Wodorki – budowa i otrzymywanie - Tlenki, wodorki i wodorotlenki

Czym są wodorki?

Wodorki to związki wodoru z innymi pierwiastkami. Ze względu na skład, wodorki możemy podzielić na:

wodorki niemetali – związki, w których wodór występuje na $+ I$ stopniu utlenienia;
wodorki metali – związki, w których wodór występuje na $- I$ stopniu utlenienia.

Zmiany wartościowości pierwiastków bloku $s$ i $p$ względem wodoru

Pierwiastki chemiczne mogą tworzyć wodorki metali i niemetali. Tworzą je głównie pierwiastki bloku $s$ i $p$ , jak na poniższej grafice.

R1azhwNVh2paM1

Ilustracja przedstawiająca układ okresowy pierwiastków z zaznaczonymi blokami s stanowiącym grupę pierwszą i drugą, d stanowiącym grupy od trzeciej do dwunastej oraz p, do którego zalicza się pierwiastki grup od trzynastej do osiemnastej. Układ nie zawiera symboli pierwiastków oraz podstawowych wielkości opisujących dany pierwiastek. Zamiast tego w układzie zapisano: metale bloków s i p przyjmują w wodorkach stopnie utlenienia od jednego do trzech, stopień utlenienia niemetali zaś rośnie od minus czterech dla niemetali grupy czternastej i do minus jednego dla niemetali grupy siedemnastej. — Pierwiastki chemiczne mogą tworzyć wodorki metali i niemetali.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Pierwiastki bloku $d$ tworzą z wodorem tzw. wodorki metaliczne (śródwęzłowe). W większości nie można wyrazić ich prostymi wzorami, ponieważ są to związki niestechiometryczne.

Nomenklatura i wzory

Wzory sumaryczne wodorków tworzy się poprzez umieszczenie pierwiastka bardziej elektroujemnego po prawej stronie. Zatem poprawny zapis dla tego typu związku z sodem to $NaH$ a nie $HNa$ , natomiast dla związku wodoru z chlorem to $HCl$ , nie $ClH$ . Do ustalenia wzoru sumarycznego wodorków ważne jest ustalenie, z jakim typem związku mamy do czynienia i jaki jest stopień utlenienia pierwiastka macierzystego (innego niż wodór), który go tworzy:

Wodorki pierwiastków $1 .$ i $13 .$ grupy układu okresowego

Wzory wodorków pierwiastków grupy $1 .$ i $13 .$ włącznie zapisuje się następująco:

$M H_{n}$

$M$ – atom metalu lub niemetalu grupy $1 .$ , $2 .$ , $13 .$ , $14 .$ , $15 .$ oraz metale bloku $d$ ;
$H$ – symbol wodoru;
$n$ – indeks stechiometryczny, będący, co do wartości, równy stopniowi utlenienia metalu.

R1UYPy8vHPljN

Ilustracja przedstawiająca wzór ogólny wodorków oraz ich przykłady z grupy pierwszej, drugiej oraz trzynastej w postaci wzorów sumarycznych wraz z określonymi stopniami utlenienia poszczególnych atomów. Wzór ogólny n powyżej X, minus jeden powyżej H indeks dolny, n, koniec indeksu dolnego. Przykłady wodorków: jeden powyżej N a, minus jeden powyżej H, dwa powyżej C a, minus jeden powyżej H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, dwa powyżej M g, minus jeden powyżej H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, trzy powyżej A l, minus jeden powyżej H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego. — Wzory wodorków pierwiastków grupy $1 .$ i $16 .$
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Nazwy takich wodorków tworzymy przez podanie słowa „wodorek” oraz podanie nazwy pierwiastka w dopełniaczu:

$NaH$ – wodorek sodu;
${CaH}_{2}$ – wodorek wapnia;
${MgH}_{2}$ – wodorek magnezu;
${AlH}_{3}$ – wodorek glinu.

Wodorki pierwiastków $16 .$ i $17 .$ grupy układu okresowego

Wzory wodorków $16 .$ i $17 .$ grupy układu okresowego można zapisać ogólnie:

$H_{m} N$

$N$ – atom niemetalu grupy $16 .$ i $17 .$ ;
$H$ – atom wodoru;
$m$ – indeks stechiometryczny, będący, co do wartości, równy wartości bezwzględnej ze stopnia utlenienia atomu niemetalu, połączonego z atomem wodoru.

R18pO2uviM4ax

Ilustracja przedstawiająca wzór ogólny wodorków oraz ich przykłady dla grupy szesnastej i siedemnastej w postaci wzorów sumarycznych wraz z określonymi stopniami utlenienia poszczególnych atomów. Wzór ogólny jeden powyżej H indeks dolny, n, koniec indeksu dolnego, n powyżej X. Przykłady wodorków: jeden powyżej H, minus jeden powyżej C l, jeden powyżej H, minus jeden powyżej F, jeden powyżej H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, minus dwa powyżej O, jeden powyżej H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, minus dwa powyżej S. — Wzory wodorków $16 .$ i $17 .$ grupy układu okresowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Nazwy tych wodorków tworzymy przez połączenie nazwy pierwiastka ze słowem „wodór” za pomocą litery „o”:

$HCl$ – chlorowodór;
$HF$ – fluorowodór;
$H_{2} S$ – siarkowodór;
$H_{2} O$ – dla tego związku zwyczajowo stosujemy nazwę: woda.

