Chương II: Hydro và nước | Bài giảng môn Hóa vôn cơ | Đại học Bách khoa hà nội

- Hydro lμ nguyªn tè cã cÊu tróc ®¬n gi¶n nhÊt 1s1
- Hydro lμ nguyªn tè phæ biÕn trong tù nhiªn, hμm l−îng cña nã
kho¶ng 17% trong vá qu¶ ®Êt (bao gåm khÝ quyÓn, thuû quyÓn vμ th¹ch quyÓn)
Ch−¬ng II- Hydro vμ n−íc
- Sè oxi ho¸ cña hydro: +1 trong ®a sè c¸c hîp chÊt liªn kÕt
céng ho¸ trÞ (CH , H O, HF,…) , trong c¸c hîp chÊt hydrua kim ( shortened form) 4 2 lo¹i lμ -1
- Hydro cã ba ®ång vÞ: Proti (hydro nhÑ), §¬teri (hydro nÆng) vμ
Triti (hydro siªu nÆng). CÊu t¹o cña c¸c ®ång vÞ vμ tû lÖ cña
chóng trong mäi hîp chÊt cña hydro nh− sau: 1H hay P 2H hay D 3H hay T (p)e (p+n)e (p+ 2n)e 99,984% 0,016% 10-7%
Proti vμ §¬teri lμ c¸c ®ång vÞ bÒn, cßn Triti lμ ®ång vÞ phãng x¹
víi chu kú b¸n r· lμ 12,26 n¨m. 1 2 TÝnh chÊt lý häc
- Hydro tån t¹i d−íi d¹ng ph©n tö gåm 2 nguyªn tö H. TÝnh chÊt ho¸ häc
§ã lμ chÊt khÝ kh«ng mμu, kh«ng mïi, kh«ng vÞ vμ nhÑ
- Ph©n tö H cã cÊu h×nh electron gièng nguyªn tö He,
(nhÑ h¬n kh«ng khÝ gÇn 14,5 lÇn). §©y lμ khÝ nhÑ nhÊt 2
(1 lÝt khÝ H ë ®iÒu kiÖn chuÈn nÆng 0,08985g), nªn tèc
nªn rÊt bÒn, chØ b¾t ®Çu ph©n huû thμnh nguyªn tö H 2
®é khuÕch tan rÊt nhanh, lín gÊp 3,5 lÇn kh«ng khÝ.
ë nhiÖt ®é 2000K theo ph¶n øng sau:
§©y lμ khÝ dÉn nhiÖt tèt. H (K) ⇆ 2H; ΔHo = 436KJ.mol-1 2
- Do ®ã ë nhiÖt ®é th−êng rÊt kÐm ho¹t ®éng ho¸ häc,
- Ph©n tö hydro cã ®é bÒn cao, ®é ph©n cùc b»ng 0, cã
kÝch th−íc vμ khèi l−îng kh«ng ®¸ng kÓ nªn cã nhiÖt
trõ mét sè tr−êng hîp khi cã mÆt xóc t¸c.
®é nãng ch¶y vμ nhiÖt ®é s«i rÊt thÊp T = -259,1oC nc
- Hydro thÓ hiÖn c¶ tÝnh khö vμ tÝnh oxy ho¸, tÝnh khö
vμ T = -252,6oC. Do ®ã nã rÊt khã tan trong n−íc vμ s cña hydro ®Æc tr−ng h¬n
c¸c dung m«i h÷u c¬. 1 lÝt n−íc ë 0oC chØ hoμ tan ®−îc 21,5 ml H2 3 4 1 TÝnh khö cña hydro
- Ph¶n øng cña hydro víi c¸c phi kim kh¸c
- ë nhiÖt ®é th−êng hydro chØ ph¶n øng víi Flo Tia tö ngo¹i
H + F = 2HF m·nh liÖt ë nhiÖt ®é thÊp 2 2 H + Cl = 2HCl 2(K) 2(K)
- ë nhiÖt ®é cao hydro ph¶n øng víi nhiÒu chÊt
ë nhiÖt ®é th−êng ph¶n øng x¶y ra chËm. Trong c«ng 2600oC
nghiÖp ph¶n øng nμy ®−îc sö dông ®Ó ®iÒu chÕ axit HCl 2H + O → 2H O ΔHo = - 285,84 KJ.mol-1 2(K) 2(K) 2 (L)
Ph¶n øng nμy víi brom, ièt, l−u huúnh chØ x¶y ra ë nhiÖt Tia löa ®iÖn ®é cao 2H + O → 2H O 2(K) 2(K) 2 (K)
- Ph¶n øng cña hydro víi nit¬. Trong c«ng nghiÖp ®Ó ®iÒu
- Hydro cã thÓ chiÕm oxy cña mét sè oxit kim lo¹i nh− ®ång, ch×, s¾t,
