Hyđro Ox i Nước

CHƯƠNG 5 : HểA Vễ CƠ

1. Cỏc nguyờn tố phi kim và hợp chất

1.2. Hyđro Ox i Nước

1.2.1. Hyđro

1.2.1.1. Tớnh chất vật lớ

Hiđro là nguyờn tố húa học nhẹ nhất, cú khối lượng riờng nhỏ nhất trong tất cả cỏc chất khớ. Dẫn nhiệt tốt, vỡ phõn tử nhẹ và bộ nờn dễ chuyển động. Tan ớt trong nước, dễ tan trong palađi.

Cú nhiệt độ tới hạn ở 32,95K, nhiệt độ núng chảy 3,79K và nhiệt độ sụi ở 20,35K. Ở nhiệt độ trờn 32,95K khụng thể làm ngưng tụ H bằng bất kỡ ỏp suất nào, kể cả ỏp suất cao nhất cú thể đạt được hiện nay.

Khối lượng riờng của H lỏng d=0,071 g/cm3 là khối lượng riờng nhỏ nhất trong tất cả cỏc chất lỏng đó biết hiện nay.

1.2.1.2. Điều chế

* Cỏc phương phỏp điều chế hiđro trong phũng thớ nghiệm

- Cho một số kim loại hoạt động tỏc dụng với nước

Kim loại kiềm và kim loại kiềm thổ tỏc dụng với nước ở nhiệt độ thường

2 2

1 2

NaH ONaOH  H 

Với kali phản ứng mạnh hơn, cú thể chỏy thành ngọn lửa. Cỏc kim loại kiềm thổ phản ứng với nước kộm mónh liệt hơn.

 

2 2 2

2 2

Ca H OCa OH  H 

- Hợp chất hiđrua thay cho kim loại

 

2 2 2 2 2 2

CaH  H OCa OH  H 

CaH2 thường là nguyờn liệu sản xuất khớ H2 để nạp cỏc quả búng thỏm khụng của ngành khớ tượng.

- Cho axit tỏc dụng với kim loại hoạt động.

2 2 2 Zn HClZnCl H    2 4l 4 2 FeH SO FeSO H 

Cú thể viết: 2

2

2

Zn H Zn H 

- Kim loại Al, Zn tỏc dụng với dung dịch kiềm mạnh.

2 2 2

3 2

AlNaOHH ONaAlO  H 

- Trong phũng thớ nghiệm Cũn điều chế H2 bằng cỏch điện phõn nước cú cho thờm một ớt axit, bazơ hay muối để tăng tớnh dẫn điện. Phương phỏp này cho ta H2 rất tinh khiết.

* Cỏc phương phỏp điều chế hiđro trong cụng nghiệp

Tất cả cỏc phương phỏp sản xuất hiđro trong cụng nghiệp đều dựa vào sự phõn hủy nước.

- Phổ biến nhất là sử dụng phương phỏp điều chế khớ than ướt. Trong lũ phản ứng xảy ra phản ứng giữa hơi nước và than cốc nung đỏ tạo ra H2 và CO.

2 2

CH O H CO

Thực tế người ta nhận được một hỗn hợp khớ gồm CO (45%), CO2 (5%), H2 (45%) và H2O (h) (5%). Để cú nhiều khớ H2 và loại khớ CO, cần thiết phải

thực hiện phản ứng chuyển húa CO thành CO2 bằng cỏch cho khớ CO tỏc dụng với hơi nước cú mặt chất xỳc tỏc phự hợp.

 

2 2 2

xt h

COH O CO H 

Khớ CO2 được loại bỏ một cỏch dễ dàng bằng cỏch hũa tan vào nước dưới ỏp suất lớn.

- Khớ thoỏt ra từ lũ chế biến than cốc cũng là nguồn cung cấp khớ H2. Khớ lũ cốc cú thành phần sau: 50% H2, 30% CH4, 8% CO và một số hợp chất khỏc. Bằng cỏch làm lạnh hỗn hợp khớ người ta cú thể loại bỏ CH4 và CO2 ra khỏi hỗn hợp, cũn CO được chuyển thành CO2 cú sự tham gia của chất xỳc tỏc như trờn và loại ra khỏi hỗn hợp . Cuối cựng phương phỏp này tạo ra được nguồn khớ H2 cụng nghiệp.

- Từ khớ CH4 trong khớ đốt thiờn nhiờn người ta cũng điều chế được khớ H2. - Khớ H2 trong cụng nghiệp tinh khiết nhất là điều chế bằng cỏch điện phõn nước. Thường người ta pha thờm bazơ để cú thể dựng điện cực niken thay cho điện cực platin rất đắt tiền. H2 thoỏt ra ở catot và O2 xuất hiện ở anot. Cỏc bỡnh điện phõn được đặt trong một hệ kớn, quỏ trỡnh điện phõn được thực hiện

dưới ỏp suất, do đú tiết kiệm được năng lượng dựng để nộn khớ sang khu vực sử dụng. Phương phỏp này tiờu tốn nhiều điện năng nờn giỏ thành khỏ đắt.

- H2 cũng là sản phẩm phụ trong quỏ trỡnh điện phõn dun dịch muối ăn hay KCl để điều chế NaOH hay KOH. 2NaCl2H O2 dp 2NaOHCl2  H2 

1.2.1.3. Tớnh chất húa học

* Phản ứng với phi kim

- Phản ứng với oxi:   0 2 2 2 2 t 2 l H O  H O 0 287, 28 / H kJ mol   

Nếu ta đốt núng một hỗn hợp khớ H2 và O2 theo tỉ lệ 2:1 bằng tia lửa điện hay bằng ngọn lửa thỡ sẽ gõy ra phản ứng nổ mạnh.

- Phản ứng với flo: Ở nhiệt độ thường hiđro phõn tử cú tớnh thụ động húa học, chỉ cú flo phản ứng mạnh với hiđro ở nhiệt độ thường, cú thể chỏy thành ngọn lửa hoặc nổ:

2 2 2

F H  HF

H2 phản ứng với Cl2, Br2, I2, S, C và N2 ở cỏc điều kiện nhiệt độ khỏc nhau.

* Phản ứng với cỏc kim loại

- Với cỏc kim loại kiềm:

H2 phản ứng với cỏc kim loại kiềm như: Li, Na, K…ở nhiệt độ cao, tạo thành cỏc hiđrua dạng Me(I)H.

2 2 2

H  Li LiH

- Với cỏc kim loại kiềm thổ:

H2 phản ứng với cỏc kim loại kiềm thổ như Ca, Sr và Ba ở nhiệt độ cao, tạo thành cỏc hiđrua dạng Me(II)H2.

Hiđrua của cỏc kim loại kiềm và kiềm thổ mang tớnh chất của cỏc muối, trong đú nguyờn tử Húa học đúng vai trũ anion H-.

- Với cỏc kim loại chuyển tiếp: tạo thành cỏc loại hiđrua khỏc nhau.

* Hiđro nguyờn tử

- Hiđro nguyờn tử được điều chế từ hiđro phõn tử bằng cỏch cung cấp năng lượng cho phản ứng phõn li phõn tử.

2 2

H H H0  430.92kJ mol/

- Cho kim loại hoạt động tỏc dụng với axit cũng cú sự tạo thành hiđro hoạt động. Hiđro loại này ngay lỳc vừa xuất hiện tồn tại dưới dạng nguyờn tử hoặc ớt nhất cũng là ở trạng thỏi kớch thớch, cú khả năng phản ứng tốt hơn hiđro phõn tử và được gọi là hiđro mới sinh.

Thời gian tồn tại của hiđro nguyờn tử rất ngắn, nếu khụng cú mặt chất phản ứng thỡ chỉ sau một thời gian ngắn cú sự tỏi kết hợp thành hiđro phõn tử ở thành ống dẫn.

Hiđro nguyờn tử cú khả năng phản ứng rất lớn, nhiều oxit kim loại bị hiđro nguyờn tử khử thành kim loại ở nhiệt độ thường.

Hiđro nguyờn tử phản ứng với oxi tạo thành hiđro peoxit.

2 2 2

2HO H O

1.2.1.4. Ứng dụng

- Tổng hợp ammoniac, tổng hợp hữu cơ, tổng hợp xăng nhõn tạo và sản xuất bơ nhõn tạo.

Vớ dụ: tổng hợp rượu metylic và cỏc đồng đẳng bằng hiđro húa CO ở ỏp suất cao cú mặt chất xỳc tỏc.   2 2  20000 30000xt,573 673K 3   k k kPa l CO  H  CH OH 1.2.2. Oxi 1.2.2.1. Tớnh chất vật lớ

Ở điều kiện thường oxi là chất khớ khụng màu, khụng mựi. Nhiệt độ tới hạn của oxi 154,35K. Oxi húa lỏng ở 90,22K, húa rắn ở 54,25K. Khối lượng riờng của oxi ở điểm sụi là 1,118 g/cm3 và ở thể rắn là 1,426 g/cm3. Oxi hũa tan trong nước ở 293K khoảng 3% thể tớch. Oxi nặng hơn khụng khớ 1,106 lần, ở nhiệt độ thường một lớt oxi nặng 1,428g. Khoảng cỏch giữa hai nguyờn tử oxi trong phõn tử là 0,1207nm. Cỏc phõn tử oxi phõn li ở nhiệt độ cao.

2 2

O O H0  492, 66kJ mol/

Độ phõn li của phõn tử oxi là 6% ở 3000K. Oxi cú tớnh thuận từ. Ở nhiệt độ thấp người ta xỏc định được sự tồn tại của cỏc phõn tử O4 nghịch từ.

1.2.2.2. Điều chế

- Dựng cỏc hợp chất rắn cú chứa oxit + Nhiệt phõn thủy ngõn oxit:

0 2 1 2 t HgOHg O

+ Nhiệt phõn kali clorat ở nhiệt độ 773K:

0

3 2

2KClO t 2KCl3O

+ Nhiệt phõn cỏc oxit kim loại giàu oxi khỏc:

0 2 3 4 2 3MnO t Mn O O 0 2 2 2PbO t PbOO 0 3 2 3 2 3 2 2 t CrO Cr O  O

+ Dựng hỗn hợp KClO3 và MnO2 tỉ lệ 10:1. Trong trường hợp này MnO2 là chất xỳc tỏc.

+ Dựng cỏc phản ứng trong dung dịch: Cho dung dịch KMnO4 tỏc dụng với H2O2 trong mụi trường axit.

4 2 2 2 4 2 4 4 2 2

2KMnO 5H O 3H SO K SO 2MnSO 8H O5O

* Cỏc phương phỏp điều chế trong cụng nghiệp

- Cất phõn đoạn khụng khớ lỏng - Điện phõn nước

Quỏ trỡnh điện phõn diễn ra như sau:

Trong bể điện phõn chứa cỏc chất điện li được đặt hai điện cực gồm điện cực õm (catốt) và điện cực dương (anốt).

Cỏc cation dưới ảnh hưởng của điện trường di chuyển về catốt, trong khi đú cỏc anion di chuyển về anốt.

Trong dung dịch:

NaOH NaOH

di chuyển về catốt di chuyển về anốt

3 2 2 2H O2eH  2H O (catốt) 2 2 1 2 2 2 OH eH O O  (anốt)

Kết quả điện phõn dung dịch là tổng hai bỏn phản ứng trờn:

3 2 2 2 2

1

2 2 4 3

2

H O OH H O H OH   O 

Năng lượng điện sử dụng trong điều chế oxi bằng điện phõn nước tốn hơn nhiều dựng húa lỏng khụng khớ và cất phõn loại cộng lại.

