Vodik Flashcards
Koji je najzastupljeniji element u svemiru?
Vodik - 75%
Vodik je koji po zastupljenosti na Zemlji?
10.
Kolika je gustoća vodika u plinovitom stanju?
0.082g/cm^3 - najmanja gustoća od svih plinova
Zašto je opasno imati otvoren plamen ako se u okolini nalazi vodik u plinovitom stanju?
Zato što vodik pri povišenoj temperaturi eksplozivno reagira s O2, F2, Cl2
Zašto je vodik stavljen među alkalijske elemente?
Zbog karakteristične ns1 elektronske konfiguracije
Navedi sličnosti vodika i klora (halogenih elemenata)
Vodik i klor ne preferiraju otpuštanje elektrona
Imaju sličan radijus aniona
Zašto klor ima tolko veću duljinu veze od vodika?
Zbog odbijanja nepodijeljenih elektronskih parova
Navedi sličnosti vodika i natrija (alkalijski metali)
Elektronski afinitet
Stvaranje kationa
ns1 elektronska konfiguracija
Kakva je reaktivnost plinovitog vodika?
To je inertan plin jer ima relativno veliku energiju veze
Kada je prvi puta sintetiziran vodik?
Početkom 16.st. ga je dobio Paracelsus reakcijom željeza i sumporne kiseline
Navedi znanstvenike relevantne za otkriće svojstva vodika
R. Boyle - 1671.g - vodik gori
H. Cavendish - 1766.g - vodik “stvara vodu”
A. Lavoisier - 1783.g. - ime hydrogen - hydro+gen - voda+stvarati
Opiši metalni vodik
1935.g su Wiegner i Huntington pretpostavili da pri visokim tlakovima vodik postoji kao vodljiva tekućina/krutina
2017. je priređen kruti vodik pri 450-500GPa i 5.5K
Koji element ima najviše izotopa?
Sn - kositar
Što je izotopski efekt?
Razlike u svojstvima nekog elementa koje se zasnivaju na razlikama u masi
Zašto je izotopski efekt tako jako izražen kod vodika? Navedi jednu posljedicu tog efekta
Zato što vodik ima jako malu masu i malen broj protona, neutrona i elektrona te dodavanjem/micanjem neutrona se jako mijenja masa atoma
D2O ima veću gustoću od H2O
Navedi izotope vodika
Procij
Deuterij - 0.014% svih vodika - otkrio H.Vrey 1931.g.
Tricij - t1/2=12,56 god - otkrio Ruterford 1934.g.
Objasni izotopski efekt
Izotopski efekt se objašnjava pomoću modela harmoničnkog oscilatora. Kod tog modela postoji pojam energija nulte točke koja za molekule korelira s najnižom energijom pri kojoj postoji veza. Energija nulte točke je obrnuto proporcionalna s reduciranom masom, tj. što je masa veća, to je ta energija niža. Sniženjem energije nulte točke se povećava razlika između najniže energije i energije pri kojoj veza više ne postoji, tj. povećava se energija veze
Navedi jedan primjer primjene izotopskog efekta
Kod određivanja mehanizama reakcija pomoću IR i NMR tehnika se primjenjuje izotopski efekt kod analiziranja C-H/C-D veza
Što je spinska izomerija kod vodika?
Vodik može biti prisutan u orto (paralelni spinovi elektrona-triplet) i para (antiparalelni spinovi elektrona-singlet) oblicima. Para oblik ima nižu energiju jer se dobiva iz orto oblika uz otpuštanje energije. Pri 0K je 100%p oblik, a pri sobnoj temperaturi je 75% o oblik te 25% p oblik.
Udio oblika se može kontrolirati hlađenjem ili korištenjem katalizatora Fe2O3, C ili CrO3
Navedi jednu posljedicu spinske izomerije vodika
Normalno se toplinski kapacitet povećava kako se povećava i temperatura sustava, ali kod vodika se događa situacija u kojoj toplinski kapacitet poprima maksimum i onda se spušta te tek kasnije poprima konstantnu vrijednost
Koje se vrste pojavljuju kada se vodik izlaže visokom naponu?
Spektroskopska istraživanja su dokazala prisutnost više vrsti - H(g), H+(g), H2+(g), H3+(g)
Što je posebno kod H+(g)?
H+(g) je jaka Lewisova kiselina i stvara spojeve npr. HeH+
Kako nastaje H3+(g) i zašto je poseban?
H2(g)->H2+(g)+e-
H2+(g)+H2(g)->H3+(g)+H(g)
H3+ je najjednostavniji primjer trocentrične dvoelektronske veze (3c-2e) - specifično jer se 2e- delokaliziraju preko tri atoma
Najpoznatiji primjer toga je diboran - B2H6
Navedi neke reakcije za dobivanje vodika
- Najpoznatija - metal+kiselina
Mg/Zn(s)+HCl(konc)->H2(g)+sol - Amfoterni metal + kis/luž
2Al(s)+2OH-(aq)+6H2O(l)->3H2(g)+2Al(OH)4- (aq) - Si(s)+2OH-(aq)+H2O(l)->SiO3(2-)(aq)+2H2(g)
4.Cn+n/2 O2(g) -> nCO(g) + m/2 H2O(g)
5.CH4(g)+H2O(g)->CO(g)+3H2(g) (700-1000°C)
6.CO(g)+H2O(g)->CO2(g)+H2(g) (360°C)
4,5,6 - industrijska postrojenja -> potrebno puno vodika
5,6 - potrebni katalizatori
Objasni dobivanje vodika elektrolizom
Elektrolizom vode nastaju plinoviti vodik (katoda) i kisik (anoda) - nastaje opasni plin praskavac jer je vodik:kisik=2:1
Pomoću univerzalnog indikatora se može odrediti gdje nastaje vodik a gdje kisik jer tijekom nastajanja H2(g) nastaju OH- ioni i obrnuto za O2(g)
Objasni pozitivne i negativne strane korištenja vodika kao goriva
To je najčišće gorivo - produkt je voda
Neisplativo je zbog visoke cijene skladištenja vodika i dobivanja tog vodika
Pokušavaju se koristiti mehanokemija i metaloorganske mreže (Zn4O(BDC)3) za rješavanje problema dobivanja i skladištenja vodika
Koje su vrste hidrida?
Ionski, metalni, prijelazni (metalni) i kovalentni
Pravi hidridi su samo spojevi H- s 1. i 2. skupinom, ali se povijesno i kovalentni spojevi s H zovu hidridi
Koje su karakteristike H- aniona?
Jako je polarizibilan - ima 2e- na 1p+ -> višak e-, velik radijus i difuzni el. oblak
Jaka baza - deprotonizirajuće sredstvo
Kako se dobivaju ionski hidridi?
metal(l)+vodik(g) -> MH + energija
npr. 2Na(l)+H2(g)->2NaH
Kako se može dokazati hidrid?
Elektrolizom taline će se dobiti H2 na anodi (pozitivna anoda privlači negativne ione -> H-)
Kako hidridi metala reagiraju u redoks procesima?
Kao reducensi -> s vodom daju H2
Kako kristaliziraju hidridi alkalijskih metala?
Kao NaCl - plošno centrirana kubična slagalina
Kako kristaliziraju hidridi zemnoalkalijskih metala?
Kao TiO2 (rutil)
Ti je okružen s 6H- -> oktaedar+svaki H- je okružen s 3 Ti(4+) -> trigonski
Kakvi su ionski/kovalentni karakteri veza kod alkalijskih i zemnoalkalijskih hidrida?
Kod NaH je razlika elektronegativnosti 1.3, a kod MgH2 je 0.9, što znači da zemnoalkalijski imaju veći kovalentni karakter veze
Navedi primjere polimernih (ionskih) hidrida
(BeH2)n i (AlH3)n
Koje su karakteristike polimernih (ionskih) hidrida
Imaju jači kovalentni karakter zbog veličine
Bezbojne krutine (borov hidrid i aluminijev hidrid)
Opiši (BeH2)n
Ima tetraedarsku geometriju
“Unutarnji” kut između dva vodika je 109°28’
Koordinacijski broj je 4
Opiši (AlH3)n
Koordinacijski broj - 6 -> veći nego kod berilija jer aluminij ima veći radijusa
Veze u polimeru imaju udio kovalentnog karaktera zbog elektronegativnosti atoma
O čemu ovise strukture hidrida?
Ovise o tipu veze -> koliki je postotak kovalentni karakter, a koliki ionski karakter
Opiši hidride bora
Naziv - borani
Elektron deficijentni hidridi
Niži borani (manjih broj bora i vodika u molekuli) su reaktivniji -> plinovito stanje
Viši borani su stabilniji -> krutine pri sobnoj temperaturi
Što znaš o aparaturi za dobivanje borovih hidrida?
1930.g. - A. Stock je koristio aparaturu za dobivanje različitih borana u kojem je koristio inertnu atmosferu dušika jer niži borani reagiraju samozapaljivo na zraku
Što znaš o BH3 i B2H6?
BH3 je potvrđen da postoji, ali ga nije moguće izolirati zbog iznimno reaktivne veze
B2H6 je najjednostavniji i stabilni hidrid bora -> može se izolirati
Jako je reaktivan zbog deficijencije elektrona
Lipscomb je dobio Noelovu nagradu 1976.g. zbog objašnjenja strukture i prirode kemijske veze borana
Zbog čega je veza u B2H6 posebna?
To je elektron deficijentna veza -> za takvo vezanje je potrebno 16e- (prisutno je 8 veza između 2B i 6H), a prisutno je samo 12e- slobodnih za vezanje te dolazi do nastanka “banana” (3c-2e) veze -> 2e- se delokaliziraju
preko 2B i 1H
Trocentrična dvoelektronska veza
Ht - terminalni vodici
Hb - premošćujući vodici
Hb-B veza je slabija jer u njoj sudjeluje jedan elektron umjesto dva -> zbog delokalizacije
Kako se pravilno kaže LiAlH4?
Litijev tetrahidridoaluminat
Napiši reakcije dobivanja diborana
3 LiAlH4(s)+4BF3(g) -> 2B2H6(g)+3LiAlF4(s)
2BF3(g)+6NaH(s)->B2H6(g)+6NaF(s)
Kompleksni i alkalijski hidridi su najbolji za dobivanje diborana
Što se događa s diboranom na zraku?
Zapali se i raspada na više borane -> BnH(n+6)
Koji su osnovni strukturni tipovi borana?
Closo - kavez - BnH4
Nido - gnijezdo - [BnH(n+4)]
Arachno - paučina - [BnH(n+6)]
S kojim spojevima reagiraju borani na specifičan način?
nido i arachno borani reagiraju s acetilenom (C2H2) i drugim spojevima ugljika te nastaju karborani
nido-B5H9 + C2H2 -> closo-1,5-C2B3H5, closo-1,6-C2B4H6, closo-2,4-C2B5H7
Napiši karakteristične reakcije diborana
S kisikom: B2H6(g)+3O2(g)->2B2O3(s)+H2O(g)
S vodom:B2H6(g)+6H2O(l)->2H3BO3(aq)+6H2
S alkoholom:B2H6+6ROH(l)->2B(OR)2(s)+6H2
Opiši B(OH)3(s)
Borov hidroksid - u čvrstom stanju
polimer povezan vodikovim vezama među molekulama B(OH)3
Otapanjem daje bornu kiselinu - H3BO3
Kako se dobiva borov triklorid?
Reakcijom diborana i klora
B2H6+3Cl2-> 2BCl3 + 3H2
Objasni cijepanje diborana tijekom reakcija s amonijakom i trimetilaminom
Amonijak - amonijak je mala molekula te dolazi do asimetričnog cijepanja diborana te se dva amonijaka vežu na jedan atom bora
Nastaju [BH4]- i [BH2(NH3)2]+
Trimetilamin - s obzirom na veličinu molekule zbog steričkih smetnji se trimetilamini ne mogu vezati na jedan borov atom pa dolazi do simetričnog cijepanja i nastaju dve molekule BH3N(CH3)3
Navedi neke kompleksne hidride
BH4- -> tetrahidridoboratni anion
AlH4- -> tetrahidridoaluminatni anion
GaH4- -> tetrahidridogalatni anion
Kompleksni hidrido anioni
Poredaj kompleksne hidrido anione po stabilnosti i objasni poredak
BH4- > AlH4- > GaH4-
Veze u ovim anionima su kovalentne, a za nastajanje tih veza je potrebno preklapanje orbitala. S obzirom da je vodik u prvoj periodi, njegova valentna ljuska ima najnižu energiju, a bor, aluminij i galij imaju valentne ljuske s većim energijama. Veze koje nastaju preklapanjem ljusaka s “bližim” energijama su stabilnije pa je BH4- stabilniji zato što je njegova valentna ljuska u drugoj periodi koja je najbliža energiji vodikove valentne ljuske.
