Hoa vo co tap 2

HOÀNG NHÂM HOA HOC VO CO TAP HAI HOÀNG NHÂM HĨA HỌC VƠ CƠ TẬP HAI Các ngun tố hóa học điển hình (Tái lần thứ bảy) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO ĐỤC & Ỷwovây GD 155 — 2006 / CXB /2~ 25/ Mã số : 7KO89T6 - DAL CHUONG | HIĐRO, OXI VÀ NƯỚC - — Hiđro electron hạt nhân Nguyên tử hiđro có kiến trúc đơn giản (1s), gồm vị : proti CH), doteri đồng ba có Hiđro mang đơn vị điện tích dương gọi proton @H vị Tỉ lệ đồng xạ phóng học hay TT) Proti đơteri hai đồng vị bến triti đồng vị hay D) va triti @H chất hiđro hợp !H D T 99,984%, 0,016% 10 3%, : ứng, tính chất hóa Trừ số đặc điểm tốc độ hàng số cân phản H, D T giống Do có kiến trúc đặc tử nguyên biệt, H có ba Mất electron hoa trị biến thành ion H” : W-e=H, Về khả này, nâng hiđro giống kim lớn gấp vài ba lần so với kim loại kiếm loại kiếm khả : AH? = 1312kd/mot lượng kiềm, proton tổn tử khác, chẳng hạn với nước tạo thành hợp electron thành biến ion nhiễu loạn đám cation kim loại mà luôn kết hợp với nguyên tử hay phân HạO' H” có kiến trúc electron = AH® H+e=H, heli nén cap eđ cực phân tử HƠI electron trường hợp chung cho phân liên kết cộng tử H; hơa (1s? -67kd/mol KH, CaH; lon H tự có khả tồn hiđrua muối gần H cua n này, hiđro giống halogen, luc electro luc electron cia halogen Tao hiđro Proton kích thước bé nhiều (r ~ lõ.10” Bom) 10 Šem) mang điện tích nên cố kha nang làm so với nguyên tử (r Bởi khác với may electron nguyên tử chung quanh Kết hóa ion trị Liên có cực kết Về khả phần năm trường khơng hợp đạc biệt bảng tuần hoàn Các khả cho thấy H có vị trí kim loại kiếm halogen nguyên tố hóa học ; no vila giống vừa khác việc xếp H: vào nhóm halogen Nhưng phải xếp vào bai nhớm cấu hình electron ngun tử có tương đối hợp lí Tuy nhiên dựa vào lúc viết H dấu ngoặc đơn thể xếp H nhóm lA bảng tuần hồn nhóm VIIA Do ban chat cla proton khơng có lớp electron chắn điện tích hạt nhân, hiđro có đặc điểm mà ngun tố khác khơng có tạo nên liên kết hiđro, cầu hiđro nhiều hợp chất không hợp thức với kim loại Tính chất lí học Dạng tồn bình thường trạng thái tự hiđro H - H phân tử H; gồm 485k/moi độ hai nguyên dài cớ độ bền lớn, khó bị cực hớa, nóng chây khơng (-259,1°C) nhiệt liên tử Năng kết lượng liên kết 0,744 Phân tử BH; nhiệt độ bé nhẹ nên có nhiệt độ độ sơi (-252,6°C) thấp thường, hiđro khí khơng màu, khơng mùi khơng vị Nó nhẹ tất khí, lít H; điều kiện chuẩn nặng 0,08985g, nhẹ lớn gấp 3, khuếch khí gần lần tán 1õ lần Bởi hidro có tốc độ khuếch khơng khí Điều hiđro khơng khí tán lớn nhất, thấy rõ qua thí nghiệm Nếu úp lên bình sứ xốp (hình 1) cốc đựng đẩy khí hiđro hidro vào bình sứ nhanh so với khơng khí từ bình sứ ngoai Do dé ap sudt bình sứ Khi không khuếch tăng lên làm cho nước lọ hai miệng theo ống phun lấy cốc khỏi bình sứ, áp suất bình giảm xuống khí ngồi bị hút vào bình sứ qua ống tạo thành bọt tán lớn, khí hidro có độ dẫn nhiệt lớn Khi dùng khí hiđro để vật nóng, q trình nguội xẩy nhanh lần so với khơng khí se thntch t tn cia kat hidro khơng khí Nhờ có tốc độ làm nguội Vì nhẹ nên khí hiđro trước dùng để bơm vào khí cầu Trong đại chiến giới lần thứ hai, khí cầu hiđro mang bom nổ không kết lại thành lưới để bảo vệ thành phố khỏi bị máy bay đến ném bom Trong kháng chiến chống Mi, nhân dân ta dùng khí cầu hiđro để cản máy bay phân lực Trong khí tượng, khí cầu hiđro dùng vào mục dích thám khơng Mấy năm gần đây, người ta khơi phục lại việc sử dụng khí cẩu làm phương tiện vận tải khơng Một ví dụ cơng tí hàng khơng Anh dùng khí cầu vận chuyển hành khách du lịch Pháp bay qua biển Măngsơ Loại khí cầu chở khoảng 100 hành khách, Pháp người ta dùng khí cầu để chỡ hàng hớa Âhí hiđro tan nước hịa tan Gần kim 21,ð mỉ khí người loại Tinh chat nén dung môi hữu Một lít nước 09C chỉ, hidro ta tạo khí hiđro áp trạng thái hiđro, suất 3000 000 ø#m nhiệt độ gọi trạng thái khoảng -270°C Hidro kim loai la m6t chất rắn có độ dẫn điện cao tính chất khác kim loại Nớ có triển vọng sử dụng lớn tương lai để làm nguồn nhiên liệu hớa học nguồn nhiên liệu nhiệt - nhân Ii tưởng, héa học Phân tử H, với vỏ electron nguyên tử He, có độ bền lớn nên khớ phân hủy thành nguyên tử Nó phân hủy rõ rệt nhiệt độ 2000°C Quá trình phân hủy thu nhiệt nhiều : H, = 2H, hiđro AH° = 486kJ/mol Cho nên nhiệt độ thường, hiđro hoạt động vẽ mặt hóa học Khi đun nóng, kết hợp với nhiều ngun tố Ví dụ hiđro kết hợp trực tiếp với kim nên hiđrua kim loại : 2L + Hạ = 2LiH Ca +H, = CaH, loại kiểm kim loại kiếm thổ tạo oe: see kết hợp Hiđro nitd v.v với nguyên tố không-kim loại oxi, clo, lưu huỳnh, độ thường, hầu Hỗn hợp hai thể tích khí hiđro thể tích khí oxi nhiệt nổ mạnh điện tia khơng có phản ứng, tiếp xúc với lửa có Phản ứng phát nhiều nhiệt : , AH° = -241,82 kJimoi 2H;(k) + O;Œ) = 2H;OŒ) nổ ứng Phân độ bát cháy sau Nhiệt giải thích hợp hiđro - phần lớn oxi có tỉ lệ gần ; vào khoảng ð50°C Nhưng không thiết phải nổ xảy hay tồn hỗn hợp khí đốt nóng đến nhiệt độ phản ứng xảy điểm Chỉ cần điểm hỗn hợp đạt tới nhiệt độ đó, phản ứng ứng với đốt nóng phân tử H; O; chung quanh làm cho chúng phản thể tích hỗn phản ứng lan truyền nhanh chóng tồn đột ngột hợp, gây tượng nổ, nhiệt phản ứng làm thể tích khí tăng lên Ngược lại khí hiđro cháy cách êm dịu oxi tỉnh khiết phản ứng phát khơng khí trường hợp khơng có bỗn hợp nổ khí Do độ khoảng 2ö500°C nhiều nhiệt, lửa hiđro cháy oxi tỉnh khiết có nhiệt anh dùng Trong thực tế người ta dùng đèn xì hiđro - oxi để nấu chảy platin, thạch vào việc chế rubi nhân tạo từ nhôm oxit ứng nổ Khi tiếp xúc với hidro, cần phải cẩn thận để tránh xây phản phải thử hết trước ý muốn của'chúng ta Mỗi muốn đốt nóng khí hidro, khí sẵn có xem khí hiđro điều chế có cịn lẫn khí oxi khơng ống nghiệm vào hiđro dụng cụ dùng để điều chế Muốn thử, ta thu đẩy khí lửa mở ngón bịt ngón tay vào miệng ống nghiệm, đem miệng ống kể sát tục thử tay ra, có tiếng nổ khí hiđro cịn lẫn khơng khí Tiếp có oxi cịn khong khơng cịn tiếng nổ đâm bảo hidro đun nóng Tương tác hiđro oxi khơi mào khơng cách sợi amiăng có chứa lên khơng cháy š Nếu H, réi amiang cd bốc cháy + tất dập dong chia chita ‘mudi lửa khí Pt, vào khí = dịng sợi lai H, ; rể mà chất xúc tác Khi chia dịng khí H; vào nhúm muội Pt, sợi amiăng đốt nóng % khí khí H; bốc dich