Vodík, kyslík, voda

Vodík

• hydrogenium = tvořit vodu
• rozpoznal 1766 Henry Cavendish, pojmenoval Lavoisier
• nejrozšířenější prvek ve vesmíru
• biogenní prvek
• nejvíce vázán ve vodě

Základní charakteristika

• vyskytuje se ve třech izotopech
  • protium ¹₁H, lehký vodík, nejčastější, 99,99%
  • deuterium ²₁H, těžký vodík, 0,01% na Zemi
  • tritium ³₁H, super těžký vodík, nestabilní, nukleární reakce, vodivé ionty, světélkování, jen ve vesmíru – nejméně častý
• dvouatomové sloučeniny
• bezbarvý plyn bez chuti a zápachu
• část DNA
• tvorba vodíkových můstků – O, N, F

Stabilní konfigurace

• elektronová konfigurace 1s I  – nestabilní
  • H^-I: hydridový anion, přijímá e-
  • H⁺: odevzdává e-

Oxidační čísla

• H^-I, H⁰, H^+I

Chemické vlastnosti

• silné redukční činidlo
  • CuO + H₂ -> Cu + H₂O
  • WO₃ + 3H₂ -> 3H₂O + W
• vytvoření molekuly H-H: kovalentní vazba – nepolární H₂
• polární H₂O
• jednovazný
• slučitelný téměř se všemi prvky
• hořlavý – namodralý plamen
• stabilní (vysoká vazebná energie)
• atomový vodík (velice reaktivní, nespárovaný elektron)
• v reakcích s prvky s větší elektronegativitou (nekovy) působí vodík jako redukční činidlo
• v reakcích s prvky s menší elektronegativitou (kovy – především alkalické kovy a kovy alkalických zemin) vodík vystupuje jako oxidační činidlo

Fyzikální vlastnosti

• nekov
• lehčí než vzduch
• nejlehčí a nejmenší prvek (sycení kovů)
• nízká teplota tání, varu
• bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, lehčí než vzduch
• nerozpustný ve vodě

Příprava, výroba a důkaz

Příprava:

• vytěsněním kovu z kyselin:  Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 (Kippův přístroj)
• reakce: 2Na + 2H₂O -> H₂ + 2NaOH, (Na/K)

Výroba:

• elektrolýza vody
• rozklad uhlovodíků
• pára přes rozžhavené uhlí: C + H₂O -> CO + H₂

Důkaz:

• Vodík je nutno jímat do zkumavky otočené dnem vzhůru. Dokážeme jej přiložením ústí zkumavky k plameni (zvuková zkouška). Vodík shoří, přičemž se ozve charakteristický zvuk. Kromě toho je možno ve zkumavce pozorovat plamen. Po shoření vodíku je na stěnách zkumavky patrná sražená vodní pára.

Sloučeniny vodíku (hydridy – rozdělení a jejich reakce s vodou)

• všechny reakce vodíku – redoxní

Hydridy

• Iontové: I. a II. A, H^-I, CaH₂, pevné skupenství, vysoká teplota tání, rozpustnost ve vodě, vznik hydroxidu a vodíku
• Kovalentní: H^I, plynné krom vody, VI. A, VII. A
• polární: HCl, H₂S, HCl + H₂O -> H₃O⁺ + Cl^–, rozpustné ve vodě, vodík na I. místě VI. / VII. A
• nepolární: CH₄, PH₃ – fosfan, nerozpustné ve vodě
  • HI + H₂O -> H₃O⁺ + I^–
  • PH₃ + H₂O -> reakce neproběhne
  • LiH + H₂O -> LiOH + H₂

Využití vodíku

• Haberův proces: výroba amoniaku pro zemědělství, Haberova syntéza N₂ + 3H₂ -> 2NH₃
• hydrogenace: ztužování tuků
• redukční činidlo: výroba kovů, svařování

