Најважније из лекције
Водоник (\(\text{H}_2\)): Најлакши гас, гради једињења са оксидационим бројем \(+1\) (ковалентна са неметалима) и \(-1\) (јонска са металима). Добија се електролизом воде или реакцијом метала са киселином (\(\text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2\)).
Хидриди: Јонски (базни, \(\text{NaH}, \text{CaH}_2\)), метални (прелазни метали) и ковалентни. Киселост ковалентних хидрида расте с лева на десно кроз периоду: од неутралних (\(\text{CH}_4\)) и базних (\(\text{NH}_3\)), преко амфотерних (\(\text{H}_2\text{O}\)), до изразито киселих (\(\text{HCl}\)).
Једињења кисеоника: Кисеоник постоји као \(\text{O}_2\) и \(\text{O}_3\). Гради оксиде (оксидациони број \(-2\)), пероксиде (\(-1\), веза \(-\text{O}-\text{O}-\)) и супероксиде (\(-\frac{1}{2}\), јон \(\text{O}_2^-\)).
Својства оксида:
Хидриди: Јонски (базни, \(\text{NaH}, \text{CaH}_2\)), метални (прелазни метали) и ковалентни. Киселост ковалентних хидрида расте с лева на десно кроз периоду: од неутралних (\(\text{CH}_4\)) и базних (\(\text{NH}_3\)), преко амфотерних (\(\text{H}_2\text{O}\)), до изразито киселих (\(\text{HCl}\)).
Једињења кисеоника: Кисеоник постоји као \(\text{O}_2\) и \(\text{O}_3\). Гради оксиде (оксидациони број \(-2\)), пероксиде (\(-1\), веза \(-\text{O}-\text{O}-\)) и супероксиде (\(-\frac{1}{2}\), јон \(\text{O}_2^-\)).
Својства оксида:
- Базни: оксиди метала (\(\text{Na}_2\text{O}, \text{CaO}\)), анхидриди база.
- Кисели: оксиди неметала (\(\text{SO}_3, \text{CO}_2, \text{P}_4\text{O}_{10}\)), анхидриди киселина.
- Амфотерни: реагују са киселинама и базама (\(\text{Al}_2\text{O}_3, \text{ZnO}\)).
- Неутрални: не ступају у киселинско-базне реакције (\(\text{CO}, \text{NO}, \text{N}_2\text{O}\)).
Водоник (\(\text{H}_2\)) је најлакши познати гас, без боје, мириса и укуса, слабо растворљив у води и лако запаљив. Са кисеоником гради експлозивну смешу познату као праскави гас.
Елементарни водоник чине неполарни двоатомни молекули \( \text{H}_2 \) повезани изузетно јаком ковалентном везом (\(\sigma_{s-s}\)). У једињењима водоник остварује ковалентне или јонске везе и има оксидационе бројеве \(+1\) (са неметалима) или \(-1\) (са изразитим металима).
Електролиза воде: Кисеоник и водоник се индустријски добијају електролитичким разлагањем воде уз помоћ електричне струје:
\[ \text{Катода (редукција):} \quad 2\text{H}_2\text{O}(l) + 2e^- \longrightarrow \text{H}_2(g) + 2\text{OH}^-(aq) \]
\[ \text{Анода (оксидација):} \quad 2\text{H}_2\text{O}(l) \longrightarrow \text{O}_2(g) + 4\text{H}^+(aq) + 4e^- \]
\[ \text{Укупна реакција:} \quad 2\text{H}_2\text{O}(l) \xrightarrow{\text{ел. струја}} 2\text{H}_2(g) + \text{O}_2(g) \]
Лабораторијско добијање: Реакцијом активног метала са разблаженом киселином ослобађа се гасовити водоник:
\[ \text{Zn}(s) + 2\text{HCl}(aq) \longrightarrow \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \]
Одредите оксидациони број водоника у једињењима: \(\text{HCl}\), \(\text{H}_2\) и \(\text{NaH}\).