Rott age nóng e † (200°C) Dựa vào tương tác H, O; với chất xúc tác Pt, gần người ta chế pin nhiên liệu (Hỉnh 2) Pin với gồm có ba khoang cách ngăn hai điện cực làm than xốp có chứa muội Pt Thổi khí H; vào khoang điện cực âm khí O, vào khoang điện cực dương Các khí khuếch tán chậm qua điện cực xốp Chất điện l¡ nằm khoang dung dịch KOH đặc nóng (~ 200°C) Ở điện cực xẩy nửa phản ứng sau : ⁄ Cực (+) Cực than xốp Cực (*) Hình - Sơ đồ đơn giản pin nhiên liệu hidro — oxi „ 4H,0 W) + de = 40H (dad) phản ứng chung : I 2H, (k) + 40H” (dd) O, (Ĩ + 2H,O 0) +4e ® ` 2H, (k) + 0, (k) = 2H,0 () Các khí cung cấp liên tục cho pin nước lên tục khỏi pin Mỗi pin nặng tới khoảng 100 kg giá đất pìn hạn chế việc sử dụng rộng rãi nhiên Pin -`oxi hiđro liệu dùng du tàu vũ hành để trụ vừa cung cấp điện vừa cung cấp nước cho phi hành đoàn Nhiên liệu H; pin thay CH„, NH; chất oxi hóa Ơ¿; thay Cl, Oj Ngồi việc kết hợp trực tiếp với oxi, hiđro lấy oxi oxit nhiều kim loại đồng, chỉ, sắt, thủy ngân Vi du: CuO + H, = Cu+H,0 Fe,0, +'4H, = 3Fe + 4H,0 Phan ứng thứ dùng để định lượng hiđro Dựa vào phản ứng khử oxit kim loại thành kim loại, hiđro thường dùng để điều chế số kim loại nhu Ni, Fe va W Khi có mật platin làm chất xúc tác, hidro khử nhiều hợp chất hữu tan dung môi hữu : khủ hợp chất không no thành hợp chất no, khử anđehit Ở thành rượu chúng suất áp Thực nghiệm cho thấy chẳng hạn phản ứng với hiđro H điện Thật nhận qua êm sinh khơng người thấy có khả ta hidro hoạt động thể có hiđro cao đẩy điều cứu nhiều loại khỏi dịch dung muối tính hóa học hiđro có tăng lên mạnh, chỗ vừa sinh Người ta giải thích hoạt chất phải trạng thái phân Nghiên kim số chế khả so với biđro hiđro phản mà tử H; nguyên ứng phân trạng thái nguyên lử ð trạng thái khí điều kiện hiđro nguyên tử VÍ dụ tử phóng tủ, người ta thường, hiđro nguyên tử kết hợp với oxi, lưu huỳnh, phot pho, asen, khử oxit nhiều kim loại, đẩy số kim loại (như đồng, bạc, chỉ) khỏi dung dịch muối va tham gia vào phản ứng mà điều kiện hiđro phân tử khơng Hoạt tính hớa học cao hiđro nguyên tử giải thích sau Trong phản ứng hóa học, hiđro phân tử trước hết phải phân hủy thành hiđro ngun tử mà q trình phân hủy địi hỏi tiêu thụ nhiều nhiệt Dĩ nhiên lượng cẩn thiết phải bù lại lượng phát biđro nguyên tử phản ứng với chất Bởi phản ứng hiđro phân tử phát 436kJ mol Hy xảy tự phát Nhưng chất tương tác với hiđro nguyên tử, việc cung lượng cho q trình phân hủy H; khơng cẩn thiết phạm vị phản ứng rộng lớn “ w \Sí — a K Hinh - Dén xì hidro nguyén wt „vào ~ _ Trên thực tế người ta dùng hiđro nguyên tử việc hàn kim loại Trong đèn xì hiđro nguyên tử (hỉnh 3) người ta cho dịng khí hiđro qua điện hồ quang tạo nên hai vonfram hidro phan ti bj phan hay mot phén thành hiđro nguyên tử Những nguyên tử lại kết hợp vọt tăng làm nhiệt nhiều phát lửa kể sát loại kim mặt bề với nhiệt độ lửa hiđro Bằng cách vậy, kim loại đốt nóng tới nhiệt tính độ khoảng 4000°C, Ưu điểm đèn xì hiđro nguyên tử lửa nóng đều, có bé khử cho phép hàn tiết kim loại phổ Trạng thái thiên nhiên phương pháp diều chế Hiđro nguyên tố trữ biến vũ trụ lực trường Quả