Ilt er det mest udbredte grundstof på jorden. Sammen med nitrogen og en lille mængde andre gasser danner fri ilt Jordens atmosfære. Dens indhold i luft er 20,95 volumenprocent eller 23,15 vægtprocent. I jordskorpen er 58 % af atomerne atomer af bundet oxygen (47 vægtprocent). Ilt er en del af vand (reserverne af bundet ilt i hydrosfæren er ekstremt store), sten, mange mineraler og salte og findes i fedtstoffer, proteiner og kulhydrater, der udgør levende organismer. Næsten al den frie ilt på Jorden skabes og lagres som et resultat af fotosynteseprocessen.

fysiske egenskaber.

Ilt er en farveløs, smagløs og lugtfri gasart, lidt tungere end luft. Det er lidt opløseligt i vand (31 ml ilt opløses i 1 liter vand ved 20 grader), men det er stadig bedre end andre atmosfæriske gasser, så vand beriges med ilt. Densiteten af ​​oxygen under normale forhold er 1,429 g/l. Ved en temperatur på -183 0 C og et tryk på 101.325 kPa går oxygen over i en flydende tilstand. Flydende oxygen har en blålig farve, trækkes ind i magnetfeltet og danner blå krystaller ved -218,7 ° C.

Naturlig oxygen har tre isotoper O 16, O 17, O 18.

Allotropi- evne kemisk element eksisterer i form af to eller flere simple stoffer, der kun adskiller sig i antallet af atomer i molekylet eller i struktur.

Ozon O 3 - findes i øverste lag atmosfære i en højde af 20-25 km fra Jordens overflade og danner den såkaldte " ozonlag”, som beskytter Jorden mod den ødelæggende ultraviolette stråling fra Solen; bleg lilla, giftig gas i store mængder med en specifik, skarp, men behagelig lugt. Smeltepunktet er -192,7 0 C, kogepunktet er -111,9 0 C. Lad os opløse i vand bedre end ilt.

Ozon er et stærkt oxidationsmiddel. Dets oxiderende aktivitet er baseret på molekylets evne til at nedbrydes med frigivelse af atomart oxygen:

Det oxiderer mange simple og komplekse stoffer. Det danner ozonider med nogle metaller, for eksempel kaliumozonid:

K + O 3 \u003d KO 3

Ozon opnås i specielle enheder - ozonisatorer. I dem, under påvirkning af en elektrisk udladning, omdannes molekylært oxygen til ozon:

En lignende reaktion opstår under påvirkning af lynudladninger.

Brugen af ​​ozon skyldes dets stærke oxiderende egenskaber: det bruges til at blege stoffer, desinficere drikker vand, i medicin som et desinfektionsmiddel.

Indånding af ozon i store mængder er skadeligt: ​​det irriterer slimhinderne i øjnene og åndedrætsorganerne.

Kemiske egenskaber.

I kemiske reaktioner med atomer af andre grundstoffer (undtagen fluor) udviser oxygen udelukkende oxiderende egenskaber.

Den vigtigste kemiske egenskab er evnen til at danne oxider med næsten alle grundstoffer. Samtidig reagerer oxygen direkte med de fleste stoffer, især ved opvarmning.

Som et resultat af disse reaktioner dannes der som regel oxider, sjældnere peroxider:

2Ca + O2 \u003d 2CaO

2Ва + О 2 = 2ВаО

2Na + O 2 \u003d Na 2 O 2

Ilt interagerer ikke direkte med halogener, guld, platin, deres oxider opnås indirekte. Ved opvarmning brænder svovl, kulstof, fosfor i ilt.

Interaktionen mellem oxygen og nitrogen begynder kun ved en temperatur på 1200 0 C eller i en elektrisk udladning:

N 2 + O 2 \u003d 2NO

Ilt kombineres med brint og danner vand:

2H2 + O2 \u003d 2H2O

Under denne reaktion frigives en betydelig mængde varme.

En blanding af to volumener brint med en oxygen eksploderer, når den antændes; det kaldes eksplosiv gas.

Mange metaller i kontakt med atmosfærisk ilt undergår ødelæggelse - korrosion. Nogle metaller under normale forhold oxideres kun fra overfladen (for eksempel aluminium, krom). Den resulterende oxidfilm forhindrer yderligere interaktion.

4Al + 3O 2 \u003d 2Al 2 O 3

Komplekse stoffer interagerer under visse forhold også med ilt. I dette tilfælde dannes oxider, og i nogle tilfælde oxider og simple stoffer.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

H2S + O2 \u003d 2SO2 + 2H2O

4NH 3 + ZO 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O

4CH3NH2 + 9O2 = 4CO2 + 2N2 + 10H2O

Når det interagerer med komplekse stoffer, virker oxygen som et oxidationsmiddel. Dens vigtige egenskab er baseret på den oxidative aktivitet af oxygen - evnen til at opretholde forbrænding stoffer.