У \(\text{HCl}\) водоник је везан за електронегативнији неметал, па је његов оксидациони број \(+1\). У елементарном молекулу \(\text{H}_2\) оксидациони број је \(0\). У натријум-хидриду (\(\text{NaH}\)) водоник је у облику хидридног јона са оксидационим бројем \(-1\).
Хидриди су бинарна једињења водоника са другим хемијским елементима.
Према природи хемијске везе деле се у три основне групе:
- Јонски хидриди: Граде их метали 1. и 2. групе ПСЕ (осим \(\text{Be}\) и \(\text{Mg}\)). То су чврсте супстанце беле боје, са високим температурама топљења, које садрже хидридни анјон (\(\text{H}^-\)). Добијају се директном синтезом: \[ 2\text{Na} + \text{H}_2 \longrightarrow 2\text{NaH}, \quad \text{Ca} + \text{H}_2 \longrightarrow \text{CaH}_2 \]
- Ковалентни хидриди: Граде их неметали и металоиди (елементи p-блока). Углавном су течности или гасови са нижим температурама кључања.
- Метални хидриди: Граде их метали d- и f-блока; по структури и својствима личе на легуре и често су нестехиометријског састава.
Водоничне везе и физичка својства: Хидриди \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_2\text{O}\) и \(\text{HF}\) имају значајно више температуре топљења и кључања од осталих хидрида својих група због стварања међумолекулских водоничних веза.
Реактивност халогена са водоником: Идући низ групу халогених елемената (\(\text{F} \rightarrow \text{I}\)), реактивност према водонику опада:
\[ \text{H}_2 + \text{F}_2 \longrightarrow 2\text{HF} \quad (\text{бурно, у мраку}) \]
\[ \text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{HCl} \quad (\text{уз светлост}) \]
\[ \text{H}_2 + \text{I}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\text{HI} \quad (\text{уз загревање}) \]
Према киселинско-базном карактеру, хидриди се класификују на:
- Базни хидриди: Јонски хидриди су изразито базног карактера јер јон \(\text{H}^-\) брзо и квантитативно реагује са водом ослобађајући водоник и хидроксид-јоне: \[ \text{LiH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{LiOH} + \text{H}_2 \uparrow \] \[ \text{CaH}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + 2\text{H}_2 \uparrow \] Такође, ковалентни хидриди 15. групе попут амонијака (\(\text{NH}_3\)) показују базна својства као акцептори протона: \[ \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \]
- Неутрални хидриди: Хидриди угљеника (угљоводоници) и бора (\(\text{B}_2\text{H}_6\)) не ступају у протолитичке реакције са водом, киселинама или базама.
- Амфотерни хидриди: Вода (\(\text{H}_2\text{O}\)) може реаговати и као донор и као акцептор протона.
- Кисели хидриди: Хидриди 16. и 17. групе (\(\text{HCl}\), \(\text{H}_2\text{S}\)) у води делују као донори протона: \[ \text{HCl} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \] \[ \text{H}_2\text{S} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HS}^- \]
Дуж периоде у ПСЕ (од 13. ка 17. групи), поларни карактер ковалентне везе расте, чиме опада базни, а расте кисели карактер ковалентних хидрида.
Кисеоник се у природи у елементарном стању јавља у облику две алотропске модификације: дикисеоник (\(\text{O}_2\)) (гас без боје и мириса) и озон (\(\text{O}_3\)) (плавичасти гас карактеристичног оштрог мириса, снажно оксидационо средство).