Đất tương đối yếu nên số tổng 17% chiếm nhiên Tuy lượng hidro Quả Đất bị giảm xuống chiếm nghĩa nguyên tử vỏ đất (gồm quyển, thủy thạch quyển) 1%, khối lượng tố khác Ví dang hop Hầu tồn hiđro đất dạng,hợp chất với nguyên dụ nước hiđro chiếm gần 11% khối lượng, đất sét 1,5% dầu có hiđro với cacbon, chất khí quyển, tự có than mẻ, lớn khí hiđro dùng ngành Một phần Hiđro vật thể tích 0,00005% khoảng sinh khí thiên nhiên đá, cơng nghiệp hóa học để tổng phần nhỏ, hợp amoniac, rugu metylic, axit cÌohiđrie, nước, oxi chế hóa đầu mỏ ; cịn dùng làm lỏng Hiđro béo chất để hiđro hóa hợp chất hữu cơ, ví dụ m` hiđro 1457 ding da nhiên liệu tên lửa Tên lửa ding dé phong tau thoi Columbia long va 541 m? oxi long Gần người ta nghiên cứu thành công việc dùng hidro lỏng để làm nhiên thay ét xảng chạy ô tô, nhiên liệu không gay nhiễm mơi trường hiđro khí chất, hợp nhiều có Tuy phát đối tương muộn Khí với axit (1493 hiđro chế lần Trung Quốc Ở châu Au, bac si Paraxen tiên đấu người 1541) sunfuric ông không điều chế 1771 nhà khoa hiđro kết hợp khí học oxi với khí hiđro cho đỉnh khảo sát tính cháy thu Anh thành khí Cavendisơ nước Năm (H.Cavendish, Lavoaziê 1779 đến Trong 1000°C công hiđro nghiệp, phương pháp di từ than, trộn nước ta cho khí Năm biết định hiđro pháp khác qua than khí than = CO với nước AH® + Hạ, cho hỗn hoạt hớa Cr;O; hay NiO), nhiệt độ 450°C CO + H,0 = CO, +H, hợp qua : = - - 1691) đó, từ tiếng Hi Lạp chế theo phương người - 1810) 1731 xác Aydorola : cốc đốt nóng thu hốn hợp hai khí CO H; gọi khí than nước € + H;O xong điểu (xuất phát thành phần nước đạt tên ñiđrogeniưm nước genao la sinh ra) Trong dụng tác mô tả tính chất khí Vé sau Robe Boild (1627 hiđro, người chế điêu sắt liệu : 130k chất xúc tác (Fe,O; AH® = -42kd phản ứng Đây phản ứng phát nhiệt đốt nóng hỗn hợp bên phải, nhiều dịch nhiệt độ cao nữa, Để làm cho cân phản ứng chuyển người ta lấy nước dư (thường hay lần) so với khí CO nước, cịn Rửa hỗn hợp CO; H; với nước áp suất 2ðaim, khí CO, tan vào người ta lại khí H;, Để loại bết lượng bé CO, CO khí hiđro cho khí qua amoniac Nhà máy hợp NHạ dung dịch natri hiđroxit dung dịch muối đồng () cacbonat phân đạm Hà Bác dùng phương pháp điều chế khí H„ để tổng Se tot Trong phương pháp từ khí thiên nhiên, cho hỗn hợp khí thiên nhiên nước đốt nóng đến 1000°C qua chất xúc tác niken : CH, + H,O = CO + 3H, AH? = 2098 2CH, + O, = 2CO + 4H, AH® = -71kd Để giữ cho chất xúc tác không bị nhiễm độc, cần loại hợp chất lưu huỳnh khí thiên nhiên Để lấy riêng khí H; ra, người ta chế hóa hồn hợp khí CO H; giống trên, Khí thiên nhiên đốt cháy khơng hồn tồn oxi hay khơng khí giàu oxi tạo thành khí than : chế hóa hỗn hợp CO H; cách tương tự Khí bay lên lị luyện cốc hay gọi &hí /ò cốc thường chứa H,, 25% CH,, khoang 50% hiđro cacbua Các khí 5% CO, 5% CO,, độ có nhiệt 10% N, va 5% cde sôi khác cho nên hớa lơng phân đoạn khí lị cốc, người ta tách hỗn hợp H, Phương pháp phân điện amoniac dé téng hop va N, dùng nước cho Hạ khiết tỉnh đát tiền Trong công nghiệp người ta điện phân dung dịch khoảng 25% NaOH hay KOH nước, hidro bay lên cực âm oxi cực dương Đơteri dùng để làm chất làm chậm nơtron 1d phân ứng hạt nhân nhiên liệu nhiệt nhân Trong hóa học, đơteri dùng vào việc nghiên cứu chế phản ứng Để điều chế đơteri, người ta điện phân nước nặng Trong phịng thí nghiệm, hiđro thường điều chế bang cách cho kẽm hạt tác dụng với dung dịch axit sunfuric loãng axit clohiđrie bình Kip (hinh 4) Hình ~ Binh Kip Zn + H,SO, = ZnSO, + H, Trong trường hợp dùng Zn tỉnh khiết, phân ứng xảy chậm, cần cho thêm Ít muối đồng vào để phân ứng xảy nhanh Ngày phòng thí nghiệm, dùng H; cớ sẵn bình thép đựng biđro nén áp suất 150 - 200atm Hidrua cia cde nguyén tố Hiđro tạo nên hợp chất với gần hầu hết nguyên tố goi chung 1a Aidrua nghia rộng, hợp chất hiđro vào chất liên kết hớa học hợp chất người ta làm ba loại : hiđrua ion, hiđrua cộng hớa trị hiđrua kiểu Những hợp chất với nguyên tố khác Dựa phân chia hiđrua kim loại : Be Mg Na B C N OF Al si P S ƠI K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Rea Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Cs Ba La-Lu Hf W_ Re Os Ir Au Hg Ti Pb Bi Po At Hidrua ion Ta Hidrua ki€u kim logi Pt Hidrua ~— cộng hóa trị Sam on i Hidrua ion chất dạng tính thể khơng màu, giống với muối nên cịn gọi hiđrua muối Hiđro có lực electron bé xu hướng tạo thành ion âm yếu so với halogen nguyên tố âm điện 8o sánh nhiệt tạo thành chúng, ta thấy rõ điều : H,(k) kJ/mol = H(k), AH®° = 218 H Œ), AH° = -668J/moi H(Œ) +e = HW +e = H (k), AH® Br,(k) = Br(k) + e Br(k), AH? 1138 kJ/moi Br (k), AH? = -326kd/mol Br{k) te = = +152kd/mol Br, -213kd/mol AH®° = Do tính thu nhiệt ion H kim loại hoạt động mạnh kim loại kiểm kiểm thổ tạo nên hidrua ion Bản chất ion hiđrua thể rõ tính đẫn điện nóng chảy nhiệt độ nóng chây cao chúng Thực kiểm tế điện phân dung dịch hiđrua ion muối halogenua kim loại nóng chảy, hiđro bay lên cực dương Tất hiđrua kim loại kiểm có kiến trúc lập phương kiểu muối ăn, cịn hiđrua kim loại kiềm thổ có kiến trúc tà phương Šo sánh nhiệt tạo thành hiđrua ion (bảng 1) với nhiệt tạo thành halogenua kim loại kiếm (khoảng —-400*J/moJ), nhận thấy hiđrua ion khơng có độ bền cao nhiệt Trừ L4H, hiđrua khác bị nhiệt phân trước nóng chay LiH va NaH phân hủy nhiệt độ khoảng 350 — 600°C, CaH, va SrH, 500 - 700°C Tuy nhiên hiđrua hiđro phân li theo sơ đồ, ví dụ : ion nóng chây khí NaH =Na' Bảng +H Nhiệt tạo thành (AH°”) hidrua ion Chất 1H NaH KH RbH AH®, kJ/mol -91 -80 -59 -85 Chất CsH CaH, SrH; BaH; AH®, kửJ/moi -88 -89 -176 -171 Các hiđrua ion tan muối halogenua kim loại kiểm trạng thái nóng chảy Về mặt hóa học, hiđrua ion có hoạt tính cao Chúng phản ứng nhanh chóng hồn tồn với chất cho dù vết ion H` giải phóng khí hiđro VÍ dụ với nước chẳng hạn : NaH + H,0 = NaOH + H, CaH, + 2H,0 = Ca(OH), + 2H, Trong thực tế, người ta dùng CaH; để điều chế nhanh chóng hiđro mặt trận để định lượng H;ạO hợp chất hữu Phân ứng thủy phân mạnh hiđrua ion giải thích cách hình thức hiđrua ion muối axit yếu H trình Quá ion H - H phải : Hạ chất khử + 2e = 2H mạnh thường cực chuẩn điện chất khử mạnh dùng That E° tính - 2,25V nên vay cdc hidrua tổng hợp hữu Một LiH va NaH số hiđrua tự