thuû ng©n. Ph¶n øng khö nμy cña hydro th−êng dïng ®Ó ®iÒu chÕ chÕ NH3
mét sè kim lo¹i nh− Cu, Fe, … Tcao, Pcao, xt toC H + N = NH 2(K) 2(K) 3(K) H + CuO = H O + Cu 2(K) 2 (K) (R) H + Fe O = H O + Fe 2(K) 3 4(R) 2 (K) (R) 5 6
TÝnh oxy ho¸ cña hydro
C¸c ph−¬ng ph¸p ®iÒu chÕ hydro
- Hydro ph¶n øng víi c¸c kim lo¹i kiÒm vμ kiÒm thæ ë nhiÖt ®é cao ®Ó t¹o thμnh hydrua kim lo¹i
- Trong c«ng nghiÖp hydro th−êng ®−îc ®iÒu chÕ b»ng chuyÓn ho¸ khÝ
metan b»ng h¬i n−íc ë nhiÖt ®é cao vμ xóc t¸c Ni 400oC 1000oC, Ni 2Na + H = 2NaH 2 CH + H O = CO + 3H
TÝnh khö cña Hydro míi sinh 4 2 2 CO + H O = CO + H
- Hydro míi sinh t¹o ra do ph¶n øng cña kim lo¹i kÏm víi H SO lo·ng 2 2 2 2 4
§Ó t¸ch H ra khái hçn hîp khÝ thu ®−îc cho hçn hîp khÝ ®i qua oxit ®ång Zn + H SO (lo·ng) = ZnSO + 2H 2 2 4 4
ë t = 200o C ®Ó lo¹i CO, khÝ CO ®−îc lo¹i bá b»ng c¸ch hoμ tan trong 2
Hydro míi sinh ch−a kÞp t¹o thμnh khÝ bay ra khái dung dÞch ®· ph¶n
dung dÞch K CO ë ¸p suÊt cao (25atm). Nhμ m¸y ph©n ®¹m Hμ b¾c 2 3
øng ngay víi thuèc tÝm theo ph¶n øng:
th−êng sö dông ph−¬ng ph¸p nμy ®Ó tæng hîp NH .3 MnO - + 5H + 3H+ = Mn2+ + 4H O 4 2
- Ph−¬ng ph¸p ®iÖn ph©n n−íc trong dung dÞch NaOH 30% cho H rÊt tinh 2
- Ngoμi ra hydro míi sinh cã thÓ khö SO trong m«i tr−êng axit t¹o khiÕt (®¾t tiÒn) 2 thμnh H S 2
- Khö n−íc b»ng than (khÝ than −ít), hiÖn nay kh«ng cã øng dông thùc tÕ SO + 8H = H S + 2H+ + 2H O 2 2 2 1000oC
- Khö NO -, NO - trong m«i tr−êng kiÒm thμnh NH 3 2 3
C + H O = CO + H , sau ®ã xö lý hçn hîp nh− ph−¬ng ph¸p 1 2 2
- C¸c ph¶n øng nμy kh«ng x¶y ra ®èi víi hydro ph©n tö
- Trong phßng thÝ nghiÖm hydro ®−îc ®iÒu chÕ theo ph¶n øng: Zn + H SO = ZnSO + H 2 4 (lo·ng) 4 2(K) Zn + 2HCl = ZnCl + H 2 2(K) 7 8 2 N−íc CÊu t¹o cña n−íc
TÝnh chÊt lý häc cña n−íc -
- Gi÷a c¸c ph©n tö n−íc cã hiÖn t−îng liªn hîp bëi liªn kÕt Cã cÊu tróc d¹ng gãc
hydro do sù chªnh lÖch kh¸ lín vÒ ®é ©m ®iÖn cña H vμ O ö: O- - H+ ……. O- - H H H H H
- ChÝnh liªn kÕt hydro nμy g©y ra sù bÊt th−êng vÒ tû khèi:
- C¸c AO ho¸ trÞ cña nguyªn tö trung t©m O cã lai ho¸
th«ng th−êng khi nhiÖt ®é t¨ng th× tû khèi cña c¸c chÊt
sp3, gãc liªn kÕt 104o5’, E = 463 KJ.mol-1 O-H
gi¶m xuèng, nh−ng ®èi víi n−íc ë t < 4oC th× tû khèi cña
- CÊu t¹o kh«ng ®èi xøng, momen l−ìng cùc ph©n tö
n−íc t¨ng theo nhiÖt ®é vμ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i ë 4oC vμ sau
®ã tû khèi l¹i gi¶m dÇn theo nhiÖt ®é. lín lμ μ = 1,84D.