Oxygen danner også en forbindelse med brint - hydrogenperoxid H 2 O 2 - en farveløs gennemsigtig væske med en brændende astringerende smag, meget opløselig i vand. Kemisk er hydrogenperoxid en meget interessant forbindelse. Dens lave stabilitet er karakteristisk: når den står, nedbrydes den langsomt til vand og ilt:

H 2 O 2 \u003d H 2 O + O 2

Lys, varme, tilstedeværelsen af ​​alkalier, kontakt med oxidations- eller reduktionsmidler fremskynder nedbrydningsprocessen. Oxidationsgraden af ​​oxygen i hydrogenperoxid = - 1, dvs. har en mellemværdi mellem oxidationstilstanden for oxygen i vand (-2) og i molekylær oxygen (0), så hydrogenperoxid udviser redox-dualitet. De oxiderende egenskaber af hydrogenperoxid er meget mere udtalte end de reducerende, og de optræder i sure, alkaliske og neutrale medier.

H 2 O 2 + 2KI + H 2 SO 4 \u003d K 2 SO 4 + I 2 + 2H 2 O

Hydrogen H er det mest almindelige grundstof i universet (ca. 75 % af massen), på Jorden er det det niende mest almindelige grundstof. Den vigtigste naturlige brintforbindelse er vand.
Brint rangerer først i det periodiske system (Z = 1). Det har den enkleste struktur af et atom: kernen i et atom er 1 proton, omgivet af en elektronsky bestående af 1 elektron.
Under nogle forhold udviser brint metalliske egenskaber (donerer en elektron), i andre - ikke-metallisk (accepterer en elektron).
Brintisotoper findes i naturen: 1H - protium (kernen består af en proton), 2H - deuterium (D - kernen består af en proton og en neutron), 3H - tritium (T - kernen består af en proton og to neutroner).

Det simple stof brint

Hydrogenmolekylet består af to atomer forbundet med en ikke-polær kovalent binding.
fysiske egenskaber. Brint er en farveløs, ikke-giftig, lugtfri og smagløs gas. Brintmolekylet er ikke polært. Derfor er kræfterne ved intermolekylær interaktion i gasformigt brint små. Dette viser sig i lave temperaturer kogende (-252,6 0С) og smeltende (-259,2 0С).
Brint er lettere end luft, D (i luft) = 0,069; let opløseligt i vand (2 volumener H2 opløses i 100 volumener H2O). Derfor kan brint, når det produceres i laboratoriet, opsamles ved hjælp af luft- eller vandfortrængningsmetoder.

Får brint

I laboratoriet:

1. Virkning af fortyndede syrer på metaller:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2

2. Interaktion af alkaliske og sh-z metaller med vand:
Ca + 2H2O → Ca (OH)2 + H2

3. Hydrolyse af hydrider: metalhydrider nedbrydes let af vand med dannelse af det tilsvarende alkali og hydrogen:
NaH + H2O → NaOH + H2
CaH 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

4. Virkningen af ​​alkalier på zink eller aluminium eller silicium:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2
Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2
Si + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 2H2

5. Vandelektrolyse. For at øge den elektriske ledningsevne af vand tilsættes en elektrolyt til det, for eksempel NaOH, H 2 SO 4 eller Na 2 SO 4. Ved katoden dannes 2 volumener hydrogen, ved anoden - 1 volumen ilt.
2H20 → 2H2 + O2

Industriel produktion af brint

1. Omdannelse af metan med damp, Ni 800 °C (billigst):
CH4 + H2O → CO + 3 H2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

I alt:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2

2. Vanddamp gennem varm koks ved 1000 o C:
C + H2O → CO + H2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2

Det resulterende carbonmonoxid (IV) absorberes af vand, på denne måde opnås 50% industrielt brint.

3. Ved at opvarme metan til 350°C i nærværelse af en jern- eller nikkelkatalysator:
CH4 -> C + 2H2

4. Elektrolyse af vandige opløsninger af KCl eller NaCl, som biprodukt:
2H2O + 2NaCl → Cl2 + H2 + 2NaOH

Kemiske egenskaber af brint

• I forbindelser er hydrogen altid monovalent. Den har en oxidationstilstand på +1, men i metalhydrider er den -1.
• Brintmolekylet består af to atomer. Fremkomsten af ​​en binding mellem dem forklares ved dannelsen af ​​et generaliseret elektronpar H: H eller H 2
• På grund af denne generalisering af elektroner er H2-molekylet mere energimæssigt stabilt end dets individuelle atomer. For at bryde et molekyle i atomer i 1 mol brint er det nødvendigt at bruge en energi på 436 kJ: H 2 \u003d 2H, ∆H ° \u003d 436 kJ / mol
• Dette forklarer den relativt lave aktivitet af molekylært hydrogen ved almindelig temperatur.
• Med mange ikke-metaller danner brint gasformige forbindelser som RN 4, RN 3, RN 2, RN.

