Лекција 3.4 садржи следеће групе задатака:

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Структура молекула воде:\[ \text{H}-\overset{\displaystyle ..}{\underset{\displaystyle ..}{\text{O}}}-\text{H} \]Слободни електронски парови на \( \text{O} \) \( \Rightarrow \) акцептор протона (база):\[ \text{H}_2\text{O} + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ \]Поларне везе \( \text{O}-\text{H} \) \( \Rightarrow \) донор протона (киселина):\[ \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}^+ + \text{OH}^- \]\[ \text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \]

Детаљно решење

Корак 1: Структура молекула воде

Молекул воде \( \text{H}_2\text{O} \) је угаони (савијен). Кисеоник је централни атом и гради две поларне ковалентне везе \( \text{O}-\text{H} \). Осим тога, на атому кисеоника налазе се два слободна електронска пара. \[ \text{H}-\overset{\displaystyle ..}{\underset{\displaystyle ..}{\text{O}}}-\text{H} \] Кисеоник је електронегативнији од водоника, па је електронски пар у везама \( \text{O}-\text{H} \) померен ка кисеонику. Због тога кисеоник носи делимичан негативан наелектрисање, а водоник делимичан позитиван.

Корак 2: Везивање протона (вода као база)

Услов да се честица понаша као Бренстедова база је да има слободан електронски пар. Тај пар вода користи да веже протон \( \text{H}^+ \) (акцептор протона). Настаје хидронијум-јон: \[ \text{H}_2\text{O} + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ \]

Корак 3: Отпуштање протона (вода као киселина)

Услов да се честица понаша као Бренстедова киселина је да има поларну везу са водоником из које се протон лако отпушта. Вода има две поларне везе \( \text{O}-\text{H} \), па може да отпусти протон (донор протона). Настаје хидроксидни јон: \[ \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}^+ + \text{OH}^- \]

Корак 4: Закључак

Молекул воде има и слободне електронске парове на кисеонику (акцептор протона) и поларне везе \( \text{O}-\text{H} \) (донор протона). Зато је вода амфолит (амфотерна супстанца). Између два молекула воде одвија се протолитичка реакција: \[ \text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \]

Кратак запис решења:

Слободни електронски парови на \( \text{O} \): \( \text{H}_2\text{O} + \text{H}^+ \rightarrow \text{H}_3\text{O}^+ \) (база). Поларне везе \( \text{O}-\text{H} \): \( \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}^+ + \text{OH}^- \) (киселина). \[ \text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \]

