2.1: Hidrogénatom, izotópok és molekula; A hidrogéngáz és kísérletei; Előállítás és redukáló hatás; Előfordulás és felhasználás
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Hidrogénatom, izotópok és molekula |
| 2 | A hidrogéngáz és kísérletei |
| 3 | Előállítás és redukáló hatás |
| 4 | Előfordulás és felhasználás |
2.1: Hidrogénatom, izotópok és molekula; A hidrogéngáz és kísérletei; Előállítás és redukáló hatás; Előfordulás és felhasználás
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Hidrogénatom, izotópok és molekula |
| 2 | A hidrogéngáz és kísérletei |
| 3 | Előállítás és redukáló hatás |
| 4 | Előfordulás és felhasználás |
Hidrogénatom, izotópok és molekula
A hidrogén leggyakoribb izotópjának magjában egy proton van; a deutérium (D) magja egy protont és egy neutront, a trícium (T) egy protont és két neutront tartalmaz. Az izotópok protonszáma azonos, neutronszáma eltér. A H2 kovalens kötése apoláris, mert a két atom egyforma. Szilárd állapotban molekularácsot alkot; a gyenge molekulák közötti diszperziós kölcsönhatás miatt nagyon alacsony a forráspontja.
A semleges hidrogénizotópok részecskéi
| Izotóp | Proton | Neutron | Elektron |
|---|---|---|---|
| Prócium, tömegszám 1 | 1 | 0 | 1 |
| Deutérium, D, tömegszám 2 | 1 | 1 | 1 |
| Trícium, T, tömegszám 3 | 1 | 2 | 1 |
Erős kötés a molekulában, gyenge vonzás a molekulák között
A semleges H-atom elektronszerkezete 1s1. Két H-atom egy-egy elektronja közös kötő elektronpárt alkot: H–H, egyszeres σ-kötés. Mindkét atom környezetében két elektron vesz részt a kötésben; a kötés és a kétatomos molekula is apoláris.
A molekulán belüli H–H kötés erős. Sok reakció megindulásához jelentős aktiválási energia kell; ezért a hidrogén megfelelő reakciópartner mellett is lehet lassan reagáló szobahőmérsékleten. Szikra, hevítés vagy megfelelő katalizátor gyors reakciót indíthat. Az exoterm jelleg önmagában nem jelenti, hogy a reakció gyújtás nélkül gyors.
A különálló H2-molekulák közötti diszperziós vonzás viszont gyenge. Olvadáskor vagy forráskor ezeket a molekulák közötti kapcsolatokat bontjuk meg, nem a H–H kötést. Ezért egyszerre lehet nagyon alacsony a forráspont és erős a molekulán belüli kötés. Hasonlatként: két ember erősen foghatja egymás kezét, miközben az ilyen párok könnyen eltávolodnak egymástól; a kétféle kapcsolatot külön vizsgáljuk.
A hidrogéngáz és kísérletei
A H2 színtelen, szagtalan, vízben rosszul oldódó gáz. Moláris tömege 2 gmol, így azonos hőmérsékleten és nyomáson kisebb sűrűségű a levegőnél. Önmagában nem égést tápláló gáz, de oxigénnel éghető elegyet képez. A durranógáz hidrogén és oxigén elegye; gyújtásra hirtelen vízképződéssel reagál. A kísérletet csak kis mennyiséggel, megfelelő védelem mellett végzik.
Kidolgozott példa: miért körülbelül tizennégyszer könnyebb?
Feladat: M(H2) ≈ 2 gmol, M(levegő) ≈ 29 gmol.
Hasonlítsd össze azonos hőmérsékleten és nyomáson a két gáz sűrűségét az ideális gáz közelítésében!
ρ = mV = n · M/V = p · M(R · T).
Azonos p és T mellett a sűrűségek aránya a moláris tömegek aránya.
ρ(H2)ρ(levegő) = 229 ≈ 0,069.
A hidrogén sűrűsége így a levegőének kb. 6,9%-a;
a levegő kb. 14,5-szer sűrűbb.
Azonos térfogatban azonos molekulamennyiséget, de eltérő tömeget hasonlítunk össze.
A hidrogént szárazon szájával lefelé fordított edényben, illetve kis vízoldhatósága miatt víz alatt is felfoghatják.
A kis sűrűség és a rossz vízoldhatóság két külön tulajdonság, a két felfogási mód indokát nem cseréljük fel.
Hidrogén égése
2 H2 + O2 → 2 H2O
Exoterm reakció; a 2:1 mólarány a teljes reakcióhoz szükséges hidrogén és oxigén aránya.
Mit jelent a durranógázpróba?
A frissen előállított hidrogén kezdetben a készülékben lévő levegővel keveredhet. A tanári bemutató elkülönített kis gázmintájának hangos, éles pukkanása oxigént tartalmazó elegyre utal. A levegőt megfelelően kiszorító hidrogén sokkal halkabban ég. A próbával ezért a hidrogénes bemutató előtt az oxigénszennyezés veszélyét ellenőrzik, nem az egész gázfejlesztő tartalmát gyújtják meg.
A molekuláris egyenletből H2 : O2 = 2 : 1 a teljes reakció sztöchiometriai aránya. Ez nem azt jelenti, hogy csak pontosan ilyen arányú keverék veszélyes. Az égés során vízgőz képződik, amely hűvösebb felületen lecsapódhat. A tapasztalatot, a terméket és a próba gyakorlati jelentőségét egyaránt nevezd meg.
Nemfémes reakciók: az egyenlet mellett a körülmény is számít
| Partner | Egyenlet | Értelmezés |
|---|---|---|
| Oxigén | 2 H2 + O2 → 2 H2O | Gyújtásra gyors, exoterm vízképződés. |
| Fluor | H2 + F2 → 2 HF | Nagyon heves reakció sötétben is; a partner kivételesen reakcióképes. |
| Klór | H2 + Cl2 → 2 HCl | Megfelelő fény vagy hő indíthatja; klórdurranógáz. |
| Bróm, jód | H2 + Br2 ⇌ 2 HBr; H2 + I2 ⇌ 2 HI | Megfelelő magasabb hőmérsékleten egyensúlyi átalakulások. |
| Nitrogén | N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 | Ammóniagyártás: katalizátor, megfelelő hőmérséklet és nagy nyomás. |
Előállítás és redukáló hatás
A gáz keletkezése buborékképződésként látható. A fekete réz(II)-oxid vöröses rézzé alakul, miközben víz keletkezik. A reakcióból látható, hogy a hidrogén nemcsak éghető üzemanyag, hanem redukálószer is.
Laboratóriumban például cink és híg sósav reakciójával állítható elő
Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2
A H2 megfelelő körülmények között fém-oxidot is redukálhat
CuO + H2 → Cu + H2O
Hevített réz(II)-oxid redukciója hidrogénnel: megfigyelés és oxidációsszám-változás
Ábra szöveges leírása
| Szint | Leírás |
|---|---|
| Tapasztalat | Fekete szilárd anyag helyett vöröses anyag; a hűvös falon víz. |
| Magyarázat | CuO redukálódik; H2 oxidálódik, H2O képződik. |
Kidolgozott példa: miből tudjuk, hogy a hidrogén redukálószer?
Feladat: A hevített CuO-ra tiszta hidrogént vezető tanári bemutatóban vöröses szilárd anyag és a hűvösebb falon vízcseppek jelennek meg.
Nevezd meg a termékeket és a hidrogén szerepét!
A megfigyelés: a fekete anyag vörösessé válik, a hűvösebb fal párásodik.
A magyarázat: CuO + H2 → Cu + H2O;
réz és víz keletkezett.
A Cu oxidációs száma +2-ről 0-ra csökken: redukció.
A H-é 0-ról +1-re nő: oxidáció.
A H2 tehát a réz(II)-oxidot redukálja, maga oxidálódik, ezért redukálószer.
1 mol CuO 1 mol H2-t fogyaszt, 1 mol Cu-t és 1 mol H2O-t ad.
A képletbeli két H-atom nem jelent két mol hidrogéngázt: a reagáló részecske H2-molekula.
Előfordulás és felhasználás
A hidrogén kötött állapotban vízben és sok szerves vegyületben gyakori. Ipari előállítása több eljárással történhet, például metán gőzreformálásával vagy víz elektrolízisével; az eljárás környezeti hatása az energia és a kiindulási anyag eredetétől függ. A hidrogént ammóniagyártásban, hidrogénezésnél és üzemanyagként is felhasználják. Üzemanyagcellában oxigénnel reagálva vizet képez, de a teljes környezeti mérleghez az előállítást is vizsgálni kell.
Az érettségin használható kapcsolatok
- A hidrogén színtelen, szagtalan, a levegőnél jóval kisebb sűrűségű, apoláris kétatomos molekulákból álló gáz. Vízben rosszul oldódik és nagyon gyúlékony.
- A H2–levegő vagy H2–O2 elegy robbanásveszélyes. A durranógázpróba csak kis mintán végezhető; nagyobb mennyiséget tilos meggyújtani.
- Laboratóriumban közepes aktivitású fém és híg, nem oxidáló sav reakciójával állítható elő. A gázt víz alatt lehet felfogni, mert vízben rosszul oldódik.
- Iparban földgáz vízgőzös reformálásával, részben vízelektrolízissel készül. A forrás dönti el, hogy az energiahordozó előállítása mekkora szén-dioxid-kibocsátással jár.
- A hidrogén redukálhat kevésbé aktív fémek oxidjait; égésekor víz keletkezik. Üzemanyagcellában az energia közvetlen elektrokémiai úton hasznosul.
- A deutérium és trícium hidrogénizotóp; a trícium radioaktív. Az izotópjelölésben a tömegszám bal felső, a rendszám bal alsó index.
Felidéző gyakorlás
A víz elektrolízisekor melyik elektródon keletkezik hidrogéngáz?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Középszintű követelmények · 2.1
OH részletes követelmények, 18. oldal, 2.1 Hidrogén
- Ismerd a hidrogén három szokásosan tárgyalt izotópját. Kapcsold az elektronszerkezetet a molekula kötéséhez, polaritásához és a szilárd anyag rácstípusához.
- Magyarázd az alacsony olvadás- és forráspontot, a kis sűrűséget és a reakciókészséget.
- Értelmezd a hidrogén nemfémekkel és fém-oxidokkal való reakcióit, a durranógázpróbát és egyszerű hidrogénes kísérleteket.
- Írd fel a cink és sósav reakcióját; értelmezd az előfordulás, ipari előállítás és felhasználás adatait mindennapi helyzetben is.
Középszintű érettségi mintafeladat
Válaszolj az alfejezethez tartozó következő kérdésekre. (6 pont)
- Milyen fő fizikai és égési tulajdonságai vannak a hidrogénnek? (3 pont)
- Miért veszélyes a hidrogén és oxigén keveréke? (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Milyen fő fizikai és égési tulajdonságai vannak a hidrogénnek? (3 pont)Színtelen, szagtalan gáz (1 pont), azonos T és p mellett a levegőnél jóval kisebb sűrűségű (1 pont);
éghető, égésekor víz keletkezik, de maga az égést nem táplálja (1 pont). - Miért veszélyes a hidrogén és oxigén keveréke? (3 pont)A hidrogén–oxigén elegy megfelelő összetételben és gyújtásra robbanásszerűen reagálhat (1 pont);
az exoterm vízképződés gyors energiafelszabadulással jár (1 pont), ezért a próba elkülönített kis mintán, az előírt tanári körülmények között értelmezhető, nagy gázmennyiség meggyújtása nem alkalmazható (1 pont).
Összesen: 6 pont.
Tankönyvi kapcsolódás
Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., I. kötet, 112–115. nyomtatott oldal; 25. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.
A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.