1) Danner hydrogenhalogenider med halogener:
H2 + Cl2 -> 2HCl.
Samtidig eksploderer den med fluor, reagerer kun med klor og brom ved belysning eller opvarmning, og kun med jod ved opvarmning.

2) Med ilt:
2H2 + O2 → 2H20
med varmeafgivelse. Ved almindelige temperaturer forløber reaktionen langsomt, over 550 ° C - med en eksplosion. En blanding af 2 volumener H 2 og 1 volumen O 2 kaldes eksplosiv gas.

3) Når det opvarmes, reagerer det kraftigt med svovl (meget vanskeligere med selen og tellur):
H 2 + S → H 2 S (hydrogensulfid),

4) Med nitrogen med dannelse af ammoniak kun på katalysatoren og ved forhøjede temperaturer og tryk:
ZN2 + N2 → 2NH3

5) Med kulstof kl høje temperaturer:
2H2 + C → CH4 (methan)

6) Danner hydrider med alkali- og jordalkalimetaller (brint er et oxidationsmiddel):
H2 + 2Li → 2LiH
i metalhydrider er hydrogenionen negativt ladet (oxidationstilstand -1), det vil sige, at hydridet Na + H - er opbygget som chlorid Na + Cl -

Med komplekse stoffer:

7) Med metaloxider (bruges til at genoprette metaller):
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2O

8) med kulilte (II):
CO + 2H2 -> CH3OH
Syntese - gas (en blanding af brint og kulilte) har en vigtig praktisk værdi, måske, afhængigt af temperatur, tryk og katalysator, dannes forskellige organiske forbindelser, for eksempel HCHO, CH3OH og andre.

9) Umættede kulbrinter reagerer med brint og bliver til mættede:
CnH2n + H2 → CnH2n+2.

Ilt er et af de mest udbredte grundstoffer på jorden. Det udgør omkring halvdelen af ​​vægten af ​​jordskorpen, planetens ydre skal. I kombination med brint danner det vand, der dækker mere end to tredjedele af jordens overflade.

Vi kan ikke se ilt, og vi kan heller ikke smage eller lugte det. Den udgør dog en femtedel af luften og er livsvigtig. For at leve skal vi ligesom dyr og planter trække vejret.

Ilt er en uundværlig deltager kemiske reaktioner går ind i enhver mikroskopisk celle i en levende organisme, som et resultat af hvilken de splittes næringsstoffer og den energi, der er nødvendig for livet, frigives. Derfor er ilt så nødvendigt for ethvert levende væsen (med undtagelse af nogle få typer mikrober).

Ved afbrænding kombineres stoffer med ilt og frigiver energi i form af varme og lys.

Brint

Det mest almindelige element i universet er brint. Det tegner sig for hovedparten af ​​de fleste stjerner. På Jorden er det meste af brinten (kemisk symbol H) bundet til ilt (O) for at danne vand (H20). Brint er det enkleste og letteste kemiske grundstof, da hvert af dets atomer kun består af en proton og en elektron.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede var luftskibe og store fly fyldt med brint. Brint er dog meget brandfarligt. Efter flere katastrofer forårsaget af brande blev brint ikke længere brugt i luftskibe. I dag bruges en anden let gas i luftfarten - ikke-brændbart helium.

Brint kombineres med kulstof og danner stoffer kaldet kulbrinter. Disse omfatter produkter afledt af naturgas og råolie, såsom gasformig propan og butan, eller flydende benzin. Brint kombineres også med kulstof og ilt for at danne kulhydrater. Stivelsen i kartofler og ris og sukkeret i rødbeder er kulhydrater.

Solen og andre stjerner består for det meste af brint. I midten af ​​stjernen tvinger monstrøse temperaturer og tryk brintatomer til at smelte sammen med hinanden og blive til en anden gas - helium. Dette frigiver en enorm mængde energi i form af varme og lys.

Formålet med lektionen. I denne lektion vil du lære om de måske vigtigste kemiske grundstoffer for livet på jorden - brint og ilt, lære om deres kemiske egenskaber, samt de fysiske egenskaber ved de simple stoffer, de danner, lære mere om iltens rolle og brint i naturen og livsperson.

Brint er det mest udbredte grundstof i universet. Ilt er det mest udbredte grundstof på jorden. Sammen danner de vand, et stof, der udgør mere end halvdelen af ​​den menneskelige krops masse. Ilt er den gas, vi skal indånde, og uden vand kunne vi ikke leve et par dage, så uden tvivl kan ilt og brint betragtes som de vigtigste kemiske grundstoffer, der er nødvendige for liv.