У зависности од оксидационог стања кисеоника, бинарна једињења се деле на:
| Класа једињења | Оксидациони број кисеоника | Карактеристични јон/веза | Примери |
|---|---|---|---|
| Оксиди | \(-2\) | Оксидни јон (\(\text{O}^{2-}\)) | \(\text{Na}_2\text{O}\), \(\text{CaO}\), \(\text{CO}_2\), \(\text{Al}_2\text{O}_3\) |
| Пероксиди | \(-1\) | Пероксидна веза (\(-\text{O}-\text{O}-\) или \(\text{O}_2^{2-}\)) | \(\text{H}_2\text{O}_2\), \(\text{Na}_2\text{O}_2\), \(\text{BaO}_2\) |
| Супероксиди | \(-\frac{1}{2}\) | Супероксидни јон (\(\text{O}_2^-\)) | \(\text{KO}_2\), \(\text{RbO}_2\), \(\text{CsO}_2\) |
Примена калијум-супероксида: \(\text{KO}_2\) се користи као регенератор кисеоника у затвореним просторима (подморнице, летелице) јер везује \(\text{CO}_2\) и ослобађа кисеоник:
\[ 4\text{KO}_2 + 2\text{CO}_2 \longrightarrow 2\text{K}_2\text{CO}_3 + 3\text{O}_2 \]
Лабораторијско добијање \(\text{O}_2\): Термичким разлагањем супстанци богатих кисеоником:
\[ 2\text{KClO}_3(s) \xrightarrow{t^\circ, \text{MnO}_2} 2\text{KCl}(s) + 3\text{O}_2(g) \]
\[ 2\text{H}_2\text{O}_2(aq) \xrightarrow{\text{MnO}_2} 2\text{H}_2\text{O}(l) + \text{O}_2(g) \]
Оксиди су бинарна једињења кисеоника са другим елементима где кисеоник има оксидациони број \(-2\). Могу се добити директном синтезом, оксидацијом оксида нижег степена оксидације, или жарењем хидроксида и карбоната.
Подела према киселинско-базном карактеру:
- Базни оксиди (анхидриди база): Оксиди већине метала (нпр. \(\text{Na}_2\text{O}\), \(\text{CaO}\), \(\text{CuO}\), \(\text{FeO}\)). Реагују са киселинама дајући со и воду: \[ \text{CuO} + \text{H}_2\text{SO}_4 \longrightarrow \text{CuSO}_4 + \text{H}_2\text{O} \] Оксиди алкалних и дела земноалкалних метала реагују директно с водом дајући хидроксиде: \[ \text{Na}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{NaOH} \]
- Кисели оксиди (анхидриди киселина): Оксиди већине неметала (нпр. \(\text{CO}_2\), \(\text{SO}_3\), \(\text{P}_4\text{O}_{10}\), \(\text{Cl}_2\text{O}_7\)). Реагују са базама градећи соли, а са водом граде киселине: \[ \text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{H}_2\text{SO}_4 \] \[ \text{Cl}_2\text{O}_7 + 2\text{NaOH} \longrightarrow 2\text{NaClO}_4 + \text{H}_2\text{O} \]
- Амфотерни оксиди: Оксиди који испољавају и кисела и базна својства, те реагују и са киселинама и са јаким базама дајући соли (\(\text{Al}_2\text{O}_3\), \(\text{ZnO}\), \(\text{BeO}\), \(\text{Cr}_2\text{O}_3\), \(\text{MnO}_2\)).
- Неутрални оксиди: Оксиди неметала који не реагују ни са водом, ни са киселинама, нити са базама (\(\text{CO}\), \(\text{NO}\), \(\text{N}_2\text{O}\)).
Периодичност: У истој периоди с лева на десно опада базни, а расте кисели карактер оксида:
\[ \underbrace{\text{Na}_2\text{O}, \quad \text{MgO}}_{\text{базни}} \quad \longrightarrow \quad \underbrace{\text{Al}_2\text{O}_3}_{\text{амфотеран}} \quad \longrightarrow \quad \underbrace{\text{SiO}_2, \quad \text{P}_4\text{O}_{10}, \quad \text{SO}_3, \quad \text{Cl}_2\text{O}_7}_{\text{кисели}} \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Разврстајте следеће оксиде на базне, киселе, амфотерне и неутралне: \(\text{CO}\), \(\text{K}_2\text{O}\), \(\text{SO}_2\), \(\text{Al}_2\text{O}_3\) и \(\text{N}_2\text{O}\).