Objasni razliku i koristi NaBH4 i LiAlH4
NaBH4 je koristan jer se može koristiti kao reducens u vodenom mediju
LiAlH4 je jači reducens od NaBH4 ali je opasan jer je jako eksplozivan u vodenom mediju
Napiši reakciju nastajanja NaBH4
B(OR)3(s)+4NaH(s)->NaBH4(s)+3NaOR(s)
Napiši reakcije nastajanja litijevih soli s kompleksnim hidrido anionima
4LiH(s)+ECl3(s)->LiEH4(s)+3LiCl(s)
E= Al ili Ga
Li(s) + Al(s) + 2 H2(g) →LiAlH4(s)
Zašto je opasno rukovati s LiAlH4 ili LiGaH4?
Jer su piroforni (zapaljuju se u kontaktu s kisikom na sobnoj temperaturi) te eksplodiraju u kontaktu s vodom i oslobađa se H2
Opiši raspad LiAlH4 s reakcijama
Događa se u 3 koraka
I. 3 LiAlH4(s)→Li3AlH6(s) + 2Al(s) + 3 H2(g)
II. Li3AlH6(s)→3LiH(s) + Al(s) + 3/2 H2(g)
III. 3 LiH(s) →3 Li(s) + 3/2 H2(g)
Kod prijelaza u Li3AlH6 dolazi do promjene K.B. u 6
Što je alan?
AlH3 -> prisutan je samo pri niskim temperaturama
Kako se mijenjaju hibridizacije kod aluminijevih hidrida?
AlH3 - sp2
LiAlH4 - sp3
Li3AlH6 - d2sp3/sp3d2
Opiši strukturu [RuH6]2- iona
Trigonska prizma s 3 dodatna vrha -> u centru je atom renija, a na rubovima su atomi vodika, jos su tri vodika povezana na renij s vezama okomitim na plohe prizme
Navedi hidride 14. skupine
Ugljikovodici, silani, germani, stanani i plumbati
Napiši reakciju nastajanja silana
Mg2Si(s) + HCl(aq) →SiH4+ … +… + Si6H14
Napiši reakcije raspada silana
Si2H6(g) →H2(g)+ SiH4(g) + viši silani
SiH4(g) →Si(s) + 2 H2(g)
Jesu li termodinamički stabilniji ugljikovodici ili silani? Zašto?
Ugljikovodici
Jer je Si-H veza slabija od C-H veze -> C je manji atom i ima valentnu ljusku niže energije
Manja razlika u elektronegativnostima kod C-H, H je elektronegativniji od Si
Navedi svojstva silana
Zapale se na zraku
Eksplozivno reagiraju s fluorom, klorom i bromom
Reagiraju kao reducensi u vodenim otopinama
Opiši stabilnost hidrida 14. skupine
Stabilnost se smanjuje u skupini prema dolje
Napiši reakciju nastajanja germanijevih i kositrovih hidrida
ECl4(s) + LiAlH4(s)→ EH4(s)+ LiCl(s) + AlCl3(s)
Zašto hidridi prvih elemenata 15. i 16. skupine imaju vrlo visoka vrelišta?
Zbog vodikovih veza - najjačih neveznih nekovalentnih interakcija
Zašto se vezni kutevi smanjuju niz skupinu ako gledamo hidride 15. i 16. skupine elemenata?
Zato što se s brojem ljuske povećava prostor koji zauzimaju nepodjeljeni elektronski parovi -> smanjuje se kut između dve veze
Što je arsin?
AsH3 -> jedan od najjačih anorganskih otrova
Kako se dijele metalni hidridi?
