Výroba hydridů kovů
LiAlH4
NaBH4
Zr(BH4)4
Použití vodíku
Redukce kovů v metalurgii
Výroba molybdenu,
wolframu, ale i velmi čisté
mědi
http://www.outotec.com/38638.epibrw
http://www.chinadenli.net/english/up_files/i
mage/2007-7-7/200663101922.gif
Použití vodíku
Autogenní řezání a sváření
http://www.messergroup.com/cz/Pr
odukte/gasedaten/plyn-svar-01.jpg
http://353.hamradio.cz/vpd/vpd06.jpg
Použití vodíku
Palivo pro spalovací motory
http://www.partstrain.com/images/The_Auto_Bl
og/hydrogen.jpg
Použití vodíku – palivové články
Alkalické články
(AFC's – alkaline
fuel cells), v nich
je elektrolytem
zpravidla zředěný
hydroxid draselný
KOH
Polymerní membránové
články
(PEM FC's – proton
exchange fuel cells),
v nich je elektrolytem tuhý
organický polymer
Články s roztavenými
uhličitany
(MCFC's – molten
carbonate fuel cells),
v nich je elektrolyt
tvořen směsí
roztavených
uhličitanů
Články s tuhými oxidy
(SOFC's – solid oxide fuel
cells), kde elektrolytem jsou
oxidy vybraných kovů
Články s kyselinou
fosforečnou (PAFC's –
phosphoric acid fuel cells),
jejichž elektrolytem
je jmenovaná kyselina
(H3PO4)
Přenosné palivové články
Zdroje elektrické energie pro elektronické přístroje, např.
pro notebooky, digitální fotoaparáty, záložní zdroje energie
(UPS) pro stolní počítače, zdroje energie pro přenosné
vysílače atp. Typický jmenovitý výkon těchto zařízení je v řádu
desítek wattů a povětšinou se jedná o tzv. nízkoteplotní
palivové články – membránové či přímé etanolové palivové
články (PEM FC, DMFC)
Mobilní palivové články
Zdroje elektrické energie v nejrůznějších dopravních
prostředcích. Vývoj těchto článků je zaměřen zejména na
pohonné jednotky pro osobní automobily s typickými výkony
v řádu desítek kilowattů na bázi iontoměničných membrán
(PEM FC), které jako palivo využívají především plynný nebo
zkapalněný vodík, popř. metanol. Ostatní aplikace mobilní
palivových článků pokrývají široké spektrum využití i výkonů:
jízdní kola, malé nákladní automobily a vozítka, autobusy;
či speciální aplikace – výzkumné ponorky, čluny atp.
Vazebné možnosti vodíku
Kovalentní vazba  - 1s1 H s AO (s, pz,dz2)
nebo HAO (sp,sp2,sp3…) partnera
H2
• Iontová vazba (tvořená převážně elektrostatickými
silami)
cH > cA ¯
A+
H
cH < cA ¯
H| ¯(hydridový anion)
Li
H
+ —
—
|
F
—
Li+
H–
–
V žádném případě nevznikne H+ a A¯ neboť
i u nejelektronegativnějšího atomu fluoru
se vytváří pouze silně polární kovalentní vazba
Oxidační číslo vodíku
JEDINĚ !
+
Kovalentní
hydridy
a
–
Iontové
hydridy
Vodíková vazba
Vodíkové
vazby
Hydridy
– kovalentní s elektronegativnějšími prvky (názvy –an)
– iontové (s elektropositivními prvky)
– kovové
– intersticiální – mezimřížkové polohy u kovů
– koordinační LiAlH4, NaBH4,
Chemické vlastnosti vodíku
– elektronová konfigurace – příbuzný alkalickým
kovům (ns1)
– příbuzný halogenům (chybí 1 e– do [He])
– do jeho chemického chování se promítají
protikladné vlastnosti elektropozitivních
i elektronegativních prvků (c = 2,1)
– slučuje se přímo s mnohými prvky (se všemi
kromě vzácných plynů)
Chemické vlastnosti vodíku
Radikálové reakce
X2 + H2  2 HX
(X = F, Cl, Br, I)
3 H2 + N2  2 NH3
t , p, k
Oxidační reakce (jediné případy)
2 Me + H2  2 MeH (Me = Li, Na, K, Rb, Cs)
Me + H2  MeH2 (Me = Ca, Sr, Ba)
Redukční reakce (všechny ostatní)
WO3 + 3 H2  W + 3 H2O
Hydrogenační reakce
CO + 2 H2  CH3 OH
Voda
H
H
O
O
H
H
H
H
O
O
H
H
H
H
O
O
H
O
H
H
H
O
H
H
H
O
H
H
O
H
O
H
led
H
O
H
H
voda
H
O
H
Animace modelu H2O – 28 molekul vody
v uspořádání, jaké je v ledu v obou obrázcích
Vytvořeno v programu ACD ChemSketch 12
Užitková voda
Voda procházející horninami rozpouští kationty
(Ca2+, Mg2+) a anionty (SO42–, CO32–, X–)
způsobující tvrdost vody
Užitková voda
Úprava užitkové vody (odstranění tvrdosti vody)
• Trvalé - způsobené sírany a ostatními solemi
– Destilace
– Uhličitanem sodným – tvoří se nerozpustné
uhličitany
– Polyfosforečnanem sodným (Calgon) – tvoří
se komplexy
– Použití iontoměničů (syntetické nebo přírodní
pryskyřice)
• katex = HR(s) + X+(aq)  H+ + XR(s)
• anex = HOR(s) + Y–(aq)  OH– + YR(s)
Užitková voda
Úprava užitkové vody (odstranění tvrdosti vody)
• Přechodné - způsobené přítomností uhličitanů
– Var (převedení hydrogenuhličitanů na
nerozpustné uhličitany)
• Ca(HCO3)2(aq) = CaCO3(s) + CO2(g) + H2O
– Clarkova metoda (srážením hydroxidem
vápenatým)
• Ca(HCO3)2(aq) + Ca(OH)2(aq) = 2 CaCO3(s) +
2 H2O
Pitná voda
Úprava pitné vody:
– Chlórování, ozonizace
Cl2 + H2O = HCl + HClO
– Čiření (flokulace)
Al2(SO4)3 + 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4
– Filtrace (pískovými filtry)
– Dochlórování
– Úprava pH
Pitná voda
Výroba pitné vody: (z mořské vody…)
– Expanzní odpařování (solanky)
– Reverzní osmóza
http://www.aecom.com/deployedfiles/Internet/Capabilities/Water/_images/water_Desalination
_Treatment_Facility_mainimg.jpg
Příští přednáška
Vzácné plyny

2 - Katedra chemie FP TUL

Transkript

Podobné dokumenty

Chemické názvosloví a výpočty

ELEKTROCHEMIE ELEKTROCHEMIE

Palivové články - MOST-TECH

Termodynamika hydridů

Strategická výzkumná agenda rozvoje vodíkového

Spomyšelské aktuality