1.2.2.3. Tớnh chất húa học

Ở nhiệt độ thường oxi tương đối thụ động. Phản ứng với cỏc chất chỏy chỉ xảy ra khi cỏc chất này được nung núng lờn một nhiệt độ nhất định, sau đú phản ứng tiếp tục tự diễn biến, vỡ sau khi đạt được nhiệt độ bốc chỏy quỏ trỡnh phản ứng tiếp theo giải phúng năng lượng đủ để duy trỡ nhiệt đọ phản ứng. Ở nhiệt độ đủ cao tương ứng, hầu hết cỏc nguyờn tố húa học đều phản ứng với oxi.

- Phản ứng với cỏc phi kim

+ Photpho trắng ở dạng phõn bố nhỏ phản ứng với oxi của khụng khớ ngay ở nhiệt độ phũng. Photpho chỏy trong oxi nguyờn chất với ngọn lửa sỏng chúi tạo ra photpho pentoxit.

4 5 2 4 10

P  O P O

+ Lưu huỳnh và cac bon chỏy mạnh trong oxi:

2 2

S O SO

2 2

C O CO

- Phản ứng với kim loại + Cỏc kim loại kiềm:

Natri chỏy trong oxi tạo thành natri peoxit: 0

2 2 2

2NaO t Na O

K, Rb, Cs dưới cựng điều kiện phản ứng tạo ra supeoxit Me(I)O2.

+ Trừ một số kim loại quớ ra, cỏc kim loại cũn lại phản ứng với oxi tạo ra cỏc oxit, cỏc kim loại nặng cũng chỏy trong oxi.

1.2.2.4. Ứng dụng

Oxi được dựng để đốt hiđro hay axetylen trong hàn hơi để hàn, cắt cỏc kim loại. Oxi được dựng trong luyện kim. Trong y học người ta dựng oxi để

thực hiện hụ hấp nhõn tạo đối với những bệnh nhõn nặng. Bột than gỗ nhỳng vào oxi lỏng được dựng làm chất nổ, đặc biệt trong khai thỏc than đỏ. Oxi lỏng cũn được dựng làm chất oxi húa trong chất đốt của động cơ tờn lửa.

1.2.3. Nước

1.2.3.1. Trạng thỏi tự nhiờn

Nước bao phủ 3/4 mặt đất dưới dạng cỏc đại dương. 1/4 mặt đất cũn lại cú nhiều nước dưới dạng sụng, suối, đầm, hồ, tỳi nước ngầm, mạch nước ngầm…thường là nguồn nước ngọt.

Một lượng nước dỏng kể tham gia cấu tạo thực vật và cơ thể thực vật. Bầu khớ quyển cú thể nhận 4% thể tớch hơi nước hoặc hơi nữa. Khi thay đổi ỏp suất và nhiệt độ hơi nước cú thể chuyển trở lại thành thể lỏng như sương mự, mưa hoặc thể rắn như mưa đỏ, tuyết. Nhiều hợp chất húa học và khoỏng sản chứa nước dưới dạng liờn kết húa học và nước kết tinh, vớ dụ nước tham gia liờn kết húa học Ca(HCO3)2 và nước kết tinh CaSO4.2H2O.

1.2.3.2. Tớnh chất vật lớ

- Nước là một chất lỏng trong suốt, khụng màu, khụng mựi, khụng vị.Lớp nước sõu cú màu xanh.

- Khối lượng riờng của nước ở 277,15K là 1g/cm3, cũng là khối lượng riờng lớn nhất; dưới và trờn nhiệt độ này khối lượng riờng của nước nhỏ hơn 1. Nguyờn nhõn gõy ra hiện tượng này là cỏc phõn tử nước cú khuynh hướng kết hợp lại với nhau thành cỏc tập hợp phõn tử lớn, cú cụng thức chung (H2O)x. Giỏ trị x cho biết số phõn tử nước kết hợp lại với nhau. Giỏ trị này sẽ giảm xuống khi nhiệt độ tăng, vỡ vậy khối lượng riờng tăng khi đun nước từ 273,15K lờn 277,15K, tăng tiếp nhiệt độ vượt quỏ 277,15K do gión nở nhiệt của nước nờn khối lượng riờng lại giảm.

- Nhiệt độ núng chảy của nước qui định bằng 00C và nhiệt độ sụi của nước quy định bằng 1000C ở ỏp suất bỡnh thường.

