Bài giảng Hóa đại cương vô cơ - Chương 2: Hydrogen

CHƢƠNG 2: HYDROGEN 30 1. ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ  Hydrogen, cũng gọi là hydro, là nguyên tố đơn giản nhất. Một nguyên tử hydro gồm 1 hạt nhân tích điện dương được bao quanh bởi 1 electron duy nhất.  Hydro là nguyên tố nhiều nhất trong vũ trụ. Một lượng nhỏ hydro tồn tại tự do (H2) trong tự nhiện trên trái đất, còn hầu hết kết hợp với oxy tạo thành nước.  Hydro có 3 đồng vị và tỷ lệ khối lương như sau: 31 H21 P (proti) bền D (deutri) bền T (triti) phóng xạ (P = 1,00785) (D = 2,0142) (T = 3,0162) H21 H 3 1 1. ĐẶC TÍNH NGUYÊN TỬ & VẬT LÝ  Ở điều kiện thường, hydro (H2) là chất khí không màu, không mùi, không vị, nhẹ nhất so với mọi khí khác nên khuếch tán nhanh nhất (có thể khuếch tán qua kim loại) và dẫn điện tốt  Hydro rất ít tan trong nước và trong các dung môi hữu cơ. 1 lít nước chỉ hòa tan được 19ml khí H2 ở 15oC và 1atm. Trái lại hydro tan tốt trong một số kim loại. Chẳng hạn, một thể tích Pd hòa tan 1000 thể tích H2 ở điều kiện thường 32 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC  Hydro không có vị trí hoàn toàn phù hợp trong bảng tuần hoàn  Nó có thể là nhóm IA vì có 1 electron hóa trị và ở trạng thái oxy hóa +1. Tuy nhiên, không giống kim loại kiềm, hydro có thể dễ chia sẽ electron của nó hơn là cho đi  Hydro cũng có thể phù hợp ở nhóm VIIA vì giống như các halogen  Đặc điểm duy nhất của hydro là kích thước bé nhỏ, năng lượng ion hóa rất cao và độ âm điện lại thấp so với các phi kim vì chỉ có 1 proton để hút các electron gắn thêm vào 33 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC H2(k) → 2H (k) Δ H = 432 kJ/mol 34 2.1. Năng lƣợng liên kết đƣợc thể hiện qua phản ứng thủy phân Ở 1 atm và 2000K sự phân hủy đạt 0,1%, còn ở 5000K đạt 95%.  Do tính bền nhiệt nên hydro ít hoạt động ở nhiệt độ thường, trừ khi có xúc tác 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 35 2.2. Tính khử đƣợc thể hiện qua các phản ứng  Ở nhiệt độ cao, hydro chiếm oxy của nhiều hợp chất:  H2 (k) + CuO (r) → H2O (k) + Cu (r) [vận dụng để chế tạo một số kim loại Cu, Mo, W...]  2H2 (k) + O2 (k) → 2H2O (k) [vận dụng để làm đèn hàn 2600oC]  Với các phi kim:  H2 (k) + Cl2 (k) → 2HCl (k) [vận dụng điều chế acid hydrocloric]  3H2(k) + N2(k) → 2NH3 [vận dụng trong tổng hợp amoniac] 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 36 2.2. Tính khử đƣợc thể hiện qua các phản ứng  Hydro mới sinh là chất khử mạnh  Zn + H2SO4 → 2H + ZnSO4 (trong dung dịch)  5H + 3H+ + MnO4 - → Mn2+ + 4H2O (trong dung dịch)  H mới sinh còn khử được SO2 → H2S (trong môi trường acid), NO2 -, NO3 - →NH3 (trong môi trường kiềm). Các phản ứng này không thực hiện được với hydro phân tử (H2) vì liên kết H-H bền 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 37 2.3. Tính oxy hóa đƣợc thể hiện qua sự tạo thành các hydrid  Với những kim loại rất hoạt động ở nhóm IA, IIA thì hydrid là những hợp chất ion, giống muối. Ví dụ: 2Li(r) + H2 (k) → 2LiH(r) lithi hydrid Ca (r) + H2 (k) → CaH2 (r) calci hydrid  Trong nước H- là một base mạnh phản ứng với H+ của H2O tạo ra H2 và OH -: NaH (r) + H2O (l) → Na + (aq) + OH-(aq) + H2(k)  Ion hydrid H- là chất khử mạnh: TiCl4 (l) + 4LiH(r) → Ti (r) + 4LiCl (r) + 2H2 (k) 2. TÍNH CHẤT HÓA HỌC 38 2.3. Tính oxy hóa đƣợc thể hiện qua sự tạo thành các hydrid  Với các phi kim, hydrid tạo thành là những hợp chất đồng hóa trị như CH4, H3N, H2O, HF đó là những chất khí, phân tử nhỏ. Nhưng hydrid của bor là carbon là lỏng hay rắn gồm các phân tử lớn.  Trong hầu hết các hydrid đồng hóa trị, hydro có số oxy hóa +1 vì các phi kim thường có độ âm điện lớn hơn, lúc này tên gọi hydrid không còn đúng nữa  Hydrid kim loại tạo thành khi hydro xâm nhập vào các lỗ hổng trong cấu trúc tinh thể kim loại của nhiều nguyên tố chuyển tiếp d hay f. 3. ỨNG DỤNG 39  Trong công nghiệp, hydro được dùng để tổng hợp amoniac.  Ngoài ra, nó còn được dùng trong chế biến dầu mỏ (chuyển lưu huỳnh trong các hợp chất hữu cơ thành H2S) trong tổng hợp metanol, aldehyd, aceton từ olefin, hydro hóa các chất hữu cơ chưa no.  Điều chế H2O2 theo phương pháp antraquinon.  Điều chế kim loại từ các oxyd.  Làm đèn xì nhiệt độ cao.  Làm nhiên liệu...