Vodík a alkalické kovy
Hlavní záložky
1. Elektronová konfigurace s1-prvků
Vodík má ze všech prvků periodické soustavy nejjednodušší elektronovou konfiguraci, neboť jeho atom obsahuje ve svém obalu pouze jeden elektron, konkrétně v orbitalu 1s. Elektronová konfigurace vodíku je tedy: 1s1 Jelikož atom vodíku má ve svém valenčním orbitalu (orbitalu, nacházejícím se v nejvyšší – valenční – vrstvě obsazené elektrony) pouze 1 elektron, a tak by byl za běžných podmínek značně reaktivní, stabilizuje se vytvořením dvouatomové molekuly H2.
Obr.: Dvouatomová molekula vodíku
|
Vodík atomový H a molekulový H2 se od sebe liší i svými chemickými vlastnostmi. Vodíkový radikál je reaktivnější, a tak se účastní i některých chemických reakcí, při kterém se molekula vodíku chová inertně. Důvodem toho je skutečnost, že pro aktivaci molekuly vodíku je třeba dodat energii, která ho rozštěpí na jeho atomy, které se dále účastní reakce. Vodík se může v atomové podobě účastnit reakcí, které probíhají v soustavě, kde vodík vzniká. Proto například dichroman draselný nereaguje na zavádění molekulového vodíku, ale atomovým vodíkem (ve stádiu zrodu) se redukuje: K2Cr2O7 + H2 → reakce neprobíhá K2Cr2O7 + 7 H2SO4 + 3 Zn → 3 ZnSO4 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7 H2O |
Označení s1-prvky znamená, že 1 valenční elektron (ten, který se nachází v nejvzdálenější obsazené - valenční - vrstvě od jádra) těchto prvků se nachází v orbitalu typu s.
Elektronová konfigurace s1-prvků je tedy: [VP] ns1
(VP... vzácný plyn n ... číslo periody, kde se daný prvek nachází)
2. Vlastnosti vodíku a alkalických kovů
Vodík je za běžných podmínek plyn bez barvy, chuti i zápachu. Samotný je nehořlavý, avšak s kyslíkem vytváří výbušnou směs. Je přibližně 14x lehčí než vzduch. Vodík je téměř nerozpustný ve vodě.
"Ke stojanu upevníme pomocí svorky a držáku dnem vzhůru obrácenou zkumavku, do které najímáme vodíku. Zapálíme špejli a vložíme ji do zkumavky. Posléze zapálíme kahan a k plameni přiložíme zkumavku s vodíkem, kterou nahneme o 45°."
"Vaničku naplníme z 3/4 objemu vodou, kterou obohatíme několika ml saponátu (jaru). Vzniklou směs pomocí tyčinky důkladně promícháme, aby voda napěnila. V reakční baňce začneme vyvíjet vodík a budeme ho zavádět do vaničky s vodou a saponátem. Jakmile vzniknou vodíkové bubliny, vezmeme si je na dlaň a pomocí poříčí špejle je zapálíme.''
Prvky I.A skupiny (s1-prvky), s výjimkou vodíku, se souhrnně označují pojmem alkalické kovy. Alkalické kovy jsou velmi měkké kovy, a tak je lze krájet nožem. Působením vzduchu oxidují, čili se pokrývají vrstvičkou oxidačních produktů. Na čerstvém řezu však mají kovový lesk. Pro svoji reaktivitu se musí uchovávat pod petrolejem. Alkalické kovy mají velmi nízkou hustotu, například hustota lithia je 0,534 g•cm-3. Bouřlivě reagují s vodou (za vzniku vodíku a hydroxidu) nebo halogeny (prvky VII.A skupiny – fluor, chlor, brom, jod), kdy vznikají příslušné halogenidy. Jejich reakcí s vodíkem vznikají iontové hydridy.
"Ze zásobní láhve s petrolejem vyjmeme pomocí pinzety kousek sodíku a položíme ho na keramickou síťku. Tento kousek rozřízneme nožem a obě půlky necháme po dobu 30 minut na vzduchu. Po uplynutí této doby si povšimneme změn na řezu sodíku."
