HYDRO VÀ OXY
MỤC TIấU
1.Trỡnh bày được đặc tớnh nguyờn tử và vật lý, tớnh chất húa học, ứng dụng của nguyờn tố Oxi và Hidro trong đời sống và trong y học
2.Trỡnh bày được những hợp chất tiờu biểu của nguyờn tử Oxi và Hidro và
ứng dụng của chỳng trong đời sống và trong y học
NỘI DUNG
6.1. Hydro
6.1.1. Đặc tớnh nguyờn tử và vật lý
Hydro là nguyờn tốđơn giản nhất. Một nguyờn tử Hydro gồm một hạt nhõn tớch
điện điện dương được bao quanh bởi 1 electron duy nhất. Chớnh vỡ cú cấu trỳc đơn giản
như vậy mà Hydro trở thành nguyờn tố nhiều nhất trong vũ trụ (~ 90% ở dạng nguyờn tử H). Trong mặt trời, cỏc hạt nhõn H kết hợp với nhau thành hạt nhõn He và giải phúng
năng lượng cung cấp cho trỏi đất. Một lượng nhỏ Hydro tồn tại tự do (H2) trong tự nhiờn
trờn trỏi đất, cũn hầu hết kết hợp với oxy tạo thành nước. Hydro cú 3 đồng vị và tỷ lệ
khối lượng như sau: 1 1Hhay P (Proti) bền 2 1Dhay D (deutri) 3 1Hhay T (Triti) phúng xạ (P = 1,00785) (D = 2,0142) (T = 3,0162) P : D : T = 99,984%: 0,016%: ~10-7%
Ởđiều kiện thường, Hydro (H2) là chất khớ khụng màu, khụng mựi, khụng vị, nhẹ
nhất so với mọi khớ khỏc nờn khuếch tỏn nhanh nhất (cú thể khuếch tỏn quan kim loại) và dẫn nhiệt tốt.
Hydro rất ớt tan trong nước và trong cỏc dung mụi hữu cơ. 1 lớt nước chỉ hũa tan
được 19ml khớ H2ở 150C và 1atm. Trỏi lại, Hydro tan tốt trong một số kim loạị Chẳng hạn, một thể tớch Pd hũa tan 100 thể tớch H2ở điều kiện thường.
6.1.2. Tớnh chất húa học
Hydro khụng cú vị trớ hoàn toàn phự hợp trong bảng tuần hoàn.
Nú cú thểở nhúm IA vỡ cú 1 electron húa trị và ở trạng thỏi oxy húa +1
Tuy nhiờn, khụng giống như kim loại kiềm, Hydro cú thể dễ chia sẻ electron của
nú hơn là cho đị Phự hợp với đặc tớnh đú, Hydro cú năng lượng ion húa cao hơn nhiều, gấp ~2,5 lần so với Lithi là kim loại cú năng lượng ion húa cao nhất trong nhúm IA, và
nú cũng cú độ õm diện cao hơn ( H = 2,1; Li = 0,98)
Hydro cũng cú thể phự hợp ở nhúm VIIA vỡ giống như cỏc halogen, nú là chất khớ phõn tử gồm 2 nguyờn tử; là phi kim; làm đầy lớp electron ngoài bằng cỏch dựng chung hay thu nhận thờm 1 electron từ kim loại để tạo thành anion đơn nguyờn tử gọi là Hydrid (H-). Tuy nhiờn, Hydro cú độ õm điện thấp hơn bất kỳ halogen nào và thiếu 3 cặp electron húa trị. Mặt khỏc, ion H hiếm gặp và cú hoạt tớnh giống cỏc ion Halogennid (F-, Cl-, Br-, I-) phổ biến và ổn định.
Đặc điểm duy nhất của Hydro là kớch thước bộ nhỏ của nú. Electron húa trị rất gần hạt nhõn mà khụng cú lớp electron trong chắn sức hỳt của điện tớch dương, do đú năng lượng ion húa rất cao và độõm điện lại thấp so với cỏc phi kim vỡ chỉ cú 1 proton
để hấp dẫn (hỳt) electron gắn thờm vàọ
ạ Năng lượng kiờn kết thể hiện qua phản ứng phõn huỷ.