Strukturen af ​​brint- og oxygenatomer

Således udviser brint ikke-metalliske egenskaber. Brint forekommer naturligt i tre isotoper, protium, deuterium og tritium, brintisotoper er meget forskellige fra hinanden i fysiske egenskaber, så de er endda tildelt individuelle symboler.

Hvis du ikke kan huske eller ikke ved, hvad isotoper er, skal du arbejde med materialerne i den elektroniske pædagogiske ressource "Isotoper som varianter af atomer af et kemisk element." I den lærer du, hvordan et elements isotoper adskiller sig fra hinanden, hvad tilstedeværelsen af ​​flere isotoper i et element fører til, og du vil også blive bekendt med isotoper af flere elementer.

Således er de mulige oxidationstilstande for oxygen begrænset til værdier fra -2 til +2. Hvis oxygen accepterer to elektroner (som bliver en anion) eller danner to kovalente bindinger med færre elektronegative grundstoffer, går det i -2-oxidationstilstanden. Hvis oxygen danner en binding med et andet oxygenatom, og den anden med et atom af et mindre elektronegativt grundstof, går det i -1 oxidationstilstand. Danner to kovalente bindinger med fluor (det eneste grundstof med mere høj værdi elektronegativitet), går oxygen over i +2 oxidationstilstanden. Dannelse af en binding med et andet oxygenatom, og den anden med et fluoratom - +1. Endelig, hvis oxygen danner en binding med et mindre elektronegativt atom og en anden binding med fluor, vil den være i oxidationstilstand 0.

Fysiske egenskaber af brint og oxygen, allotropi af oxygen

Brint- farveløs gas uden smag og lugt. Meget let (14,5 gange lettere end luft). Temperaturen af ​​hydrogen fortætning - -252,8 ° C - er næsten den laveste blandt alle gasser (kun efter helium). Flydende og fast brint er meget lette, farveløse stoffer.

Ilt Det er en farveløs, lugtfri, smagløs gas, lidt tungere end luft. Ved -182,9 °C bliver det til en tung blå væske, ved -218 °C størkner det med dannelse af krystaller af blå farve. Iltmolekyler er paramagnetiske, hvilket betyder, at ilt tiltrækkes af en magnet. Ilt er dårligt opløseligt i vand.

I modsætning til brint, som kun danner molekyler af én type, udviser oxygen allotropi og danner molekyler af to typer, det vil sige, at grundstoffet oxygen danner to simple stoffer: oxygen og ozon.

Kemiske egenskaber og opnåelse af simple stoffer

Brint.

Bindingen i brintmolekylet er enkelt, men det er en af ​​de stærkeste enkeltbindinger i naturen, og det kræver meget energi at bryde det, derfor er brint meget inaktivt ved stuetemperatur, men når temperaturen stiger ( eller i nærvær af en katalysator), interagerer brint let med mange simple og komplekse stoffer.

Brint er et typisk ikke-metal ud fra et kemisk synspunkt. Det vil sige, at det er i stand til at interagere med aktive metaller for at danne hydrider, hvor det udviser en oxidationstilstand på -1. Med nogle metaller (lithium, calcium) forløber interaktionen selv ved stuetemperatur, men ret langsomt, derfor bruges opvarmning til syntese af hydrider:

,

.

Dannelsen af ​​hydrider ved direkte interaktion af simple stoffer er kun mulig for aktive metaller. Allerede aluminium interagerer ikke direkte med brint, dets hydrid opnås ved udvekslingsreaktioner.

Brint reagerer også kun med ikke-metaller, når det opvarmes. Undtagelser er halogenerne klor og brom, hvis reaktion kan induceres af lys:

.

Reaktionen med fluor kræver heller ikke opvarmning; den fortsætter med en eksplosion selv ved kraftig afkøling og i absolut mørke.

Reaktionen med oxygen forløber ifølge en forgrenet kædemekanisme, derfor stiger reaktionshastigheden hurtigt, og i en blanding af oxygen og brint i forholdet 1: 2 forløber reaktionen med en eksplosion (en sådan blanding kaldes "eksplosiv gas") "):

.

Reaktionen med svovl forløber meget mere stille, med ringe eller ingen varmeafgivelse:

.

Reaktioner med nitrogen og jod forløber reversibelt:

,

.

Denne omstændighed komplicerer i høj grad produktionen af ​​ammoniak i industrien: Processen kræver brug af forhøjet tryk for at blande ligevægten i retning af ammoniakdannelse. Hydrogenjod opnås ikke ved direkte syntese, da der er flere meget mere bekvemme måder dens syntese.