Oczywiście dopuszczalne jest stosowane nazw „wodorek fluoru” w miejsce „chlorowodór”, czy „wodorek siarki” w miejsce „siarkowodór”, etc. Jako ciekawostkę należy wskazać, że nazwą zalecaną dla tlenku wodoru, czyli wody, jest oksydan, a dla amoniaku – (wodorku azotu) azan.

Pozostałe

Do innych znanych wodorków niemetali można zaliczyć następujące związki:

związek wodoru z azotem na $- III$ stopniu utlenienia: ${NH}_{3}$ (amoniak);
związek wodoru z fosforem na $- III$ stopniu utlenienia: ${PH}_{3}$ ;
związek wodoru z krzemem: ${SiH}_{4}$ .

Nazwa wodorku	Wzór wodorku	Stopień utlenienia pierwiastka macierzystego
wodorek litu	$LiH$	$I$
wodorek sodu	$NaH$	$I$
wodorek potasu	$KH$	$I$
wodorek rubidu	$RbH$	$I$
wodorek wapnia	${CaH}_{2}$	II
wodorek strontu	$SrH$ Indeks dolny 2	II
wodorek miedzi( $I$ )	$CuH$	$I$
wodorek chromu( $I$ )	$CrH$	$I$
wodorek skandu( $III$ )	${ScH}_{3}$	$III$
metan	${CH}_{4}$	$- IV$
benzen	$C_{6} H_{6}$	$- I$
monosilan	${SiH}_{4}$	$- IV$
wodorek arsenu	${AsH}_{3}$	$- III$
amoniak (azan)	${NH}_{3}$	$- III$
siarkowodór (sulfan)	$H_{2} S$	$- II$
fluorowodór	$HF$	$- I$

Przykład 1

Ustal wzór sumaryczny wodorku wapnia.

Wapń występuje w drugiej grupie głównej układu okresowego pierwiastków. Jego stopień utlenienia zatem to $II$ . Analizując tę informacje w kontekście wzoru ogólnego wodorków metali:

$M H_{n}$

Otrzymujemy wzór wodorku wapnia:

${CaH}_{2}$

Przykład 2

Ustal nazwę wodorku ${SiH}_{4}$ .

Dla wodorków niemetali moglibyśmy zastosować dwie alternatywne nazwy. Jedna, opisowa, polega na zastosowaniu słowa „wodorek”, a następnie określenie, czego (dopełniacz) ten wodorek jest. W tym wypadku byłby to wodorek krzemu. Drugi sposób to połączenie nazwy pierwiastka ze słowem „wodór” za pomocą litery „o”, zatem krzemowodór.

Polecenie 1

Jakie są rodzaje wodorków dostępne w układzie okresowym pierwiastków? Jakie wodorki tworzą poszczególne pierwiastki? Przeanalizuj grafikę interaktywną, a następnie wykonaj poniższe zadania.

Jakie są rodzaje wodorków dostępne w układzie okresowym pierwiastków? Jakie wodorki tworzą poszczególne pierwiastki? Przeanalizuj opis grafiki interaktywnej, a następnie wykonaj poniższe zadania.

R1IKnNh0azIJF1

Grafika interaktywna pt. „Jak definiuje się wodorki?” Opracowano na podstawie dostępnej literatury: Hübener S., [w:] Encyclopedia of Physical Science and Technology, Third Edition, 2003; Degtyareva V. F., Crystal structure of gold hydride, „Journal of Alloys and Compounds” 2015, t. 645, nr 1, s. S128‑S131; Messer C. E., Park M. K., Dissociation pressures and related thermodynamic functions and hydrogen solution parameters in the systems PrH2PrH3, NdH2NdH3, and SmH2SmH3. General considerations for the related lanthanide and actinide hydride systems, „Journal of the Less Common Metals” 1972, t. 26, nr 2, s. 235‑246; Mueller W. M., Blackledge J. P., Libowitz G. G., Metal Hydrides, 1968.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 1

Korzystając z powyższej grafiki, napisz, które pierwiastki tworzą wodorki typu soli (wodorki jonowe).

RwJDOR5vfoD5V

RcT9gB7QrNhH4

Wodorki jonowe typu soli tworzą metale grupy $1 .$ – $M e H$ , grupy $2 .$ – $M e H_{2}$ (z wyjątkiem magnezu i berylu, które są wodorkami kowalencyjnymi) oraz lantanowce.

Ćwiczenie 2

Określ, do jakiego rodzaju wodorków należy ${NH}_{3}$ . Podaj przykład innych wodorków tego samego rodzaju.

RiTtw7fmnEqwG

RztEv5pZFmfvJ

${NH}_{3}$ należy do rodzaju wodorków kowalencyjnych. Inne przykłady: ${CH}_{4}$ , ${SiH}_{4}$ , ${PH}_{3}$ , $H_{2} O$ , $H_{2} S$ , $HF$ , $HCl$

Ćwiczenie 3

Który pierwiastek spełnia równocześnie następujące warunki:

1. atom ma trzy powłoki elektronowe;

2. tworzy tlenek typu $E_{2} O$ ?