Ở 1atm và 2000K sự phõn huỷđạt 0,1% cũn ở5000K đạt 95%
Do tớnh bền với nhiệt nờn Hydro ớt hoạt động ở nhiệt độthường, trừ khi cú xỳc tỏc.
b . Tớnh khử thể hiện qua cỏc phản ứng
Ở nhiệt độ cao, Hydro chiếm oxy của nhiều hợp chất: H2(k) + CuO (r) H2O (k) + Cu (r)
(Vận dụng để chế tạo một số kim loại Cu, Mo, W ...) 2H2(k) + O2 (k) 2H2O (k) (vận dụng đểlàm đốn hàn 26000C) - Với cỏc phi kim: H2(k) + Cl2(k) HCL (k) (vận dụng đều chế acidhydrocloric) 3H2(k) + N2(k) 2NH3 (k) (vận dụng cho tổng hợp amoniac) - Hydro mới sinh là chất khử mạnh:
Zn + H2SO4 2H + ZnSO4 (trong dung dịch)
5H + 3H+ + MnO4 Mn2+ + 4H2O (trong dung dịch)
H mới sinh cũn khửđược SO4 H2S (trong mụi trường acid) NO2, NO3 NH3(trong mụi trường kiềm)
Cỏc phản ứng này khụng thực hiện được với Hudro phõn tử (H2) vỡ liờn kết H - H bền.
c. Tớnh oxy húa thể hiện qua sự tạo thành cỏc hydrid
- Với những kim loại rất hoạt động ở nhúm IA, IIA thỡ Hydro là những hợp chất ion, giống muối, vớ dụ:
2Li (r) + H2 (k) 2LiH (r) Lithi hydrid
Ca (r) + H2 (k) CaH2 (r) Calci hydrid
Trong nước, H là một base mạnh phản ứng với H+ tạo ra H2và OH-: NaH (r) + H2O (l) Na+ (aq) + OH- (aq) + H2 (k)
Ion Hydrid H là chất khử mạnh:
TiCl4 (l) + 4LiH Ti (r) + 4LiCl (r) + 2H2 (k)
- Với cỏc phi kim, Hydrid tạo thành là những hợp chất đồng húa trị, như CH4, H3N, H2O, HF, đú là những chất khớ, phõn tử nhỏ. Nhưng Hydrid của Bor và Carbon là lỏng hay rắn gồm cỏc phõn tử lớn.
Trong hầu hết cỏc Hydrid đồng húa trị, Hydrod cú số oxy húa + 1 vỡ cỏc phi kim
thường cú độõm điện lớn hơn, lỳc này tờn gọi Hydrid khụng cũn đỳng nữạ
- Hydrid kim loại (hợp chất điền kẽ) tạo thành Hydro xõm nhập vào cỏc lỗ hổng trong cấu trỳc tinh thể kim loại của nhiều nguyờn tố chuyển tiếp d hay f.
Cỏc Hydrit này khụng cú cụng thức hợp thức vỡ kim loại cú thể kết hợp với những khối lượng Hydro khỏc nhaụ Chẳng hạn TiH1-7 trong thực tế, Hydrid kim loại được xem
như cỏc dung dịch rắn.