Na stehiometrijske i nestehiometrijske (npr. PdH0.7 -> kod težih elemenata d-bloka)
Kako nastaju metalni hidridi?
H2 ili H se ugrađuju u metalnu rešetku
Opiši metalne hidride
Kao intermetalni spojevi/legure su -> imaju metalna svojstva i obično su dosta stabilni
Kako nastaju nestehiometrijski hidridi?
Intersticijski -> atomi vodika se smještaju u oktaedarske šupljine kristalne strukture metala
Što predstavlja oznaka H+(aq)?
Bilokoji “protonirani oblik vode” koji se može pojaviti u vodenoj otopini
H3O+-oksonijev ion („hidronijev ion”)
H5O2+-Zundelov ion (pretpostavljen 1963.)
H9O4+-Eigenov ion (pretpostavljen 1954.)
itd.
Koji je (teorijski) najstabilniji H+(aq) oblik?
H43O21+ (tj. [H3O+(H2O)20] )
Kako su dokazani razni oblici H+(aq) iona?
Tako da su izolirane soli sa H5O2+ i H9O4+ ionima
Kako se dijele vodikove veze?
Po jačini
slabe H-veze dH ~10-50 kJ mol-1
jake H-veze dH ~50-100 kJ mol-1
vrlo jake H-veze dH >100 kJ mol-1
Po “poziciji”
Intramolekularne i intermolekularne
Kolika je duljina jakih i vrlo jakih vodikovih veza?
Manja od 3 angstrema
Kako se mjeri duljina vodikove veze?
Od donora do akceptora (npr. od O do N)
NE od vodika do akceptora
Koja je najjača nađena vodikova veza?
Između molekula HF2(-) -> d=1,13A
To je simetrična vodikova veza
Što je simetrična vodikova veza?
Kada je jednaka udaljenost između vodika i donora i vodika i akceptora
Kako su povezane molekule HF u tekućem, a kako u čvrstom stanju?
U tekućem stanju je najdominantniji strukturni fragment polimer s 6 HF molekula, a u čvrstom stanju je prisutan polimer u “cik-cak” obliku -> F1-H1…F2 je na jednom pravcu te je drugi takav fragment (F2-H2…F3) pod kutem
Zašto su vodikove veze u HCN “ravne”?
Te veze nisu pod kutem zbog hibridizacije (trostruke veze) između C i N
Kako vodikova veza utječe na IR spektre?
U vodenim otopinama dolazi do stvaranja vodikovih veza između npr. OH skupina te nastaje širok signal, a u plinovitoj fazi vodikove veze nisu prisutne te je prisutan oštri signal
Što su klatrati?
Tvari u kojima „molekula domaćina” ima kavezastu kristalnu strukturu sa šupljinama u kojima su smještene „molekule ili atomi gosta”
Koja je razlika između inter i intramolekulske veze?
Intramolekulska veza je ona koja nastaje između atoma u jednoj molekuli, a intermolekulska veza je ona koja nastaje između atoma u različitim molekulama
Kako nastaju klatrati?
Molekule domaćina se povezuju intermolekulskim silama te se onda u šupljine uklopljuju molekule/atomi gosta
Navedi neke molekule domaćina u klatratima
Urea, ciklodekstrin, hidrokinon, voda/led
Koji su primjeri kompleksa domaćin-gost?
Metalni ioni i kruna eteri
Oksonijev ion i kruna eter
Koji su neki primjeri klatrata s vodom kao domaćinom?
Domaćin/ćelija - 46 H2O
Gosti -> Ar, Kr, Xe, Cl2, SO2, CH3Cl
Stabilniji klatrati s SO2 nego s Xe
Domaćin/ćelija - 136 H2O
Gost - CH3Cl - kloroform
Domaćin/ćelija -> led
Gost - metan -> zarobljen u kristalnoj rešetci leda
Stabilan do 18°C
1 CH4 : 5,75 H2O
Što su kruna eteri?
Ciklički spojevi koji sadrže više eterskih skupina u sebi (R-O-R)
[12]-kruna-4 -> 12 atoma, 4 atoma kisika
[18]-kruna-6 -> 18 atoma, 6 atoma kisika