- Базни: \(\text{K}_2\text{O}\) (оксид алкалног метала, анхидрид \(\text{KOH}\))
- Кисели: \(\text{SO}_2\) (оксид неметала, анхидрид \(\text{H}_2\text{SO}_3\))
- Амфотерни: \(\text{Al}_2\text{O}_3\) (оксид метала p-блока који реагује и са киселинама и са базама)
- Неутрални: \(\text{CO}\), \(\text{N}_2\text{O}\) (не реагују са киселинама, базама и водом)
Задатак 2 (средњи): Напишите једначине хемијских реакција:
а) Калцијум-хидрида са водом;
б) Жарења калцијум-карбоната;
в) Хлор(VII)-оксида са водом.
а) \(\text{CaH}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + 2\text{H}_2 \uparrow\)
б) \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2 \uparrow\)
в) \(\text{Cl}_2\text{O}_7 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{HClO}_4\)
а) Калцијум-хидрида са водом;
б) Жарења калцијум-карбоната;
в) Хлор(VII)-оксида са водом.
а) \(\text{CaH}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + 2\text{H}_2 \uparrow\)
б) \(\text{CaCO}_3 \xrightarrow{t^\circ} \text{CaO} + \text{CO}_2 \uparrow\)
в) \(\text{Cl}_2\text{O}_7 + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow 2\text{HClO}_4\)
Задатак 3 (средњи): Објасните зашто вода (\(\text{H}_2\text{O}\)) има неуобичајено високу тачку кључања (\(100\,^\circ\text{C}\)) у поређењу са сумпорводоником (\(\text{H}_2\text{S}\), \(-60\,^\circ\text{C}\)), иако \(\text{H}_2\text{S}\) има већу моларну масу.
Атом кисеоника има знатно већу електронегативност и мањи атомски радијус у односу на сумпор, због чега су \(\text{O}-\text{H}\) везе изразито поларне. То омогућава молекулима воде да граде јаке међумолекулске водоничне везе, за чије је раскидање на тачки кључања потребна знатно већа енергија него за савладавање знатно слабијих дипол-дипол интеракција између молекула \(\text{H}_2\text{S}\).
Задатак 4 (тежак): Сагоревањем калијума на ваздуху претежно настаје супероксид, док сагоревањем натријума настаје пероксид.
а) Напишите њихове хемијске формуле и одредите оксидациони број кисеоника у тим једињењима.
б) Како помоћу хемијске реакције калијум-супероксида и угљеник(IV)-оксида можемо показати његову улогу регенератора ваздуха?
а) Натријум-пероксид је \(\text{Na}_2\text{O}_2\) где кисеоник има оксидациони број \(-1\). Калијум-супероксид је \(\text{KO}_2\) где кисеоник има оксидациони број \(-\frac{1}{2}\).
б) Реакција са \(\text{CO}_2\) гласи: \[ 4\text{KO}_2 + 2\text{CO}_2 \longrightarrow 2\text{K}_2\text{CO}_3 + 3\text{O}_2 \] У овој реакцији \(\text{KO}_2\) истовремено уклања штетан \(\text{CO}_2\) из издахнутог ваздуха и ослобађа елементарни кисеоник (\(\text{O}_2\)) неопходан за дисање.
а) Напишите њихове хемијске формуле и одредите оксидациони број кисеоника у тим једињењима.
б) Како помоћу хемијске реакције калијум-супероксида и угљеник(IV)-оксида можемо показати његову улогу регенератора ваздуха?
а) Натријум-пероксид је \(\text{Na}_2\text{O}_2\) где кисеоник има оксидациони број \(-1\). Калијум-супероксид је \(\text{KO}_2\) где кисеоник има оксидациони број \(-\frac{1}{2}\).
б) Реакција са \(\text{CO}_2\) гласи: \[ 4\text{KO}_2 + 2\text{CO}_2 \longrightarrow 2\text{K}_2\text{CO}_3 + 3\text{O}_2 \] У овој реакцији \(\text{KO}_2\) истовремено уклања штетан \(\text{CO}_2\) из издахнутог ваздуха и ослобађа елементарни кисеоник (\(\text{O}_2\)) неопходан за дисање.