6.1.3. Ứng dụng
Trong cụng nghiệp, Hydro được dựng để tổng hợp amoniac. Ngoài ra, nú cũn
được dựng trong chế húa dầu hỏa (chuyển lưu huỳnh trong cỏc hợp chất hữu cơ thành
H2S); trong đú tổng hợp metanol, alđehy, acetone từ olefin; hydro húa cỏc chất hữu cơ chưa no; điều chế H2O2 theo phương phỏp antraquinon; điều chế kim loại từ cỏc oxyd;
6.2. Oxy
6.2.1. Đặc tớnh nguyờn tử và vật lý
Oxy là nguyờn tốở ụ thứ 8, thuộc chu kỳ 2 và nhúm VIA bảng tuần hoàn. Nguyờn tố oxy cú cấu hỡnh electron 1s22s22p4. Oxy thiờn nhiờn là hỗn hợp của 3 đồng vị: 16O
17O 18O
99,75% 0,037% 0,204%
Là nguyờn tố của chu kỳ 2, nguyờn tử oxy cú xu hướng hoàn thành cấu hỡnh 8 eletron của khớ hiếm bằng cỏch kết hợp thờm hai eletron tạo thành O2- (H0=656J/mol) hoặc bằng cỏch tạo nờn hai liờn kết cộng húa trị.
(Vớ dụnhư R - O - R) hay một liờn kết đụi (vớ dụnhư O = C = O)
Nguyờn tố oxy cú hai dạng thự hỡnh tồn tại ở trạng thỏi tựdo là đioxy O2, thường gồm oxy và trioxy O3, thường gọi là ozon.
Phõn tử O2ở trạng thỏi khớ, lỏng và rắn đều cú tớnh thuận từ. Từtớnh đú cho thấy trong phõn tửcú eletron độc thõn.
Phõn tử O2 khỏ bền, chỉ bắt đầu phõn huỷ thành nguyờn tửở nhiệt độ 20000C. Do phõn tử ớt bị phõn cực húa, oxy cú nhiệt độ núng chảy (-218,90C) và nhiệt độ
sụi (-1830C) rất thấp. Ở điều kiện thường, oxy là một khớ khụng màu, khụng mựi và khụng vị. Nú hơi nặng hơn khụng khớ.
Khớ oxy ớt tan trong nước nhưng tan nhiều trong một số dung mụi hữu cơ. Một
lớt nước ở 200C hoàn tan 31ml khớ O2, độ tan của oxy trong nước giảm xuống khi nhiệt
độtăng lờn.
Khớ oxy cũn cú thể tan trong một số kim loại núng chảy và độ tan của oxy trong
đú cũng giảm xuống khi nhiệt độ tăng lờn. Vớ dụở 9730C, một thể tớch bạc hoà tan 22,4 thể tớch oxy ở ỏp suất thường và ở 10800C, hoà tan 20 thểtớch. Như vậy, độ tan của oxy trong kim loại núng chảy lớn hơn rất nhiều so với trương nước (20 000ml/31ml). Khi kim loại húa rắn, khớ oxy đó tan ởtrong đú sẽ thoỏt ra nhanh chúng, cho nờn những kim loại khi để nguội nhanh chúng ởngoài khụng khớ thường bị rỗở trờn mặt.
6.2.2. Tớnh chất húa học.
Oxy là một trong những nguyờn tố khụng kim loại điển hỡnh nhất. Nú cú thể tỏc dụng trực tiếp ở nhiệt độthường và nhất là ở nhiệt động cao với hầu hết nguyờn tố trừ
cỏc halogen, khớ hiếm và một số kim loại quý. Khảnăng phản ứng cao của oxy phõn tử được giải thớch bằng sự cú mặt hai eletron ở obitan phõn tử phản liờn kết. Tuy nhiờn một số nguyờn tú phản ứng mónh liệt với oxy ở nhiệt độ cao lại khụng phản ứng với oxy ở
nhiệt độ thấp vỡ lớ do trạng thỏi khớ của oxy và nhất là vỡ độ bền của phõn tử O2.