Најважније из лекције

Подела према вези: Јонски (метали 1. и 2. групе, садрже \(\text{H}^-\)), ковалентни (неметали и металоиди \(p\)-блока) и метални хидриди (\(d\)- и \(f\)-блок).
Реакција јонских хидрида с водом: \(\text{MH}_x + x\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{M(OH)}_x + x\text{H}_2\uparrow\) (реакцијом настају база и водоник).
Тренд у периоди (од 13. до 17. групе): Базност опада, а киселост расте:
Неутрални (\(\text{CH}_4, \text{SiH}_4\)) \(\rightarrow\) Базни (\(\text{NH}_3, \text{PH}_3\)) \(\rightarrow\) Амфотерни (\(\text{H}_2\text{O}\)) \(\rightarrow\) Кисели (\(\text{H}_2\text{S}, \text{HCl}, \text{HBr}\)).
Хидриди су бинарна једињења водоника са другим хемијским елементима. Према природи хемијске везе деле се на:
  • Јонски хидриди: Граде их изразити метали 1. и 2. групе Периодног система елемената (изузеци су \(\text{BeH}_2\) и \(\text{MgH}_2\)).
  • Ковалентни хидриди: Граде их претежно елементи \(p\)-блока (неметали и металоиди од 13. до 17. групе).
  • Метални хидриди: Граде их прелазни метали \(d\)- и \(f\)-блока. Често немају сталан стехиометријски састав и по особинама подсећају на легуре.
Којој групи хидрида према типу хемијске везе припадају \(\text{KH}\), \(\text{NH}_3\) и \(\text{TiH}_{1{,}7}\)?
\(\text{KH}\) је јонски хидрид (метал 1. групе), \(\text{NH}_3\) је ковалентни хидрид (неметал \(p\)-блока), а \(\text{TiH}_{1{,}7}\) је метални хидрид (прелазни метал \(d\)-блока несталног састава).
У јонским хидридима водоник се налази у облику хидридног јона (\(\text{H}^-\)) са оксидационим бројем \(-1\). Због тога ови хидриди испољавају изразита базна и редукциона својства.
Реакцијом јонских хидрида са водом настају одговарајући хидроксид метала и гасовити водоник: \[ \text{Li}\overset{-1}{\text{H}} + \overset{+1}{\text{H}_2}\text{O} \longrightarrow \text{LiOH} + \overset{0}{\text{H}_2}\uparrow \] \[ \text{Ca}\overset{-1}{\text{H}_2} + 2\overset{+1}{\text{H}_2}\text{O} \longrightarrow \text{Ca(OH)}_2 + 2\overset{0}{\text{H}_2}\uparrow \]
Реакција литијум-хидрида (\(\text{LiH}\)) и калцијум-хидрида (\(\text{CaH}_2\)) са водом одвија се веома брзо и квантитативно, па се ови хидриди користе као поуздан извор водоника за подизање терета (балона) на бродовима.
Одреди оксидационе бројеве свих атома у реакцији натријум-хидрида са водом: \[ \text{NaH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{NaOH} + \text{H}_2 \]
У \(\text{NaH}\): \(\text{Na}^{+1}\), \(\text{H}^{-1}\).
У \(\text{H}_2\text{O}\): \(\text{H}^{+1}\), \(\text{O}^{-2}\).
У \(\text{NaOH}\): \(\text{Na}^{+1}\), \(\text{O}^{-2}\), \(\text{H}^{+1}\).
У \(\text{H}_2\): \(\text{H}^{0}\).
Идући с лева на десно у периоди (од 13. до 17. групе), расте електронегативност централног атома и поларност ковалентне везе са водоником. Киселинско-базна својства се мењају тако што опада базни, а расте кисели карактер хидрида.
Карактер Група Примери хидрида Понашање и узрок
Неутрални 13. и 14. \(\text{B}_2\text{H}_6\) (диборан), \(\text{CH}_4\) (метан), \(\text{SiH}_4\) (силан) Не реагују са водом, киселинама нити базама.
Базни 15. \(\text{NH}_3\) (амонијак), \(\text{PH}_3\) (фосфин) Имају слободан електронски пар на централном атому; понашају се као акцептори протона (\(\text{H}^+\)).
Амфотерни 16. \(\text{H}_2\text{O}\) (вода) Може и да прими и да отпусти протон (понаша се и као киселина и као база).
Кисели 16. и 17. \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{HF}\), \(\text{HCl}\), \(\text{HBr}\), \(\text{HI}\) Лако отпуштају протон молекулу воде; понашају се као донори протона (\(\text{H}^+\)).
Поређај следеће хидриде према растућој киселости: \(\text{CH}_4\), \(\text{HCl}\), \(\text{NH}_3\), \(\text{H}_2\text{S}\).
\(\text{NH}_3\) (базан) < \(\text{CH}_4\) (неутралан) < \(\text{H}_2\text{S}\) (слабо кисео) < \(\text{HCl}\) (изразито кисео).
Водени раствори ковалентних хидрида задржавају киселинско-базна својства чистих хидрида услед преноса протона са или на молекул воде.
Протолитичка дисоцијација базних и киселих хидрида: \[ \underset{\text{база}}{\text{NH}_3} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NH}_4^+ + \text{OH}^- \quad (\text{базна реакција}) \] \[ \underset{\text{киселина}}{\text{HCl}} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Cl}^- \quad (\text{кисела реакција}) \] \[ \underset{\text{киселина}}{\text{H}_2\text{S}} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{HS}^- \quad (\text{кисела реакција}) \]
Дејство на индикаторе: Киселинско-базни индикатор метил-оранж у воденом раствору амонијака поприма жуту боју (базна средина, вишак \(\text{OH}^-\) јона), док у раствору хлороводоника поприма црвену боју (кисела средина, вишак \(\text{H}_3\text{O}^+\) јона).
Зашто се амонијак у води понаша као Бренстедова база?
Зато што атом азота у молекулу \(\text{NH}_3\) поседује слободан електронски пар помоћу којег везује протон (\(\text{H}^+\)) из молекула воде, чиме делује као акцептор протона.

Задаци за вежбање

Лак: Која група у Периодном систему елемената гради изразито базне јонске хидриде, а која група гради изразито киселе хидриде?
Изразито базне јонске хидриде граде алкални метали (1. група) и земноалкални метали (2. група). Изразито киселе ковалентне хидриде граде халогени елементи (17. група).
Средњи: Напиши једначину хемијске реакције калијум-хидрида са водом. Објасни зашто је добијени раствор базан и који се гас ослобађа.
Једначина реакције: \[ \text{KH} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{KOH} + \text{H}_2\uparrow \] Раствор показује базну реакцију због настанка јаке базе – калијум-хидроксида (\(\text{KOH}\)), а из реакционе смеше ослобађа се гасовити водоник (\(\text{H}_2\)).
Тежак: За хидриде елемената 3. периоде: \(\text{NaH}\), \(\text{MgH}_2\), \(\text{SiH}_4\), \(\text{PH}_3\), \(\text{H}_2\text{S}\) и \(\text{HCl}\):
а) Одреди тип хемијске везе за сваки хидрид.
б) Опиши промену киселинско-базних својстава дуж ове серије једињења.
а) Тип везе:
  • \(\text{NaH}\) – јонска веза
  • \(\text{MgH}_2\) – веза са претежно јонским карактером / изузетак међу земноалкалним хидридима
  • \(\text{SiH}_4, \text{PH}_3, \text{H}_2\text{S}, \text{HCl}\) – поларне ковалентне везе
б) Тренд киселинско-базних својстава:
\(\text{NaH}\) је изразито базан хидрид. Идући с лева на десно: \(\text{SiH}_4\) је неутралан хидрид, \(\text{PH}_3\) показује слаба базна својства (акцептор протона), \(\text{H}_2\text{S}\) је слаба киселина, док је \(\text{HCl}\) врло јака киселина (изразит донор протона). Дакле, базни карактер опада, а кисели карактер расте.

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: