CHƢƠNG 2: HYDROGEN 30 ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ Hydrogen, gọi hydro, nguyên tố đơn giản Một nguyên tử hydro gồm hạt nhân tích điện dương bao quanh electron Hydro nguyên tố nhiều vũ trụ Một lượng nhỏ hydro tồn tự (H2) tự nhiện trái đất, hầu hết kết hợp với oxy tạo thành nước Hydro có đồng vị tỷ lệ khối lương sau: H P (proti) bền (P = 1,00785) 31 H D (deutri) bền (D = 2,0142) H T (triti) phóng xạ (T = 3,0162) ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ Ở điều kiện thường, hydro (H2) chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, nhẹ so với khí khác nên khuếch tán nhanh (có thể khuếch tán qua kim loại) dẫn điện tốt Hydro tan nước dung môi hữu lít nước hịa tan 19ml khí H2 15oC 1atm Trái lại hydro tan tốt số kim loại Chẳng hạn, thể tích Pd hịa tan 1000 thể tích H2 điều kiện thường 32 TÍNH CHẤT HĨA HỌC Hydro khơng có vị trí hồn tồn phù hợp bảng tuần hồn Nó nhóm IA có electron hóa trị trạng thái oxy hóa +1 Tuy nhiên, khơng giống kim loại kiềm, hydro dễ chia electron cho Hydro phù hợp nhóm VIIA giống halogen Đặc điểm hydro kích thước bé nhỏ, lượng ion hóa cao độ âm điện lại thấp so với phi kim có proton để hút electron gắn thêm vào 33 TÍNH CHẤT HÓA HỌC 2.1 Năng lƣợng liên kết đƣợc thể qua phản ứng thủy phân H2(k) → 2H (k) Δ H = 432 kJ/mol Ở atm 2000K phân hủy đạt 0,1%, 5000K đạt 95% Do tính bền nhiệt nên hydro hoạt động nhiệt độ thường, trừ có xúc tác 34 TÍNH CHẤT HĨA HỌC 2.2 Tính khử đƣợc thể qua phản ứng Ở nhiệt độ cao, hydro chiếm oxy nhiều hợp chất: H2 (k) + CuO (r) → H2O (k) + Cu (r) [vận dụng để chế tạo số kim loại Cu, Mo, W ] 2H2 (k) + O2 (k) → 2H2O (k) [vận dụng để làm đèn hàn 2600oC] Với phi kim: H2 (k) + Cl2 (k) → 2HCl (k) [vận dụng điều chế acid hydrocloric] 3H2(k) + N2(k) → 2NH3 [vận dụng tổng hợp amoniac] 35 TÍNH CHẤT HĨA HỌC 2.2 Tính khử đƣợc thể qua phản ứng Hydro sinh chất khử mạnh Zn + H2SO4 → 2H + ZnSO4 (trong dung dịch) 5H + 3H+ + MnO4- → Mn2+ + 4H2O (trong dung dịch) H sinh khử SO2 → H2S (trong môi trường acid), NO2-, NO3- →NH3 (trong môi trường kiềm) Các phản ứng không thực với hydro phân tử (H2) liên kết H-H bền 36 TÍNH CHẤT HĨA HỌC 2.3 Tính oxy hóa đƣợc thể qua tạo thành hydrid Với kim loại hoạt động nhóm IA, IIA hydrid hợp chất ion, giống muối Ví dụ: 2Li(r) + H2 (k) → 2LiH(r) lithi hydrid Ca (r) + H2 (k) → CaH2 (r) calci hydrid Trong nước H- base mạnh phản ứng với H+ H2O tạo H2 OH-: NaH (r) + H2O (l) → Na+ (aq) + OH-(aq) + H2(k) Ion hydrid H- chất khử mạnh: TiCl4 (l) + 4LiH(r) → Ti (r) + 4LiCl (r) + 2H2 (k) 37 TÍNH CHẤT HĨA HỌC 2.3 Tính oxy hóa đƣợc thể qua tạo thành hydrid Với phi kim, hydrid tạo thành hợp chất đồng hóa trị CH4, H3N, H2O, HF chất khí, phân tử nhỏ Nhưng hydrid bor carbon lỏng hay rắn gồm phân tử lớn Trong hầu hết hydrid đồng hóa trị, hydro có số oxy hóa +1 phi kim thường có độ âm điện lớn hơn, lúc tên gọi hydrid khơng cịn Hydrid kim loại tạo thành hydro xâm nhập vào lỗ hổng cấu trúc tinh thể kim loại nhiều nguyên tố chuyển tiếp d hay f 38 ỨNG DỤNG Trong công nghiệp, hydro dùng để tổng hợp amoniac Ngồi ra, cịn dùng chế biến dầu mỏ (chuyển lưu huỳnh hợp chất hữu thành H2S) tổng hợp metanol, aldehyd, aceton từ olefin, hydro hóa chất hữu chưa no Điều chế H2O2 theo phương pháp antraquinon Điều chế kim loại từ oxyd Làm đèn xì nhiệt độ cao Làm nhiên liệu 39