Muốn thực hiện những phản ứng đú người ta cần phải đốt núng nguyờn tố đến những nhiệt độ nhất định để phản ứng bắt đầu xảy ra và sau đú tự duy trỡ nhờ nhiệt do những phản ứng phỏt rạ Những nhiệt độ đú gọi là nhiệt độ bốc chỏỵ Vớ dụ như nhiệt
độ bốc chỏy của phosphor là 600C, của lưu huỳnh là 2500C, của than (tuỳ loại) là vào khoảng 350 - 6500C. Nhiệt độ bốc chỏy trong oxy nguyờn chất thấp hơn trong khụng
khớ khoảng 500C. Phản ứng chỏy xảy ra trong oxy nguyờn chất mónh liệt hơn so với
trong khụng khớ vỡ trong trường hợp sau một phần nhiệt đó được dựng đểđốt núng những phõn tử khụng tham gia vào phản ứng.
Oxy cũng cú thểđốt chỏy nhiều chất hữu cơ. Những phản ứng chỏt đú phỏt nhiệt nhiều và sinh ra ngọn lửa sỏng. Tuy nhiờn cũng cú những phản ứng chỏy xảy ra chậm
trong cỏc điều kiện thường, vớ dụnhư quỏ trỡnh rỉ của kim loại hay quỏ trỡnh thối rữa cỏc chất hữu cơ của sinh vật.
Tất cả những phản ứng trờn đõy của oxy với cỏc hợp chất được gọi là quỏ trỡnh
oxy húạ Quỏ trỡnh đú đó được mụ tả rộng trong những phản ứng khụng phải của oxy mà của đơn chất hay hợp chất khỏc. Như đó biết, quỏ trỡnh oxy húa một hợp chất nào đú
6.2.3. Ứng dụng
Trong kỹ thuật, oxy chủ yếu được sử dụng cựng với hydro và nhất là với exetilen trong việc tạo nhiệt độđể hàn và cắt kim loạị Đốn xỡ hydro - oxy cú nhiệt độ 25000C và
đốn xỡ axetilen - oxi cú nhiệt độ 30000C.
Oxy cũng được sử dụng nhiều trong cụng nghiệp hoỏ học và trong y học. Ngày
nay oxy được sử dụng ngày càng nhiều để cho thờm vào khụng khớ thổi cỏc lũ cao luyện gang và lũ luyện thộp. Oxy lỏng được sử dụng trong tờn lửa, động cơ phản lực và cú thể
trộn với rơm để làm thuốc nổ.
6.3. Hợp chất của Hdro và Oxi, ứng dụng
Hợp chất tiờu biểu của Hydro và oxy là H2O2
* Hydro peroxy, H2O2 (nước oxy già)
+ Tớnh chất: Do phõn tử bất đối xứng, liờn kết O - H lại phõn cực mạnh nờb H2O2
cú momen lưỡng cực lớn, tạo liờn kết hydro giữa cỏc phõn tử. Ởđiều kiện thường, H2O2
tinh khiết là một chất lỏng màu xanh nhạt, hơi nhớt, sụi ở 152,10C, đụng đặc ở ~ 0,890C, tan vụ hạn trong nước, thường sử dụng dung dịch 3% và 30%.
Khi lẫn tạp chất như kim loại nặng và ion của chỳng hoặc khi đun núng, khi chiếu sỏng, H2O2 phõn huỷ mạnh:
H2O2 (l) H2O (l) + 1/2 O2 ∆H0 = -98kJ
Vỡ vậy, để bảo quản cỏc dung dịch H2O2người ta phải đựng chỳng trong cỏc chai lọ màu, để chỗ tối và nơi mỏt, thờm chất làm bền như H3PO4, H2SO4 với vai trũ ức chế
phản ứng phõn huỷ. Nhưng cỏc dung dịch kiểm lại làm tăng phõn huỷ H2O2, vỡ trong
nước H2O2 cú tớnh acid: H O2 2 H O2 H O3 HO2 1 12 Ka 1,5.10 , pK=11,8 2 2 2 3 2 HO H O H OO 2 Ka (rất nhỏ)
Một số peoxyd kim loại như Na2O2, BaO2, ZnO2 ... vỡ thếđược xem là muối của acid H2O2 .
Hydro peoxyd được đặc trưng bởi tớnh oxy húa mạnh, tớnh khử yếu và ớt bề do tự
oxy húa - khử. Đặc trưng ấy thể hiện qua cỏc thế điện cực tiờu chuẩn:
2 2 2 H O 2e +2H 2H O E0 = 1,77V 2 2 H O 2e 2OH E0 = 0,87V 2 2 2 O 2e +2H H O E0 = 0,68V
+ Tớnh oxy húa mạnh của H2O2 xảy ra cảtrong mụi trường acid và trung tớnh, vớ dụnhư cỏc phản ứng thường gặp trong dung dịch:
2 2 2 2
H O 2I +2H 2H OI
2 2 2
H O 2I 2OHI
PbS(r) + 4H2O2(aq) → PbSO4 (r) + 4H2O
+ Tớnh khử yếu của H2O2 thể hiện khi tỏc dụng với chất oxy húa mạnh (O3, KMnO4, Cl2 ...), vớ dụ:
H2O2 (l) + O3(k) → H2O (l) + 2O2 (k)
5H2O2 + 2MnO4 + 6K+→ 5O2 + 2Mn2+ + 8H2O
+ Tớnh tự oxy húa - khử (tự phõn huỷ) thể hiện qua phản ứng: H2O2 + H2O2→ 2H2O + O2
Ứng dụng Hydro peoxyd được sử dụng để tẩy trắng sợi, vải, bột giấy, điều chế
muối giàu oxy (Perborat, Percarbonat ...), Peroxyd hữu cơ, Epoxi, khử ụ nhiễm mụi
trường nguồn nước (do Sulfid, Cyanid), là một thành phần của nhiều vật liệu tẩy, rửa, là chất sỏt trựng trong y học.
Trong y - dược Hydro peroxyd, H2O2 = 34,02. Thuốc sỏt trựng tẩy uế. Dung dịch H2O2 thường dựng là 3,6,27 và 30%; get Hydro peroxyd 1,5%.
Là chất oxy húa H2O2 được sử dụng như một thuốc khỏng khuẩn dựng ngoài để
tẩy uế, làm sạch vết thương và khử mựị H2O2 tỏc dụng theo cơ chế giải phúng oxy để
diệt khuẩn khi tiếp xỳc với mụ cú sẵn enzyme cattalase tại chỗ bụị Sự sủi bọt khi giải phúng oxy dẫn đến cỏc loại bỏ cỏc mảnh vụn của mụ bị thương tổn và đẩy trụi mủ để
làm sạch ổ nhiễm trựng. Oxy giải phúng thấm sõu, oxy húa và đẩy đi cỏc khớ độc cú mựi của vết thương.
Chỳ ý: Trong thực hành Dược khoa, người ta gọi dung dịch H2O2 29,0 - 32,0%
là nước oxy già đậm đặc 100 thể tớch vỡ 1 thể tớch dung dịch này cú thể giải phúng khoảng 100 thể tớch khớ oxy; cũn dung dịch H2O2 2,5 - 3,5% là nước oxy già loóng 100 thểtớch vỡ tương ứng khoảng 10 thể tớch oxỵ Do giải phúng khớ khi tỏc dụng nờn Hydro peroxyd chỉđược phộp dựng ngoài với dung dịch loóng 3%, khụng được tiờm hoặc nhỏ
vào những khoang kớn của cơ thể. Ngoài ra, trỏnh sử dụng thuốc nhiều lần trong thời gian dài vỡ H2O2 gõy kớnh ứng bỏng da và niờm mạc, cú thểgõy ung thư.
LƯỢNG GIÁ
1. Hóy trỡnh bày đặc tớnh nguyờn tử vật lý của nguyờn tử Hidrỏ 2. Hóy trỡnh bày đặc tớnh nguyờn tử vật lý của nguyờn tử Oxi ? 3. Hóy trỡnh bày Tớnh chất húa học của nguyờn tử Hidro ? 4. Hóy trỡnh bày Tớnh chất húa học của nguyờn tử Oxi ?
CHƯƠNG 7