61
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙ ΥΔΡΟΓΟΝΟ Διδάσκοντες: Καθ. Ι.Χ.Πλακατούρας, Καθ. Σ.Κ.Χατζηκακού
ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ
ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙΥΔΡΟΓΟΝΟ
Διδάσκοντες: Καθ. Ι.Χ.Πλακατούρας, Καθ. Σ.Κ.Χατζηκακού
Άδειες Χρήσης
• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. • Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
ΥδρογόνοΈνα καύσιμο για τα σήμερα και τοαύριο
Σ.Κ. Χατζηκακού
Καθηγητής Ανόργανης Χημείας
Τι είναι το Υδρογόνο?
• Πρώτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα - 1 πρωτόνιο, 1 ηλεκτρόνιο• Διατομικό μόριο (H2)• Το στοιχειακό υδρογόνο είναι άφθονο στην γη αλλά ενωμένο με τονάνθρακα ή το οξυγόνο
• Άφθονο σε όλο το σύμπαν (τα άστρα αποτελούνται κυρίως απόυδρογόνο)
Τι είναι το Υδρογόνο?
• Ο Henry Cavendish (1731-1810)αναγνώρισε το υδρογόνο ως ένα στοιχείο.
• Απομονώθηκε το 1661 από τον RobertBoyle (1627 - 1691) κατά την κατεργασίατων μετάλλων με οξέα? Αντίδρασή πουείχε μελετηθεί προηγουμένως από τουςαλχημιστές.
• Όνομα: hydro gene (Ελληνικά = γεννάνερό) .
•Φορείς ενέργειας μεταφέρουν ενέργειασε μια χρησιμοποιήσιμη μορφή από τοένα μέρος στο άλλο.•Η ηλεκτρική ενέργεια είναι ένας φορέαςενέργειας•Το ίδιο και η βενζίνη ή το υδρογόνο•Το υδρογόνο, επιτρέπει να αποθηκευθείενέργεια από πολλές πηγές και ναμεταφερθεί στο σημείο όπου χρειάζεται
Το υδρογόνο είναι φορέας ενέργειας
Το υδρογόνο ως καύσιμο –“Η Οικονομία του Υδρογλονου”
• Η θερμότητα που ελευθερώνεται από την καύσητου H2 είναι διπλάσια από τις βενζίνης ή τουφυσικού αερίου2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) ΔH°=-242 kJ (121kJ/g)
• πλεονεκτήματα:-μεγαλύτερη ενέργεια-δεν υπάρχουν εκπομπές αερίων CO, CO2, SO2-παράγεται μόνο H2O-πηγή του υδρογόνου το νερό
2H2O(l) →2H2(g) + O2(g)
ΥΨΗΛΗ ΑΠΟΔΟΣΗ& ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ
ΜΗΔΕΝΙΚΕΣ
ΕΚΠΟΜΠΕΣ
.
Μεταφορές
Παραγωγή
Γιατί το υδρογόνο; Είναι άφθονο, καθαρό, αποδοτικό, και μπορεί να προέρχεται από διάφορους εγχώριουςπόρους.
Βιομάζα
Άνεμος
Ήλιος
Γεωθερμία
άνθρακα
Πυρηνικα
Φυσικόαέριο
πετρελαιο
With
Car
bon
Sequ
estr
atio
n
•Το υδρογόνο ως αέριο ΔΕΝ βρίσκεται σε υπόγειεςδεξαμενές.
•Το υδρογόνο κάνει εύκολα δεσμούς με άλλα στοιχεία καισπάνια βρίσκεται ελεύθερο. •Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από το νερό. Από υλικάπου περιέχουν άνθρακα (συνήθως αντιδρούν με νερό).
•Κάθε περιοχή έχει κάποια εγχώρια ορυκτά ή ανανεώσιμεςπηγές που μπορεί να χρησιμοποιεί για την παραγωγήυδρογόνου.
Πού βρίσκεται το υδρογόνο
διύλιση πετρελαίουΤο 30% της παγκόσμιας παραγωγήςΧρησιμοποιείται εντός του διυλιστηρίου
Αεριοποίηση άνθρακα18% της παγκόσμιας παραγωγήςΤα υποπροϊόντα της βιομηχανίας σιδήρου καιχάλυβα
ηλεκτρόλυση4% της παγκόσμιας παραγωγήςΥψηλής καθαρότητας για την παραγωγή επί τόπου και τη χρήσηΤο κόστος είναισυνάρτηση του κόστους ηλεκτρισμού
Εμπορική παραγωγή σήμερα
Από μεθάνιο48% της παγκόσμιαςπαραγωγήςΣχεδόν το 95% της παραγωγήςυδρογόνου ΗΠΑ
Εμπορική παραγωγή σήμερα
Η τρέχουσα χρήση καυσίμου υδρογόνου στιςΗΠΑ
• 70 σταθμών ανεφοδιασμού21 σε Καλιφόρνια10 στη Νέα Υόρκη5 σε Μίσιγκαν1-2 στο AZ, CO, CT, DC, HI, IL, MA, MO, NV, ND, OH, PA, SC, VT, VA, WV
• 313 οχήματα υδρογόνουΤο Honda FCX sedan είναι το μοναδικόαυτοκίνητο κυψελών καυσίμου στη διάθεση τουκοινού σε ένα περιορισμένο
5/20/2013 Footer Goes Here 10
προσομοίωση διαρροήςΚαυσίμουΥδρογόνου στηναριστερήΒενζίνης στα δεξιάΙσοδύναμηαπελευθέρωση τηςενέργειας
Hydrogen Gasoline
Three Second seconds
One minute
Ασφάλεια του υδρογόνου
H2(g) → 2H(g); ΔH = + 436 kJ/mol (υψηλήενέργεια ενεργοποίησης)3 isotopes - 1H, 2H, 3H
HydrogenΙσομερή πυρηνικού spin –
ortho-H2 : (↑↑) παράλληλα spins, S = 1, 2S+1 = 3 τριπλάεκφυλισμένη πολλαπλότητα- τριπλή κατάσταση.
para-H2 : (↑↓) αντι-παράλληλα spins, S= 0, 2S + 1 = 1μη εκφυλισμένη κατάσταση απλή κατάσταση.