"Do třetiny objemu odměrného válce nalijeme vodu a přidáme k ní 3 kapky fenolftaleinu. Dále do válce nalijeme stejný objem petroleje a do vzniklé emulze vhodíme malý kousek sodíku. Pozorujeme reakci sodíku s vodou a jeho nadnášení vznikajícím vodíkem na hladinu petroleje. Jakmile vodík opustí směs kapalin, klesá vodík opět ke dnu."
3. Výskyt vodíku a alkalických kovů
Vodík se na Zemi v elementární podobě (jako součást vzduchu) téměř nevyskytuje, neboť jeho molekuly jsou natolik lehké, že dokázaly před miliardami let překonat gravitaci a uniknout do vesmíru. Částečně je však obsažen v sopečných plynech. Ve vesmíru tvoří atmosféru mnoha hvězd, planet či komet. Třeba Slunce je tvořeno směsí vodíku a helia. Vodík je však vázán, společně s uhlíkem, téměř ve všech látkách organického původu a tělech živých organismů. Voda, pokrývající značnou část zemského povrchu, je tvořena z atomů vodíku a kyslíku. Vodík se může vyskytovat ve třech izotopech (atomech jednoho prvku s odlišným počtem neutronů), a sice jako protium 1H (lehký vodík), deuterium 2H či tritium 3H. Deuterium (běžně označované D) tvoří těžkou vodu D2O využívanou v jaderných reaktorech. Tritium je jako jediný izotop vodíku radioaktivní, nachází se třeba v hodinkách, jejichž rafičky lze osvětlit.
Obr.: Izotopy vodíku
Kvůli vysoké reaktivitě se s1-prvky nevyskytují v přírodě v elementární podobě. Jsou však vázány v mnoha minerálech, jako například: spodumen Li2Al[Si2O6], halit NaCl (kuchyňská sůl), chilský ledek NaNO3, sylvín KCl či lepidolit.
4. Výroba vodíku a alkalických kovů
V laboratoři je možné vodík připravit například reakcí neušlechtilého kovu s kyselinou. Nejčastěji se za tímto účelem používá reakce zinku s kyselinou chlorovodíkovou:
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2
"Do třetiny objemu zkumavky nalijeme 10% roztok kyseliny chlorovodíkové a vhodíme k ní 3 granulky (či přisypeme 2 g práškového) zinku. Jakmile bude pozorovatelný únik plynu, zapálíme špejli a přiložíme ji k ústí zkumavky."
Jiná možnost přípravy spočívá v reakci alkalického kovu (Li, Na, K...) či kovu alkalických zemin (Ca, Sr, Ba...) s vodou. Příkladem může být reakce sodíku s vodou:
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
"Krystalizační misku naplníme do poloviny jejího objemu vodou, kterou obohatíme pár kapkami fenolftaleinu. Po vnitřním obvodu této misky umístíme kovovou síťku. Pomocí pinzety vhodíme do misky s vodou malý kousek sodíku a s využitím hořící špejle ho zapálíme."
Kromě toho lze vodík získat reakcí neušlechtilého kovu (Al, Fe, Zn...) s hydroxidem (NaOH, KOH...). Hliník reaguje s roztokem hydroxidu sodného následovně:
2 Al + 2 NaOH + 4 H2O → 2 Na[Al(OH)4] + H2
"Do krystalizační misky nalijeme 20% roztok hydroxidu sodného. Připravíme si 5-10 malých kousků alobalu, zapálíme kahan a jednu zkumavku naplníme do poloviny objemu vodou. Alobal vhodíme do misky s hydroxidem a překlopíme do ní i zkumavku s vodou tak, aby kousky alobalu byly ve zkumavce a vznikající plyn z ní vytlačoval vodu. Po vytlačení vody ze zkumavky (jejím naplnění vodíkem) přiložíme ústí zkumavky ke kahanu."