Kyslík

• oxygenium = tvořit kyseliny
• objevil švédský lékárník a badatel Scheele roku 1771, popsal roku 1777
• anglický kazatel a učitel Pristley dokázal, že je nezbytnou podmínkou k dýchání
• nejrozšířenější prvek na Zemi

Základní charakteristika

• bez barvy, chuti, zápachu
• v kapalném skupenství má namodralou barvu
• v přírodě se uvolňuje fotosyntézou
• v ovzduší jako ozón O₃ – vzniká při bouřkách a tvoří ozónovou vrstvu 30km nad zemí
  • ozónová vrstva se rozpadá působením freonů – ozónová díra
• nejznámější sloučeninou H a O je voda
• tvoří dvouprvkové sloučeniny – oxidy
• 3 izotopy, ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O
• dvouatomové molekuly – O₂

Stabilní konfigurace

• elektronová konfigurace: 2S-2, 2P-4: 2vazebný
• není stabilní – tvorba vazeb: O=, -O-
• přibírání 2 elektronů – O^-II oxidy
  •    vytvoření 1 vazby a přijetí 1 elektronu: peroxidy H₂O₂

Oxidační čísla

• oxidační čísla: O^-I, O^-II

Chemické vlastnosti

• podporuje hoření: oxidace
• oxidační činidlo: sám se redukuje
• v základní stavu dvouvazný (Atomy kyslíku mohou být ve sloučeninách buď v hybridním stavu sp³ (potom tvoří dvě vazby σ: -O-, např. v molekulách H₂O nebo H₂O₂), nebo v hybridním stavu sp² (potom tvoří jednu vazbu σ a jednu vazbu π: O=, např. v molekulách CO nebo CO₂))
• druhý nejelektronegativnější prvek (1. F)
• tvoří iontové/polární vazby
• reaguje s většinou prvků (oxidy, peroxidy)

Fyzikální vlastnosti

• bezbarvý plyn bez chuti a zápachu
• částečně rozpustný ve vodě
• nízké teploty tání a varu

Výskyt

• nejrozšířenější prvek v zemské kůře
• volný ve vzduchu 21% (O₂ – molekulární kyslík, O₃ – ozón – ultrafialové záření, elektrické výboje)
• vázaný: ve vodě, oxidy, kyslíkaté sloučeniny (minerály, horniny)
• biogenní prvek

Příprava, výroba a důkaz

Příprava

• rozklad peroxidu vodíku: 2 H₂O₂ -> 2H₂O + O₂ (jako katalyzátor: krev, MnO₂; dezinfekce – tmavé lahve – na světle) nestálý
• ze solí bohatých na kyslík: 2KClO₃ (ohňostroje) – > 3O₂  + 2KCl; KMnO₄

Výroba:

• elektrolýza vody
• destilace ze vzduchu

Důkaz:

• přítomnost dokážeme vzplanutím rozžhavené špejle, která v proudu kyslíku vzplane

Využití kyslíku

• dýchací přístroje: kosmonauti, potápěči, hasiči, podpora dýchání v lékařství
• svařování
• raketové palivo

Rozdělení oxidů a jejich reakce s vodou

Dle typu vazby

• Iontová:
  • rozpustné ve vodě, pevné skupenství, vysoká teplota tání
  • I. a II. A, K₂O, MgO – O velká elektronegativita – iontové sloučeniny (velký rozdíl elektronegativit)
• Kovalentní:
  • na vazbě se podílejí elektrony

1. Molekulové oxidy: oxidy nekovů SO₃, oxidy kovů vedlejších skupin s vysokým ox. číslem: Mn₂O₇, CrO₃
2. S atomovou strukturou: krystalická mřížka, kovy vedlejších ox. skupin s nižším ox. číslem: ZnO, Ag₂O
3. Dle reakce s vodou, kyselinou nebo hydroxidem