RMYiqyK1nF2Up

Klasyfikacja wodorków

Polecenie 2

W jaki sposób klasyfikuje się wodorki? Zapoznaj się z opisem wodorków umieszczonych poniżej, a następnie wykonaj ćwiczenie nr $1$ , rozbudowując mapę pojęć o inne przykłady wodorków. Sprawdź swoje wiadomości, rozwiązując pozostałe zadania.

Re41Vx2XGjnEI1

Ilustracja interaktywna przedstawia mapę myśli z głównym hasłem: Wodorki. Od głównego hasła odchodzi pięć dymków odpowiednio: 1. Kompleksy wodorkowe metali przejściowych 2. Wodorki zawierające deuter, 3. Wodorki metaliczne 4. Wodorki typu soli 5. Wodorki kowalencyjne. Wodorki kowalencyjne mają trzy kolejne odnośniki: kwasowe, zasadowe, obojętne. 1. Ilustracja przedstawia strukturę krystaliczną wodorku wapnia. Atomy wapnia i wodoru są dość ciasno upakowane. Atomy wapnia zostały przedstawione jako duże szare kulki, a atomy wodoru jako małe białe kulki.^{Indeks górny Wodorek wapnia;
Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki typu soli tworzą pierwiastki pierwszej i drugiej grupy układu okresowego. Pomiędzy atomami wodoru i metalu znajduje się wiązanie jonowe. Wodór występuje na minus pierwszym stopniu utlenienia.

Reagują one z wodą w przedstawiony poniżej sposób:

H indeks górny, minus, I, koniec indeksu górnego, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, strzałka w prawo, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, O H indeks górny, minus, I, koniec indeksu górnego

np.:

L i H, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, strzałka w prawo, L i O H, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego

Przykłady:

C a H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, L i H, przecinek, N a H

Wyjątki:

M g H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, B e H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego – zawierają wiązania kowalencyjne spolaryzowane., 2. Wodorki kowalencyjne Ilustracja przedstawia model kulkowy cząsteczki borowodorku. W środku cząsteczki znajduje się różowy atom boru, a trzy atomy wodoru, w postaci białych kulek, są rozmieszczone w jednej płaszczyźnie.^{Indeks górny Borowodorek
Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki kowalencyjne powstają w reakcji wodoru z niemetalem. Wodorki tego typu tworzą pierwiastki z grup od czternastej do osiemnastej układu okresowego oraz bor. Wodór występuje na plus pierwszym s.u. Związki te posiadają wiązania kowalentne i są z reguły gazami.

Przykłady:

B H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, przecinek, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S, przecinek, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego

Wodorki kowalencyjne, ze względu na zachowanie się ich w stosunku do kwasów i zasad, dzielimy na kwasowe, zasadowe i obojętne., 3. Kwasowe Ilustracja przedstawia model kulkowy siarczku wodoru. Atom siarki, reprezentowany przez żółtą kulkę, łączy się z dwoma atomami wodoru, kąt pomiędzy nimi jest mniejszy niż 180 stopni, a cząsteczka ma budowę kątową.^{Indeks górny Siarczek wodoru
Źródło: www.pl.wikipedia.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki kwasowe powstają w połączeniu z niemetalami grupy siedemnastej i szesnastej układu okresowego.

Rozpuszczone w wodzie dają kwasy, np.:

H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S indeks dolny, nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O powyżej, strzałka w prawo, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S indeks dolny, nawias aq zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego

Bezwodniki kwasów beztlenowych zarówno w roztworach wodnych jak i w stanie gazowym reagują z wodorotlenkami dając sole np.:

H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S, plus, dwa N a O H, strzałka w prawo, N a indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, S, plus, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. Zasadowe Ilustracja przedstawia cząsteczkę amoniaku. Atom azotu, przedstawiony za pomocą niebieskiej kulki łączy się z trzema białymi kulkami, czyli atomami wodoru. Atomy wodoru nie leżą w jednej płaszczyźnie, a cząsteczka ma kształt piramidy. ^{Indeks górny Amoniak
Źródło: www.af.wikipedia.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki zasadowe to wodorki niemetali grupy 15. układu okresowego.

Przykładem jest azan (amoniak), który, rozpuszczony w wodzie, tworzy wodę amoniakalną:

N H indeks dolny, trzy nawias, g, zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, strzałka w prawo, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O

Zarówno w roztworach wodnych, jak i w stanie gazowym reagują one z kwasami, prowadząc do otrzymania soli:

N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, plus, H C l, strzałka w prawo, N H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, C l, 5. Obojętne Ilustracja przedstawia model kulkowy cząsteczki metanu. Atom węgla jest przedstawiony jako czarna kulka, a atomy wodoru jako białe kulki. Jeden atom węgla łączy się z czterema atomami wodoru, które są rozmieszczone równomiernie w przestrzeni, a cząsteczka ma kształt tetraedru.^{Indeks górny Metan
Źródło: www.snappygoat.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki obojętne nie reagują z wodą i są słabo rozpuszczalne.