- NhiÖt dung riªng cña n−íc cao bÊt th−êng lμ 4,18 J.K-1.g-1,
lμ chÊt ®iÒu hoμ nhiÖt ®é.
- N−íc lμ chÊt ®iÖn ly yÕu. 9 10
TÝnh chÊt ho¸ häc cña n−íc
- C¸c ph©n tö n−íc cã cùc nªn cã kh¶ n¨ng tham gia vμo
* Kh¶ n¨ng oxy ho¸ vμ khö cña n−íc: ®−îc ®¸nh gi¸ c¸c qu¸ tr×nh hydrat ho¸
dùa vμo thÕ khö cña c¸c cÆp sau:
- Tham gia vμo c¸c ph¶n øng axit baz¬ vμ c¸c ph¶n øng 2H+ + 2e ⇔ H thuû ph©n c¸c muèi 2(K) O + 4e + 4H+ ⇔ 2H O
- TÝnh chÊt oxy ho¸-khö cña n−íc: n−íc võa thÓ hiÖn tÝnh 2 2 (L)
oxy ho¸ võa thÓ hiÖn tÝnh khö v× H cã sè oxi ho¸ lμ +1 vμ
Theo c«ng thøc Nernest ta cã:
O cã sè oxy ho¸ lμ -2. Tuy nhiªn ë ®iÒu kiÖn th−êng c¸c
tÝnh chÊt nμy thÓ hiÖn yÕu do ®ã nã chØ ph¶n øng víi c¸c + o 0,059 [H ]2 ε = ε + + + 2 lg
chÊt khö m¹nh nh− c¸c kim lo¹i kiÒm vμ kiÒm thæ hay H /H H /H 2 2 PH
ph¶n øng víi c¸c chÊt oxy ho¸ m¹nh nh− Flo. 2 o 0,059 ε = ε + O /H O + 2 2 lgP . H O /H O O [ ]4 2Na + H O → 2NaOH + H 2 2 2 2 4 2 2F + 2H O → 4HF + O 2 2 2 11 12 3 + Khi P = P = 1 atm, vμ pH= 7 O2 H2
Gi¶n ®å thÕ khö cña n−íc phô thuéc vμo pH ε +
= −0,059 .7 = −0,413 V H / H 2 ε 1,23 3 = , 1 23− 7 . 059 , 0 = V 817 , 0 O H O 2 / 2 0.817 ε = 23 , 1 − .pH 059 , 0 O H O 2 / 2
N−íc sÏ bÞ khö d−íi t¸c dông cña chÊt cã thÕ khö < -0,413V 0.404 0,00 2
vμ bÞ oxi ho¸ bëi chÊt cã thÕ khö > 0,817V. -0.413 o o ε + = − + ε = − < + ε = . 059 , 0 pH Na / − Na 2 V 17 , H / H 0, V 413 H / H2 2 -0.826 1 2Na+ 2H O = 2NaOH + H 2 2 pH=0 pH=7 pH=14 Vïng 1- TÝnh oxy ho¸ Vïng 3- TÝnh khö 13 14 - ë vïng 1: nÕu ε < ε ox/ kh + H / H th× d¹ng khö cña nã 2
ph¶n øng víi H O gi¶i phãng H 2 2 - ë vïng 2: ε + <ε < ε H ox H / / kh
O / H O th× d¹ng khö cña 2 2 2
nã khi tiÕp xóc víi O sÏ cã ph¶n øng: 2
Kh + O + H+ (hay H O) → Ox + H O hay OH- 2 2 2
Khi d¹ng oxy ho¸ tiÕp xóc t¸c H sÏ cã ph¶n øng: 2 Ox + H → Kh + H+ (hay H O) 2 2 - ë vïng 3: nÕu ε > ε ox/ kh th× d¹ng oxy ho¸ cña O / H O 2 2
nã sÏ ph¶n øng víi H O gi¶i phãng O 2 2 15 4