V průmyslovém měřítku se však využívají jiné reakce pro výrobu vodíku. Jednou z nich je elektrolytický rozkladem vody H2O. Pro zvýšení elektrické vodivosti se do vody přidává kyselina sírová, hydroxid sodný či síran sodný. Produkce vodíku je tak rychlejší. V případě použití kyseliny sírové vzniká vodík vysoké čistoty:
2 H2O → 2 H2 + O2
Vodík lze vyrobit také elektrolýzou vodného roztoku chloridu sodného NaCl:
2 NaCl + 2 H2O → 2 NaOH + H2 + Cl2
Další možností získávání vodíku je prohánění vodní páry H2O přes rozžhavené železo Fe:
2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
V neposlední řadě lze zmínit získání z vodního plynu (CO + H2) pomocí koksu C:
C + H2O → CO + H2
CO + H2O → CO2 + H2
Průmyslově se alkalické kovy vyrábí elektrolýzou tavenin jejich chloridů (LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl). Draslík se vyrábí také redukcí z jeho chloridu sodíkem. Vzniklý draslík se poté ze směsi oddestiluje.
5. Využití vodíku a alkalických kovů
V chemickém průmyslu se využívá vodík k výrobě mnoha anorganických i organických sloučenin, hydrogenaci sloučenin (reakce sloučenin s vodíkem), ztužování tuků (přeměna kapalných olejů na pevné tuky). Dříve se vodík využíval ve svářečství, neboť jeho hořící směs s kyslíkem dosahuje vysokých teplot. Vodík je navržen jako palivo budoucnosti, neboť se dá získat z několika zdrojů a produktem jeho hoření je voda. Nejlehčí plyn se používá také jako vodíkové bomby. Jelikož jsou s1-prvky nejelektropozitivnější prvky (mají nejmenší hodnotu elektronegativity, tj. schopnost přitahovat k sobě vazebný elektronový pár), využívají se jako redukční činidla. Širší uplatnění s1-prvků v elementární podobě je však omezeno jejich vysokou reaktivitou. Kationty většiny s-prvků mají schopnost barvit plamen do různých odstínů, čehož se využívá v pyrotechnice. Zbarvení plamene jednotlivými kationty zpřehledňuje následující obrázek:
Lithium se využívá pro výrobu baterií (lithiových), sodík má význam v organické chemii pro důkaz dusíku, síry a halogenu v organických sloučeninách (Lassaignův test), cesium se využívá při konstrukci atomových (cesiových) hodin (viz definice 1 sekundy pomocí počtu kmitů atomu cesia).
6. Chemické vlastnosti vodíku a alkalických kovů
Vodík vytváří se vzduchem výbušnou směs - produktem této reakce je voda:
2 H2 + O2 → 2 H2O
Na této reakci je založena důkazová zkouška vodíku - ten po zapálení ve své směsi s kyslíkem "štěkne".
Kromě toho reaguje vodík také bouřlivě s halogeny za vzniku halogenovodíků:
H2 + X2 → 2 HX
H2 + Cl2 → 2 HCl
Vodík se může použít také jako redukční činidlo pro získání kovů z jejich oxidů:
CuO + H2 → Cu + H2O
"Do U-trubice nasypeme 2 g oxidu měďnatého a pomocí svorky a držáku ji připevníme k laboratornímu stojanu. K druhému stojanu připevníme frakční baňku, do které nasypeme 5 g granulovaného zinku. Odvod z baňky a U-trubice spojíme gumovou hadičkou. Do čtvrtiny objemu frakční baňky přilijeme 20 % kyselinu chlorovodíkovou a baňku zazátkujeme. Zapálíme kahan a začneme zahřívat oxid měďnatý v U-trubici. Pozorujeme barevné změny oxidu." Spalováním sodíku vzniká peroxid sodíku:
2 Na + O2 → Na2O2
Produktem oxidace lithia je oxid lithný Li2O, sodíku peroxid sodný Na2O2 a ostatních alkalických kovů jejich hyperoxidy (superoxidy) - KO2, RbO2 a CsO2. Reakcí alkalických kovů s vodou vznikají jejich hydroxidy a uvolňuje se vodík:
2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2
(Návod na demonstrační experiment a video průběhu pokusu naleznete výše)
Alkalické kovy se využívají, obdobně jako vodík, jako redukční činidla:
TiCl4 + 4 M → 4 MCl + Ti
Bouřlivé jsou i reakce alkalických kovů s halogeny:
2 M + X2 → 2 MX