• netečné: s ničím nereagují – CO, N₂O
• kyselinotvorné – molekulové

Rozpustné ve vodě – reagují s vodou za vzniku kyselin

• SO₃ + H₂O -> H₂SO₄
• SO₂ + H₂O -> H₂SO₃
• Cl₂O₇ + H₂O -> 2HClO₄

Nerozpustné ve vodě – reagují s hydroxidem za vzniku soli

• SO₃ + 2NaOH – >Na₂SO₄ + H₂O
• Cl₂O₇ + Mg(OH)₂ -> Mg(ClO₄)₂

Zásadotvorné – reagují s vodou za vzniku hydroxidu

• K₂O + H₂O -> 2KOH
• CaO + H₂O -> Ca(OH)₂
• s kyselinou
• K₂O + H₂SO₄ -> K₂SO₄ + H₂O

Amfoterní – ve vodě nerozpustné, (s atomovou strukturou)

• ZnO + H₂SO₄ -> ZnSO₄ + H₂O
• ZnO + NaOH (-> komplexy) + H₂O -> tetrahydroxozinečnatan sodný Na₂[Zn(OH)₄]

Peroxid vodíku (oxidačně – redukční vlastnosti)

• nejjednodušší peroxosloučenina (2O: – O^-I – O^-I -)
• slabá žíravina: vředy na kůži (35%)
• použití (3%) – dezinfekční a bělící účinky
• bělení, barvy na vlasy (5-10%)
• jako oxidační i redukční činidlo: záleží na tom, s čím reaguje (oxidační častější)
• bezbarvá olejovitá kapalina (bezvodná – výbušná)
• neomezitelně mísený s vodou
• snadno se rozkládá s krví
• soli: peroxidy, hydrogenperoxidy

Voda

• nejrozšířenější sloučenina na Zemi (2/3 povrchu)
• biogenní sloučenina
• molekula dipólem
• polární vazby
• v přírodě x chemicky čistá

Fyzikální a chemické vlastnosti

• 3 skupenství
• polární rozpouštědlo – rozpouští látky iontové a polární
• anomálie vody – ve 4°C má nejvyšší hustotu
• vodíkové můstky – voda kapalina
• hustota: O,998g/cm³
• led má vyšší hustotu než voda – zamrzá od povrchu
• čím nižší tlak, tím nižší bod varu, vyšší tlak – vyšší teplota tání
• parciální – částečně kladný a částečně záporný náboj tvoří dipól – O^δ- H^δ+, rozpouští polární a iontové látky
• molekuly se vzájemně přitahují
• vodíkový můstek – nízký bod teploty tání i varu
• polární molekuly – polární rozpouštědlo HCl ve vodě -> H⁺ + Cl^–
• sublimuje

Význam vody v biologických systémech

• představuje 60 – 95% hmoty různých buněk, tkání a orgánů
• voda proniká všemi částmi každé buňky a je základním prostředím,
• v němž probíhá veškeré dění v buňce, není však při tom inertní kapalinou, ale
• vysoce reaktivní látkou:
  • je výborným rozpouštědlem polárních a iontových sloučenin
  • účastní se řady hydrolytických a hydratačních reakcí a acidobazických dějů
  • interakcemi s biomakromolekulami a biomembránami určuje jejich tvar
• tyto biologické funkce vody jsou podmíněny jejími neobvyklými fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

Fyzikální vlastnosti vody:

• vyšší body tání a varu než by odpovídalo její nízké molekulové hmotnosti
• vysoká relativní permitivita

Chemické vlastnosti vody:

• schopnost tvorby vodíkových vazeb
• vyvolání hydrofobního efektu
• schopnost autoionizace

Základní biologické funkce vody:

1. Voda je rozpouštědlo a transpoprtér
2. Voda se účastní chemického dění v buňkách
3. Voda vytváří stálost vnitřního prostředí

Tvrdost vody

• tvrdost vody – koncentrace kationů Ca a Mg
  • přechodná: hydrogenuhličitany, dá se odstranit převařením
  • trvalá: sírany – vápenatý, hořečnatý