Reprezentantem tej grupy związków jest metan (C H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego)., 6. Wodorki metaliczne Zdjęcie przedstawia wodorek tytanu w formie brązowego proszku.^{Indeks górny Wodorek tytanu
Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: domena publiczna}

Wodorki metaliczne powstają w reakcji wodoru z metalami bloku d, zajmując pozycje międzywęzłowe w sieci przestrzennej metalu. Są niestechiometryczne (składu nie można określić za pomocą prostych wzorów). Właściwościami zbliżone są do cech metalu wyjściowego.

Przykłady:

T i H indeks dolny, jeden przecinek dziewięć, koniec indeksu dolnego, przecinek, P d H indeks dolny, zero przecinek sześć, koniec indeksu dolnego, 7. Kompleksy wodorkowe metali przejściowych Ilustracja przedstawia model kulkowy wodorku tetrakarbonylu kobaltu. Atom kobaltu przedstawiono jako niebiesko‑fioletową kulkę, atomy węgla jako czarne kulki, tlenu jako czerwone i wodoru jako biały. Atom kobaltu łączy się z czterema atomami węgla i jednym atomem wodoru. Atom wodoru znajduje się u góry, trzy atomy węgla leżą w jednej płaszczyźnie prostopadłej do wiązania wodór‑kobalt, a czwarty atom węgla leży w tej samej linii, co wodór i kobalt, ale u dołu. Do każdego z atomów węgla przyłączony jest jeden atom tlenu wiązaniem potrójnym.^{Indeks górny Wodorek tetrakarbonylu kobaltu
Źródło: www.commons.wikimedia.org, licencja: domena publiczna}

Związki tego typu stosowane są w chemii metaloorganicznej jako aktywne katalizatory wielu reakcji katalitycznych, np. przy utlenianiu C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego do kwasu mrówkowego.

Przykłady wodorkowych kompleksów metali przejściowych:

Hco nawias, C O, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, F e nawias, C O, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, 8. Wodorki zawierające deuter (indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, H) Zdjęcie przedstawia świecącą lampę wyładowczą zawierającą deuter. Lampa świeci fioletowym światłem.^{Indeks górny Deuter świecący w lampie wyładowczej
Źródło: www.commons.wikimedia.org, Alchemist‑hp, licencja: FAL}

Przykładem jest deuterek litu (LiD), który jest podstawowym paliwem fuzyjnym w broni termojądrowej.

Mapa pojęć pt. „Wodorki”

Źródło: GroMar Sp. z o.o. oprac. na podst. Bielański, A. Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa, 2013. oraz materiału dostępnego na stronie: http://home.agh.edu.pl, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

R14wZlOe9myQS

Mapa pojęć pt. „Przykłady wodorków”

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RV4TxX8yfq4U1

RuZLk1bzoHK4I

Ćwiczenie 5

R110f3OXBOJh5

Ćwiczenie 6

Budowa wybranych wodorków

Wodorki litowców

Wodorki litowców są związkami o budowie jonowej – typu soli, w których metal występuje w postaci kationu, a wodór w postaci anionu. Tworzą one sieci krystaliczne typu chlorku sodu.

RPTrzS8qW1DQM

Ilustracja przedstawia model kulkowy struktury wodorku sodu. Atomy sodu, będące fioletowymi kulkami, i atomy wodoru, reprezentowane przez białe kulki, są ułożone naprzemiennie i tworzą sześcian. — Struktura sieci przestrzennej wodorku sodu
Źródło: dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.

Wodorki berylowców

Wodorek berylu

Beryl tworzy wodorek o wiązaniach kowalencyjnych. Wodorek berylu to substancja bezbarwna, która ulega rozkładowi w temperaturze $570 K$ .

Jego sieć przestrzenną tworzą polimeryczne łańcuchy, beryl w nich jest związany kowalencyjnymi wiązaniami trójcentrowymiwiązanie trójcentrowetrójcentrowymi $Be — H — Be$ .

R5aLBI8u0pxna

Ilustracja przedstawia sieć przestrzenną wodorku berylu. Jeden atom berylu jest połączony z czterema atomami wodoru. Dwa z nich są umieszczone w płaszczyźnie rysunku, a dwa kolejne są oznaczone w taki sposób, który sugeruje że jeden z nich znajduje się przed a drugi za płaszczyzną ilustracji. Przedstawiono jedynie fragment sieci, obejmujący jedynie trzy atomy berylu. Ten fragment został objęty nawiasem kwadratowym, za którym w nawiasie dolnym umieszczono literę n. — Schemat sieci przestrzennej wodorku berylu
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wodorek magnezu

Można znaleźć dwie przeciwstawne informacje w literaturze – jedna z nich mówi o budowie jonowej wodorku magnezu, a druga o występowaniu w nim wiązań kowalencyjnych. W praktyce wodorek wagnezu wykazuje strukturę pośrednią w zależności od warunków.

Wodorki pozostałych berylowców

Pozostałe pierwiastki drugiej grupy układu okresowego (wapń, stront, bar, rad) tworzą wodorki typowo jonowe.

Budowa cząsteczki amoniaku

Polecenie 3

Czy wiesz, jaki związek kryje się pod nazwą „azan”? Czy wiesz, jak zbudowana jest cząsteczka azanu? Zapoznaj się z animacją, a następnie wykonaj zadania znajdujące się poniżej.

R1HFfgTjC3iQH

Animacja pt. „Jak zbudowana jest cząsteczka azanu (amoniaku)?”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Dominika Kruszewska, licencja: CC BY-SA 3.0.

R4KMeJwV3pWyv

Ćwiczenie 7

R1L46sBtbAyAB

Ćwiczenie 8

RMPQNWcCCqeH0

Ćwiczenie 9

Budowa cząsteczki sulfanu (siarkowodoru)

Polecenie 4

Czy wiesz, jaka cząsteczka kryje się pod nazwą „sulfan”? Czy wiesz, jaką budowę ma sulfan i jak budowa wpływa na właściwości związku? Zapoznaj się z animacją, a następnie sprawdź swoją wiedzę rozwiązując zadania poniżej.

Rl1ZjwjlInota

Animacja pt. Jak zbudowana jest cząsteczka sulfanu?
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Dominika Kruszewska, licencja: CC BY-SA 3.0.

R1GsoYvmS8Ssf2

Ćwiczenie 10

R14mxj8eREGFm2

Ćwiczenie 11

RCnhDhJ5XpJ2W2

Ćwiczenie 12

Otrzymywanie wodorków

Wodorki można otrzymać różnymi metodami:

bezpośrednia synteza w określonych warunkach (czasami w obecności katalizatora), np.:
- wodorki niemetali, np. $N_{2} + 3 H_{2} \overset{katalizator}{\to} 2 {NH}_{3}$
- wodorki metali, np. $2 Na + H_{2} \to 2 NaH$
inne wybrane przykłady:
- ${CH}_{3} COONa + NaOH \to {CH}_{4} + {Na}_{2} {CO}_{3}$ — substraty są stopione;
- $3 LiH + {AlCl}_{3} \to {AlH}_{3} + 3 LiCl$ (reakcja zachodzi w środowisku eteru).

Otrzymywanie amoniaku (azanu)

Metodą otrzymywania amoniaku na skalę przemysłową jest metoda bezpośredniej syntezy z wodoru i azotu.

Przedstawia ją poniższy zapis równania reakcji:

$N_{2 (g)} + 3 H_{2 (g)} \to 2 {NH}_{3 (g)}$

Inne metody:

otrzymywanie amoniaku, działając mocną zasadą na sole amonowe w podwyższonej temperaturze – reakcja ta służy do wykrycia obecności jonów ${NH}_{4}^{+}$ w roztworze wodnym:

${NH}_{4} Cl + KOH \overset{ogrzewanie}{\to} KCl + {NH}_{3} ↑ + H_{2} O$

poddawanie soli amonowych termicznemu rozkładowi:

${NH}_{4} Cl \overset{ogrzewanie}{\to} {NH}_{3} + HCl$

Dowiedz się więcej - przemysłowe otrzymywanie amoniaku

Czy wiesz, za pomocą jakiej metody produkuje się amoniak na skalę przemysłową? Przeanalizuj poniższą grafikę, a następnie wykonaj ćwiczenia poniżej.

Czy wiesz, za pomocą jakiej metody produkuje się amoniak na skalę przemysłową? Przeanalizuj opis grafiki, a następnie wykonaj ćwiczenia poniżej.

RiMJliUDYCFQf

Ilustracja główna pokazuje liczną połączoną ze sobą aparaturę. Proces przebiega w trzech etapach. Azot i wodór trafiają do sprężarki, gdzie osiągają ciśnienie kilkuset atmosfer. Następnie gazy reagują w konwektorze zawierającym katalizator (metaliczne żelazo z dodatkiem promotorów). Gazy wypływające z konwertora są oziębiane; celem tej operacji jest wykroplenie amoniaku z poreakcyjnej mieszaniny gazów – nieprzereagowany azot i wodór pozostają w tych warunkach w fazie gazowej. Etapy procesu opisano 31 punktami w kolejności jego przebiegu. Opisano: 1. Produkcja amoniaku na skalę przemysłową Proces Habera-Boscha, zwany również procesem syntetycznego amoniaku, to technika syntezy amoniaku z wodoru i azotu. Technologia została opracowana przez niemieckiego fizyka Fritza Habera (w 1918 r. dostał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii), dzięki czemu produkcja amoniaku stała się opłacalna. Zdjęcie przedstawia niemieckiego chemika. Mężczyzna jest łysy, ma wąsy, nosi okulary. Metoda została przełożona na proces wielkoskalowy, z użyciem katalizatora i metod wysokociśnieniowych, przez Carla Boscha (chemika przemysłowego), który w 1931 r. wraz z Friedrichem Bergiusem zdobył Nagrodę Nobla za badania wysokociśnieniowe., 2. Główny konwertor. Wytwarzanie amoniaku metodą Habera-Boscha rozpoczyna się od wprowadzenia gazów, takich jak metan oraz para wodna. Należy je uwolnić od zanieczyszczeń (związki siarki), które mogą zatruwać katalizator., 3. Zasilanie powietrzem lub wodą , 4. Konwertor wtórny. W konwertorze głównym zużywana jest tylko część metanu, reszta tego gazu przechodzi do konwertora wtórnego, gdzie jest zużywana w reakcji z powietrzem., 5. Konwertor C O. Następuje tu konwersja tlenku węgla(II) do wyższego tlenku węgla., 6. Płuczka - urządzenie mające na celu pochłanianie (absorpcję) wybranych składników mieszaniny gazowej przez ciecz., 7. Reaktor amoniaku , 8. Wymiennik ciepła - urządzenie wymieniające ciepło pomiędzy dwoma substancjami., 9. Skraplacz amoniaku, 10. Gazy syntezowe - metan (C H indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego); para wodna (H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O indeks dolny, nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego), 11. Konwertor główny – zachodząca reakcja. Podczas reformingu parowego, w głównym konwertorze zachodzi reakcja chemiczna pomiędzy metanem a parą wodną. Synteza przebiega w obecności katalizatora zbudowanego z tlenku niklu(II) i tlenku glinu (N i O, minus, A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego), tworząc tlenek węgla i wodór. Zachodząca reakcja chemiczna:
C H indeks dolny, cztery nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O indeks dolny, nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, kataliaztor powyżej, strzałka w prawo, C O indeks dolny, g, koniec indeksu dolnego, plus, trzy H indeks dolny, dwa nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, 12. Zasilanie konwertora wtórnego - powietrze (O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego); azot (N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego)

Powietrze wprowadzane do reaktora jest wzbogacane w azot, który jest wymagany w kolejnych etapach procesu., 13. Konwertor wtórny – zachodząca reakcja. Metan, niewykorzystany w reaktorze głównym, jest przekształcany w reakcji z tlenem w wodór i tlenek węgla(II), zgodnie ze schematem: dwa C H indeks dolny, cztery nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, O indeks dolny, dwa nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, strzałka w prawo, dwa C O indeks dolny, nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, cztery H indeks dolny, dwa nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, 14. Substancje gazowe wychodzące z reaktora wtórnego: N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego; H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego; C O., 15. Zasilanie wodą H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O;, 16. Konwertor C O – zachodząca reakcja W tym reaktorze ma miejsce konwersja C O do tlenku węgla(IV), zgodnie z poniższą reakcją chemiczną: C O indeks dolny, nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O nawias g zamknięcie nawiasu, strzałka w prawo, C O indeks dolny, dwa nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, plus, H indeks dolny, dwa nawias g zamknięcie nawiasu, koniec indeksu dolnego, 17. Substancje gazowe wychodzące z konwertora C O: N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego; H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego; C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego;, 18. Sprężarka - urządzenie, podwyższające ciśnienie gazów, 19. Płuczka Kolejnym etapem jest usunięcie tlenku węgla(IV) przez przemywanie mieszaniny gazów, roztworem trietanoloaminy.

C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego usuwa się z mieszaniny reakcyjnej, ponieważ w kontakcie z amoniakiem może tworzyć karbaminiany, które mogą zablokować w krótkim czasie rurociągi i aparaturę chemiczną. Mieszanina wychodząca z tego etapu nadal zawiera metan i gazy szlachetne, (argon), które są gazami neutralnymi, niebiorącymi udziału w procesie., 20. Zasilanie wodą H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 21. Z płuczki, oprócz wody, wydostaje się: C O indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, 22. Wymiennik ciepła , 23. N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, 24. Reaktor amoniaku. Katalizator: większość zakładów syntezy amoniaku używa katalizatorów z topionego żelaza, które wykorzystują różnorodne starannie zaprojektowane materiały promotorowe (substancje zwiększające jego skuteczność), np. wodorotlenek potasu. Celem każdego nowego katalizatora do syntezy amoniaku jest złagodzenie warunków procesu poprzez osiągnięcie wysokiej aktywności katalitycznej w obniżonych temperaturach i ciśnieniach, umożliwiając bardziej energooszczędny proces. Ciśnienie: jest różne w różnych zakładach produkcyjnych, ale zawsze jest wysokie ok. 200 bar. Recykling: podczas każdego przejścia gazów przez reaktor, tylko ok. 15% azotu i wodoru przekształca się w amoniak. Dzięki ciągłemu recyklingowi nieprzereagowanego azotu i wodoru, całkowita konwersja ostatecznie wynosi ok. 98%. Proporcje azotu i wodoru: mieszanina azotu i wodoru wchodząca do reaktora powinna wynosić 1:3, odpowiednio dla stosunku objętościowego azot:wodor. Temperatura: 400‑450°C Równanie reakcji chemicznej: N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, plus, trzy H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, strzałka w prawo, dwa N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, 25. Wymiennik ciepła. Otrzymana w reaktorze amoniaku mieszanina gazów jest schładzana do 450°C w wymienniku ciepła, który działa przy użyciu wody, dostarczonych gazów i innych strumieni procesowych., 26. H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 27. Powietrze, 28. N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, N H indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, 29. Chłodnica: urządzenie pełniące funkcję skraplacza, który – dzięki niskim temperaturom – zamienia gorące pary gazu w ciecz., 30. N indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, przecinek, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, 31. Skraplanie amoniaku. Wytworzone gorące gazy amoniaku opuszczają reaktor, który łatwo skrapla dzięki obecności chłodnicy, wówczas gazowy amoniak przekształca się w ciecz.

Grafika interaktywna pt. „Proces Habera-Boscha”.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., https://www.britannica.com/technology/Haber-Bosch-process oraz Max Appl (2006). "Ammonia". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1YA2QwlTQpV4

Ćwiczenie 13

RJsUXpnYr8Hgn

Ćwiczenie 14

R5AI7F6IEIHLS

Ćwiczenie 15

Otrzymywanie wodorków 17. grupy w wyniku syntezy bezpośredniej

Tak jak większość wodorków, wodorki pierwiastków 17. grupy można otrzymać w reakcji syntezy bezpośredniej danego pierwiastka z wodorem.

Spośród fluorowców wyróżnia się fluor, który z wodorem łączy się samorzutnie. Reakcja ta jest gwałtowna, wybuchowa, oraz przebiega bez dostępu światła i w niskiej temperaturze. W jej wyniku powstaje fluorowodór:

$H_{2 (g)} + F_{2 (g)} \to 2 {HF}_{(g)}$

Otrzymany fluorowodór – nawet przy śladowych ilościach wody – staje się bardzo aktywny. Jego roztwór wodny, czyli kwas fluorowodorowy, ma właściwości żrące i silnie toksyczne.

Ciekawostka

RWYIgGpnDbeJI

Zdjęcie przedstawiające butelkę kwasu fluorowodorowego wykonaną z tworzywa sztucznego. Na niej znajdują się piktogramy informujące o tym, że związek ten jest silnie trujący oraz żrący. — Szczególna aktywność fluorowodoru przejawia się w procesie trawienia szkła. Pod wpływem fluorowodoru krzemionka ${SiO}_{2}$ (główny składnik szkła) ulega łatwo przemianie w czterofluorek krzemu ${SiF}_{4}$ . To powoduje, że fluorowodoru nie przechowuje się w naczyniach szklanych. Do tego celu najczęściej używa się naczyń z tworzyw sztucznych.
Źródło: Dorgan, licencja: CC BY-SA 3.0.

Synteza wodorków innych fluorowców przebiega z udziałem światła, płomienia lub katalizatorów.

Reakcja chloru z wodorem wymaga światła lub płomienia:

$H_{2 (g)} + {Cl}_{2 (g)} \overset{światło}{\to} 2 {HCl}_{(g)}$

RArqFl1eKLjFa1

Ilustracja przedstawia schemat aparatury wykorzystywanej do syntezy chlorowodoru w reakcji spalania wodoru w chlorze. gumowy wężyk z zaworem, doprowadzający wodór do kolby stożkowej, wężyk wmontowany jest w specjalny korek. W kolbie znajduje się chlor. Wewnątrz kolby na wężyk nasadzona jest szklana rurka, zakończona podpalonym lontem. — Otrzymywanie chlorowodoru w reakcji spalania wodoru w chlorze
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Syntezę chlorowodoru w laboratorium przeprowadza się pod sprawnie działającym wyciągiem. Zarówno chlor, jak i produkt reakcji, a mianowicie chlorowodór, są gazami drażniącymi i toksycznymi.

Brom i jod reagują z wodorem znacznie łagodniej.

Ciekły brom łączy się z wodorem po podgrzaniu lub w obecności katalizatora (np. platyny). W wyniku reakcji powstaje gazowy bromowodór. Jest to reakcja odwracalna, ponieważ bromowodór dość łatwo rozkłada się na pierwiastki.

$H_{2 (g)} + {Br}_{2 (g)} \overset{T}{⇄} 2 {HBr}_{(g)}$

Podobnie przebiega reakcja syntezy jodwodoru:

$H_{2 (g)} + I_{2 (g)} \overset{T}{⇄} 2 {HI}_{(g)}$

Otrzymywanie wodorków pierwiastków 17. grupy z ich soli

Laboratorium 1

Czy wiesz, jak w laboratorium można otrzymać wodorki pierwiastków 17. grupy układu okresowego? Wykonaj poniższe doświadczenie chemiczne i sprawdź, w jaki sposób można otrzymać chlorowodór z chlorku sodu. Rozwiąż problem badawczy, zweryfikuj hipotezę oraz, w celu ugruntowania swojej wiedzy, wykonaj ćwiczenia sprawdzające.

Spróbuj wykonać doświadczenie samodzielnie. Jeśli jednak będziesz mieć problemy, możesz skorzystać z instrukcji, która znajduje się pod znakiem zapytania w prawym górnym rogu.

Rd53B2Q4V4o9f

RZNW9dtVibD1H

Wirtualne laboratorium pt. Jak można otrzymać w laboratorium wodorki pierwiastków 17. grupy układu okresowego?
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźwhite

Czy wiesz, jak w laboratorium można otrzymać wodorki pierwiastków 17. grupy układu okresowego? Zapoznaj się z poniższym doświadczeniem chemicznym i sprawdź, w jaki sposób można otrzymać chlorowodór z chlorku sodu. Rozwiąż problem badawczy, zweryfikuj hipotezę oraz, w celu ugruntowania swojej wiedzy, wykonaj ćwiczenia sprawdzające.