Hydrogen reagerer ikke direkte med lavaktive ikke-metaller (), selvom dets forbindelser med dem er kendte.

I reaktioner med komplekse stoffer virker brint i de fleste tilfælde som et reduktionsmiddel. I opløsninger kan brint reducere lavaktive metaller (placeret efter brint i rækken af ​​spændinger) fra deres salte:

Ved opvarmning kan brint reducere mange metaller fra deres oxider. Desuden er det, jo mere aktivt metallet er, jo sværere er det at genoprette det, og jo højere temperatur kræves til dette:

.

Metaller, der er mere aktive end zink, er praktisk talt umulige at reducere med brint.

Brint produceres i laboratoriet ved at omsætte metaller med stærke syrer. De mest almindeligt anvendte zink og saltsyre:

Mindre almindeligt anvendt elektrolyse af vand i nærvær af stærke elektrolytter:

I industrien produceres brint som et biprodukt ved fremstilling af kaustisk soda ved elektrolyse af en natriumchloridopløsning:

Desuden opnås brint under olieraffinering.

Fremstilling af brint ved fotolyse af vand er en af ​​de mest lovende metoder i fremtiden, men pt. industriel anvendelse denne metode er svær.

Arbejde med materialer af elektroniske undervisningsressourcer Laboratoriearbejde"Opnåelse og egenskaber af brint" og Laboratoriearbejde "reducerende egenskaber af brint". Lær princippet om driften af ​​Kipp-apparatet og Kiryushkin-apparatet. Tænk på, i hvilke tilfælde det er mere bekvemt at bruge Kipp-apparatet, og i hvilke - Kiryushkin. Hvilke egenskaber udviser brint i reaktioner?

Ilt.

Bindingen i iltmolekylet er dobbelt og meget stærk. Derfor er oxygen ret inaktivt ved stuetemperatur. Når det opvarmes, begynder det dog at udvise stærke oxiderende egenskaber.

Ilt reagerer uden opvarmning med aktive metaller (alkali, jordalkali og nogle lanthanider):

Ved opvarmning reagerer oxygen med de fleste metaller og danner oxider:

,

,

.

Sølv og mindre aktive metaller oxideres ikke af ilt.

Oxygen reagerer også med de fleste ikke-metaller for at danne oxider:

,

,

.

Interaktion med nitrogen forekommer kun ved meget høje temperaturer, omkring 2000 °C.

Ilt reagerer ikke med klor, brom og jod, selvom mange af deres oxider kan opnås indirekte.

Interaktionen mellem oxygen og fluor kan udføres ved at lede en elektrisk udladning gennem en blanding af gasser:

.

Oxygen(II)fluorid er en ustabil forbindelse, let nedbrydelig og et meget stærkt oxidationsmiddel.

I opløsninger er oxygen et stærkt, omend langsomt, oxidationsmiddel. Som regel fremmer oxygen overgangen af ​​metaller til højere oxidationstilstande:

Tilstedeværelsen af ​​ilt gør det ofte muligt at opløse metaller i syrer umiddelbart efter brint i spændingsserien:

Ved opvarmning kan oxygen oxidere lavere metaloxider:

.

Ilt opnås ikke kemisk i industrien, det opnås fra luften ved destillation.

Laboratoriet anvender nedbrydningsreaktioner af iltrige forbindelser - nitrater, chlorater, permanganater ved opvarmning:

Du kan også få ilt ved katalytisk nedbrydning af hydrogenperoxid:

Derudover kan ovennævnte vandelektrolysereaktion anvendes til at producere oxygen.

Arbejde med materialerne i den elektroniske pædagogiske ressource Laboratoriearbejde "Produktion af ilt og dets egenskaber."

Hvad hedder den iltopsamlingsmetode, der bruges i laboratoriearbejde? Hvilke andre måder at opsamle gasser er der, og hvilke er egnede til at opsamle ilt?

Opgave 1. Se videoklippet "Dekomponering af kaliumpermanganat ved opvarmning."

Svar på spørgsmålene:

1. 1. Hvilket af reaktionens faste produkter er opløseligt i vand?
   2. Hvilken farve er kaliumpermanganatopløsning?
   3. Hvad er farven på kaliummanganatopløsning?

Skriv ligningerne for de igangværende reaktioner. Udlign dem ved hjælp af den elektroniske balancemetode.

Diskuter opgaven med læreren på eller i videorummet.

Ozon.

Ozonmolekylet er triatomisk og bindingerne i det er mindre stærke end i iltmolekylet, hvilket fører til en større kemisk aktivitet af ozon: ozon oxiderer let mange stoffer i opløsninger eller i tør form uden opvarmning:

Ozon er i stand til nemt at oxidere nitrogenoxid (IV) til nitrogenoxid (V), og svovloxid (IV) til svovloxid (VI) uden en katalysator:

Ozon nedbrydes gradvist og danner ilt:

Bruges til at producere ozon specielle enheder- ozonisatorer, hvor en glødeudledning ledes gennem ilt.