- Nước cú sự phõn cực trong phõn tử Phõn tử nước cú cấu trỳc gúc. Đường nối 2 nguyờn tử hiđro với oxi tạo thành một gúc khoảng 1060 (hỡnh 5.1).

của phõn tử nước. phõn tử nước

Trong phõn tử bề ngoài cú vẻ trung hũa về điện, nhưng thực ra cú sự phõn bố lệch cỏc điện tớch.

Xung quanh nguyờn tử oxi phõn bố nhiều điện tớch õm. Xung quanh cỏc nguyờn tử hiđro phõn bố nhiều điện tớch dương. Qua đú trọng tõm của điện tớch dương và õm khụng trựng nhau nờn phõn tử nước cú một lưỡng cực điện. Lưỡng cực điện của nước là nguyờn nhõn của sự kết hợp cỏc phõn tử nước thành những tập hợp lớn bằng lực hỳt nhau của cỏc lưỡng cực ngược dấu.

Momen lưỡng cực của nước  

2 1,84

H O D

 

1.2.3.3. Tớnh chất húa học

- Liờn kết giữa hiđro và oxi trong phõn tử nước rất bền, muốn phỏ vỡ liờn kết này người ta phải dựng một năng lượng khỏ lớn. Năng lượng cú thể là nhiệt năng, điện năng và húa năng.

+ Dựng húa năng: vớ dụ nước tỏc dụng với kim loại và phi kim + Dựng điện năng, vớ dụ điện phõn nước

+ Dựng nhiệt năng: phỏ vỡ liờn kết của nước để tạo thành cỏc nguyờn tố bằng nhiệt năng chỉ thực hiện được ở nhiệt độ cao và khụng hoàn toàn. Ở 2273K và ỏp suất bỡnh thường chỉ cú 2% hơi nước bị phõn hủy thành hiđro và oxi. Cú thể núi nước là một hợp chất húa học rất bền.

- Nước vừa cú tớnh oxi húa vừa cú tớnh khử; oxi trong phõn tử nước cú số oxi húa -2 và hiđro cú số oxi húa +1. Những chất oxi húa mạnh và những chất khử mạnh khụng tồn tại trong nước mà tỏc dụng với nước giải phúng O2 hoặc H2. Những chất oxi húa trung bỡnh và chất khử trung bỡnh phản ứng với nước ở nhiệt độ cao trong một cõn bằng thuận nghịch phụ thuộc vào nhiệt độ.

Trong cỏc chất oxi húa dạng đơn chất chỉ cú flo phản ứng với nước hoàn toàn ở nhiệt độ thường:

2 2 2

1 2

2

F H O HF O 

Cỏc halogen khỏc cho phản ứng thuận nghịch :

2 2

Cl H O HClHClO

Tuy nhiờn clo cũng cú thể phản ứng với nước giải phúng oxi:

2 2 2

Phản ứng này chỉ xảy ra khi cú tỏc dụng của ỏnh sỏng mặt trời, vỡ vậy để loại trừ tỏc dụng của ỏnh sỏng, nước clo thường được bảo quản trong những chai lọ màu nõu. Oxi mới sinh ở phản ứng này cú tớnh hoạt động húa học mạnh, vỡ thế nờn khớ clo ẩm oxi húa mạnh hơn khớ clo khụ.

Cỏc chất khử như P, C, Si, B phản ứng thuận nghịch với nước ở nhiệt độ cao.

Cỏc kim loại kiềm, kiềm thổ phản ứng mạnh với nước ở nhiệt độ thường. Al, Mg đang chỏy cú thể chỏy tiếp trong bầu hơi nước.

Cỏc kim loại chuyển tiếp như Fe, Zn, Ni, Co, Mn, Cr…tỏc dụng với nước ở nhiệt độ cao dưới dạng phản ứng thuận nghịch.

Hg và cỏc kim loại quý khụng tỏc dụng với nước.

Nước cũn tham gia cỏc phản ứng hiđrat húa và cỏc phản ứng thủy phõn.(9)