Analiza doświadczenia:

Jak można otrzymać w laboratorium wodorki pierwiastków 17. grupy układu okresowego?

Problem badawczy:

Czy z chlorku sodu można otrzymać chlorowodór?

Hipoteza:

Chlorowodór można otrzymać w reakcji chlorku sodu ze stężonym kwasem siarkowym(VI).

Sprzęt laboratoryjny:

- statyw laboratoryjny - metalowy pręt osadzony na stabilnej podporze, na którym można mocować sprzęt laboratoryjny, na przykład przy pomocy łapy;
- kolba okrągła płaskodenna - zaokrąglone szklane naczynie laboratoryjne z płaskim dnem;
- kolba stożkowa Büchnera - szklane naczynie w kształcie stożka z płaskim dnem i zwężoną szyjką oraz boczną rurką na wysokości szyjki;
- wkraplacz - szklane naczynie wyposażone w kranik, umożliwiające wkraplanie cieczy;
- szklana rurka;
- cylinder miarowy - podłużne szklane naczynie laboratoryjne w kształcie walca z umieszczoną na ściance podziałką objętości, służące do odmierzania cieczy;
- zlewka - naczynie szklane o kształcie cylindrycznym, stosowane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
- pipety jednorazowe – wąskie rurki, wykonane z tworzywa sztucznego, zamknięte z jednej strony; wypchanie z niej powietrza poprzez ucisk na zamkniętą część i umieszczenie jej w cieczy umożliwia pobranie tejże cieczy;
- łyżeczki - długie trzonki wykonane ze szkła, porcelany lub metalu, zakończone z jednej strony łyżeczką.

Odczynniki chemiczne: stały chlorek sodu;
- 25% roztwór kwasu siarkowego (VI);
- woda destylowana;
- oranż metylowy.

Przebieg doświadczenia:

Uwaga! W wyniku reakcji powstaje trujący produkt. Reakcję należy przeprowadzać pod sprawnym wyciągiem, w okularach i rękawicach ochronnych.
1. Do zlewki wlano 10 cmIndeks górny 3 wody destylowanej za pomocą tryskawki.
2. Następnie pipetą dodano kilka kropli oranżu metylowego.
3. Zamocowano kolbę stożkową Büchnera w łapie statywu laboratoryjnego.
4. Za pomocą łyżeczki umieszczono około 3 g chlorku sodu w kolbie stożkowej Büchnera.
5. Umieszczono wkraplacz w górnej szyjce kolby stożkowej.
6. Połączono kolbę stożkową z kolbą okrągłą płaskodenną za pomocą szklanej rurki.
7. Do wkraplacza dodano 15 mililitrów 25‑procentowego roztworu kwasu siarkowego (VI) za pomocą cylindra miarowego.
8. Zawartość wkraplacza wkroplono do kolby stożkowej Büchnera.
9. Przygotowaną uprzednio mieszaninę ze zlewki dodano do zaokrąglonej kolby płaskodennej.
10. Kolbę płaskodenną zatkano korkiem i ostrożnie wstrząśnięto zawartością.

Obserwacje:

Wkraplanie kwasu siarkowego (VI) powodowało generowanie się gazu, który za pomocą szklanej rurki przechodził do kolby płaskodennej.

Dodanie oranżu metylowego do kolby płaskodennej spowodowało zmianę zabarwienia z pomarańczowej na czerwoną.

Wyniki: W wyniku prowadzonej reakcji otrzymano gaz, który wykazywał właściwości kwasowe, co potwierdziła zmiana zabarwienia oranżu metylowego.

Wnioski: Reakcja stężonego kwasu siarkowego(VI) i chlorku sodu doprowadziła do otrzymania gazowego chlorowodoru. Hipoteza została potwierdzona.

RrAOaeJcbWH4D

Chlorowodór i jego roztwór (kwas chlorowodorowy) są ważnymi surowcami w przemyśle chemicznym i wielu innych, dlatego wytwarzany jest w dużych ilościach. Na skalę przemysłową produkuje się go, działając stężonym kwasem siarkowym(VI) na sól kamienną:

$2 {NaCl}_{(s)} + H_{2} {SO}_{4 (stęż.)} \to {Na}_{2} {SO}_{4 (s)} + 2 {HCl}_{(g)}$

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

wiązanie trójcentrowe

wiązanie nietypowe elektrono–deficytowe, atomy je tworzące posiadają zbyt mało elektronów walencyjnych do związania tak dużej liczby wodorów, dlatego tworzone jest przez mostek między atomami np. $B — H — B$

Inne związki tlenu z pierwiastkami - nadtlenki, ponadtlenki i fluorki

Wodorki – właściwości i zastosowanie

Wodorki – budowa i otrzymywanie

Czym są wodorki?

Zmiany wartościowości pierwiastków bloku $s$ i $p$ względem wodoru

Nomenklatura i wzory

Wodorki pierwiastków $1 .$ i $13 .$ grupy układu okresowego