I laboratoriet bruges nogle gange nedbrydningsreaktioner af peroxoforbindelser og nogle højere oxider for at opnå små mængder ozon, når de opvarmes:

Arbejde med materialerne i den elektroniske pædagogiske ressource Laboratoriearbejde "Opnåelse af ozon og undersøgelse af dets egenskaber."

Forklar hvorfor indigopløsningen bliver farveløs. Skriv ligningerne for de reaktioner, der opstår, når opløsninger af blynitrat og natriumsulfid blandes, og når ozoniseret luft ledes gennem den resulterende suspension. Skriv ionligninger for ionbytterreaktionen. For redoxreaktionen skal du lave en elektronisk vægt.

Diskuter opgaven med læreren på eller i videorummet.

Vands kemiske egenskaber

Til et bedre bekendtskab med fysiske egenskaber vand og dets betydning, arbejde med materialer af elektroniske pædagogiske ressourcer "Anomale egenskaber af vand" og "Vand er den vigtigste væske på Jorden."

Vand har stor betydning for alle levende organismer – faktisk består mange levende organismer af mere end halvdelen af ​​vand. Vand er et af de mest alsidige opløsningsmidler (ved høje temperaturer og tryk øges dets evner som opløsningsmiddel betydeligt). Fra et kemisk synspunkt er vand hydrogenoxid, mens det er i vandig opløsning det dissocierer (omend i meget lille udstrækning) til hydrogenkationer og hydroxidanioner:

.

Vand interagerer med mange metaller. Med aktive (alkaliske, jordalkaliske og nogle lanthanider) reagerer vand uden opvarmning:

Med mindre aktiv interaktion opstår ved opvarmning.

Generel og uorganisk kemi

Forelæsning 6. Brint og ilt. Vand. Brintoverilte.

Brint

Brintatomet er kemiens enkleste genstand. Strengt taget er dens ion - protonen - endnu enklere. Først beskrevet i 1766 af Cavendish. Navn fra græsk. "hydrogener" - genererer vand.

Radius af et brintatom er cirka 0,5 * 10-10 m, og dets ion (proton) er 1,2 * 10-15 m. Eller fra 50 pm til 1,2 * 10-3 pm eller fra 50 meter (SCA diagonal ) op til 1 mm.

Det næste 1s element, lithium, ændres kun fra 155 pm til 68 pm for Li+. En sådan forskel i størrelsen af ​​et atom og dets kation (5 størrelsesordener) er unik.

På grund af den lille størrelse af protonen, udvekslingen hydrogenbinding, primært mellem oxygen-, nitrogen- og fluoratomer. Styrken af ​​brintbindinger er 10-40 kJ/mol, hvilket er meget mindre end brudenergien for de fleste almindelige bindinger (100-150 kJ/mol i organiske molekyler), men mere end den gennemsnitlige kinetiske energi ved termisk bevægelse ved 370 C (4 kJ/mol). Som et resultat, i en levende organisme, brydes hydrogenbindinger reversibelt, hvilket sikrer strømmen af ​​vitale processer.

Brint smelter ved 14 K, koger ved 20,3 K (tryk 1 atm), densiteten af ​​flydende brint er kun 71 g/l (14 gange lettere end vand).

I det sjældne interstellare medium blev der fundet exciterede brintatomer med overgange op til n 733 → 732 med en bølgelængde på 18 m, hvilket svarer til en Bohr-radius (r = n2 * 0,5 * 10-10 m) af størrelsesordenen 0,1 mm (!).

Det mest almindelige grundstof i rummet (88,6% af atomerne, 11,3% af atomerne er helium, og kun 0,1% er atomer af alle andre grundstoffer).

4H → 4He + 26,7 MeV 1 eV = 96,48 kJ/mol

Da protoner har spin 1/2, er der tre typer brintmolekyler:

orthohydrogen o-H2 med parallelle nukleare spins, parahydrogen n-H2 med antiparallel spins og normal n-H2 - en blanding af 75% ortho-brint og 25% para-hydrogen. Under omdannelsen af ​​o-H2 → p-H2 frigives 1418 J/mol.

Egenskaber af ortho- og parabrinte

Da brints atommasse er det mindst mulige, adskiller dens isotoper - deuterium D (2 H) og tritium T (3 H) sig væsentligt fra protium 1 H i fysisk og kemiske egenskaber. For eksempel udskiftning af en af ​​brinterne i organisk forbindelse på deuterium afspejles mærkbart i dets vibrationelle (infrarøde) spektrum, hvilket gør det muligt at etablere strukturen af ​​komplekse molekyler. Lignende substitutioner ("mærket atommetode") bruges også til at etablere kompleksets mekanismer

kemiske og biokemiske processer. Metoden med mærkede atomer er særligt følsom, når radioaktivt tritium anvendes i stedet for protium (β-henfald, halveringstid 12,5 år).

Egenskaber af protium og deuterium

					Massefylde, g/l (20 K)
Hovedmetode brintproduktion i industrien – metankonvertering
eller kulhydratisering ved 800-11000 C (katalysator):
CH4 + H2O = CO + 3 H2				over 10000 С
"Vandgas": C + H2 O = CO + H2
Derefter CO-omdannelse: CO + H2 O = CO2 + H2						4000 C, koboltoxider

Total: C + 2 H2O = CO2 + 2 H2

Andre kilder til brint.

Koksovnsgas: ca. 55% brint, 25% metan, op til 2% tunge kulbrinter, 4-6% CO, 2% CO2, 10-12% nitrogen.

Brint som forbrændingsprodukt:

Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2 H2

Der frigives op til 370 liter brint pr. 1 kg pyroteknisk blanding.

Brint i form et simpelt stof anvendes til fremstilling af ammoniak og hydrogenering (hærdning) af vegetabilske fedtstoffer, til reduktion af nogle metaloxider (molybdæn, wolfram), til fremstilling af hydrider (LiH, CaH2,

LiAlH4).

Reaktionens entalpi: H. + H. = H2 er -436 kJ / mol, så atomart hydrogen bruges til at producere en højtemperatur-reducerende "flamme" ("Langmuir-brænder"). En brintstråle i en elektrisk lysbue forstøves ved 35.000 C med 30%, så er det, med rekombination af atomer, muligt at nå 50.000 C.

Flydende brint bruges som brændstof i raketter (se ilt). Lover miljøvenligt brændstof til landtransport; eksperimenter er i gang med brugen af ​​brintmetalhydridbatterier. For eksempel kan LaNi5-legeringen absorbere 1,5-2 gange mere brint, end der er indeholdt i det samme volumen (som legeringens volumen) af flydende brint.

Ilt

Ifølge nu alment accepterede data blev oxygen opdaget i 1774 af J. Priestley og uafhængigt af K. Scheele. Historien om opdagelsen af ​​ilt godt eksempel paradigmers indflydelse på videnskabens udvikling (se bilag 1).

Tilsyneladende blev ilt faktisk opdaget meget tidligere end den officielle dato. I 1620 kunne enhver ride langs Themsen (i Themsen) i en ubåd designet af Cornelius van Drebbel. Båden flyttede under vand takket være indsatsen fra et dusin roere. Ifølge adskillige øjenvidner løste opfinderen af ​​ubåden med succes problemet med at trække vejret ved at "forfriske" luften i den. med kemiske midler. Robert Boyle skrev i 1661: “... Undtagen mekanisk design både, opfinderen havde kemisk opløsning(sprit), som han

betragtes som hovedhemmeligheden ved dykning. Og da han fra tid til anden blev overbevist om, at den åndbare del af luften allerede var brugt op og gjorde det svært for folk i båden at trække vejret, kunne han ved at åbne et kar fyldt med denne opløsning hurtigt fylde luften op med et sådant indhold af vitale dele, der ville gøre det igen egnet til åndedræt i tilstrækkelig lang tid.

En sund person i en rolig tilstand pumper om dagen omkring 7200 liter luft gennem sine lunger og tager 720 liter ilt uigenkaldeligt. I et lukket rum med en volumen på 6 m3 kan en person overleve uden ventilation i op til 12 timer, og med fysisk arbejde 3-4 timer. Hovedårsagen til åndedrætsbesvær er ikke mangel på ilt, men ophobning af kuldioxid fra 0,3 til 2,5 %.

I lang tid Den vigtigste metode til at opnå ilt var "barium"-cyklussen (opnåelse af ilt ved Brin-metoden):

BaS04-t-→ BaO + S03;

5000C ->

BaO + 0,5 O2 ====== BaO2<- 7000 C

Drebbels hemmelige opløsning kunne være en opløsning af hydrogenperoxid: BaO2 + H2 SO4 = BaSO4 ↓ + H2 O2

Opnåelse af oxygen under forbrænding af pyromixturen: NaClO3 = NaCl + 1,5 O2 + 50,5 kJ

I en blanding af op til 80% NaClO3, op til 10% jernpulver, 4% bariumperoxid og glasuld.

Iltmolekylet er paramagnetisk (praktisk talt et biradikalt), derfor er dets aktivitet høj. Organiske stoffer oxideres i luft gennem stadiet med peroxiddannelse.

Ilt smelter ved 54,8 K og koger ved 90,2 K.

Den allotrope modifikation af grundstoffet oxygen er stoffet ozon O3. Jordens biologiske ozonbeskyttelse er ekstremt vigtig. I en højde af 20-25 km etableres en ligevægt:

UV<280 нм		UV 280-320nm
O2 ----> 2 O*	O* + O2 + M --> O3	O3-------	> O2 + O
	(M - N2, Ar)

I 1974 blev det opdaget, at atomisk klor, som er dannet af freoner i en højde på mere end 25 km, katalyserer nedbrydningen af ​​ozon, som om det erstatter "ozon" ultraviolet. Denne UV er i stand til at forårsage hudkræft (op til 600.000 tilfælde om året i USA). Forbuddet mod freoner i aerosoldåser har været gældende i USA siden 1978.

Siden 1990 har listen over forbudte stoffer (i 92 lande) inkluderet CH3 CCl3, CCl4, chlorbromcarbonhydrider - deres produktion er begrænset i 2000.

Forbrænding af brint i ilt

Reaktionen er meget kompleks (skema i forelæsning 3), så en lang undersøgelse var påkrævet før påbegyndelse af praktisk anvendelse.

21. juli 1969 gik den første jordbo - N. Armstrong på månen. Saturn-5 løfteraket (designet af Wernher von Braun) består af tre trin. I den første petroleum og ilt, i den anden og tredje - flydende brint og ilt. I alt 468 tons flydende O2 og H2. 13 vellykkede lanceringer blev foretaget.

Siden april 1981 har rumfærgen været i drift i USA: 713 tons flydende O2 og H2, samt to boostere med fast drivstof på hver 590 tons (samlet masse) fast brændsel 987 tons). De første 40 km opstigning til TTU, fra 40 til 113 km motorer kører på brint og ilt.

Den 15. maj 1987, den første opsendelse af Energia, den 15. november 1988, den første og eneste flyvning af Buran. Affyringsvægten er 2400 tons, massen af ​​brændstof (petroleum i

siderum, flydende O2 og H2) 2000 tons Motoreffekt 125000 MW, nyttelast 105 tons.

Forbrændingen var ikke altid kontrolleret og vellykket.

I 1936 blev verdens største brintluftskib LZ-129 "Hindenburg" bygget. Volumenet er 200.000 m3, længden er omkring 250 m, diameteren er 41,2 m. Hastigheden er 135 km/t takket være 4 motorer på hver 1100 hk, nyttelasten er 88 tons. Luftskibet foretog 37 flyvninger over Atlanten og transporteret mere end 3 tusinde passagerer.

Den 6. maj 1937, mens luftskibet fortøjede i USA, eksploderede og brændte ned. En af mulige årsager- sabotage.

Den 28. januar 1986, i det 74. sekund af flyvningen, eksploderede Challenger med syv kosmonauter - den 25. flyvning i Shuttle-systemet. Årsagen er en defekt i den faste drivmiddelbooster.

Demonstration:

eksplosiv gaseksplosion (en blanding af brint og oxygen)

brændstofceller

Teknisk set vigtig mulighed denne forbrændingsreaktion - opdelingen af ​​processen i to:

hydrogenelektrooxidation (anode): 2 H2 + 4 OH– - 4 e– = 4 H2 O

oxygenelektroreduktion (katode): O2 + 2 H2 O + 4 e– = 4 OH–

Systemet, hvori en sådan "afbrænding" udføres, er brændselscelle. Virkningsgraden er meget højere end for termiske kraftværker, da der ikke er nogen

særlige fase af varmeudvikling. Maksimal effektivitet = ∆G/∆H; til forbrænding af brint opnås 94 %.

Effekten har været kendt siden 1839, men de første praktisk talt fungerende brændselsceller er blevet implementeret

i slutningen af ​​det 20. århundrede i rummet ("Gemini", "Apollo", "Shuttle" - USA, "Buran" - USSR).

Brændselscelleperspektiver [17]

En repræsentant for Ballard Power Systems, der talte på en videnskabelig konference i Washington, understregede, at en brændselscellemotor vil blive kommercielt levedygtig, når den opfylder fire hovedkriterier: lavere omkostninger til genereret energi, øget holdbarhed, reduceret installationsstørrelse og evnen til at starte hurtigt i koldt vejr.. Omkostningerne ved en kilowatt energi genereret af et brændselscelleanlæg bør reduceres til $30. Til sammenligning var det samme tal i 2004 $103, og i 2005 forventes det at være $80. For at opnå denne pris er det nødvendigt at producere mindst 500 tusinde motorer om året. Europæiske videnskabsmænd er mere forsigtige i deres prognoser og mener, at den kommercielle brug af brændstof brint elementer i bilindustrien begynder tidligst i 2020.