Μετατροπές είναι πολυ αργές διαδικασίες και για αυτόχρησιμοποιούνται καταλύτες
para-H2 έχει χαμηλότερη ενέργεια άρα συναντάτε στιςχαμηλές T.
•Αποθήκευση του υδρογόνου σε ένα όχημαείναι μια δύσκολη τεχνική πρόκληση•Εγκατάσταση και διανομή του υδρογόνουαπαιτεί υποδομή που είναι δαπανηρή
Προκλήσεις του υδρογόνου
Hydrogen
Παρασκευή του μοριακού H2• Εργαστηριακά:
1) Ηλεκτρόλυση νερού2H2O(l) →2H2(g) + O2(g) ΔH ° = +572kJ
2) αντίδραση H+ με δραστικά μέταλλα όπως Zn, Cu ή Fe
Zn(s) + 2H+(aq) → H2(g) + Zn2+ (aq)
3) 2Na + 2H2O 2NaOH + H2
• Η αντίδραση είναι έντονα εξώθερμη. Αν γίνει χωρίςπροσοχή καταλήγει σε έκρηξη του παραγόμενουυδρογόνου, λόγω ανάφλεξής του με τοατμοσφαιρικό οξυγόνο. Με χρήση καλίου, η έκρηξηείναι ακόμη πιο βίαιη .
4) Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμώνσε διάπυρο σίδηρο (μέθοδος Bergius):
5) Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμώνσε διάπυρο άνθρακα:
Hydrogen
Βιομηχανικά:Ατμός σε υδρογονάνθρακες -
CH4 + H2O → CO + H2 (1000°C, Ni catalyst)
CO + H2O → CO2 + H2 (400°C catalyst)
Χρήσεις
• Το υδρογόνο χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία σε μεγάλοποσοστό για την παρασκευή αμμωνίας, μεθανίου, μεθανόλης, βενζινών και μυρμηκικού οξέος (HCOOH). Αυτά χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την παρασκευήάλλων προϊόντων, όπως εκρηκτικά, λιπάσματα, αντιψυκτικά κτλ.
N2 + 3H2 →2NH3 (Haber Process)CO + 2H2 →CH3OH (παρασκευή methanol)
• Η τεχνολογία τροφίμων χρησιμοποιεί το υδρογόνο για τηνπαρασκευή τεχνητών λιπών με υδρογόνωση ελαίων.
C=C + H2 →C-C
Nascent
ΑΤΟΜΙΚΟ ΥΔΡΟΓΟΝΟ
3270 K2(g) (g)
Atomic hydrogen
H 2H H 435.9 kJ⎯⎯⎯⎯⎯→ Δ = +• Πολύ δραστικό.
• ημιπερίοδο ζωής 0.3 sec.
• Το υδρογόνο που παράγεται σε επαφή με τηνουσία προς αναγωγή λέγεται υδρογόνο εν τωγεννάσθαι.
• Είναι πολύ δραστικό
• Είναι καλύτερο αναγωγικό από το συνιθησμένουδρογόνο.
Υδρογόνο εν τω γεννάσθαι
∆ραστικότητα του υδρογόνου
Μετατροπή σε H+ (ομοια συμπεριφορά με τα αλκάλια)• H(g) →H+(g) + e- Ei = +1312 kJ/molΠρόσληψη ηλεκτρονίου H- (όπως τα αλογόνα)• H(g) + e- →H-(g) Eea = -73 kJ/molΣχηματισμός ζέυγους ηλεκτρονίων σε ομοιοπολικέςενώσεις
CH4, NH3, H2O, HFΜοναδικός δεσμός τριών κέντρωνΓέφυρα H- B2H6 (diborane) Δεσμός υδρογόνου
Δύο τύποι δεσμών στ διβοράνια
Κανονικός ομοιοπολικός δεσμός απόεπικάλυψη sp3 υβριδοποιημένωντροχιακών από το B με s τροχιακά απότο H.
Γέφυρα υδριδίου , ή δεσμός τριώνκέντρων, δύο-ηλεκτρονίων.
∆εσμός υδρογόνου
Συνέπειες του δεσμού υδρογόνου
Τα σήμεια βραζμού των ενώσεων του υδρογόνου με τα στοιχείατης ομάδας 14
Σ.Β. ενώσεων υδρογόνου με ομάδες 15, 16 and 17
∆εσμός υδρογόνου στο DNA
∆ομή του νερού και πάγος
Υ∆ΡΙ∆ΙΑ
Το Υδρογόνο συνδυάζεται με πολλά στοιχεία για νασχηματίσουν δυαδικά υδρίδια
• Το Υδρογόνο προσλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο καισχηματίζει ιονικά υδρίδια που περιέχουν Η-(στοιχεία s-μπλοκ εκτός Be και Mg)
• Το Υδρογόνο συνεισφέρει ηλεκτρόνιο σχηματίζονταιομοιοπολικών υδρίδια (στοιχεία p-block)
• Το υδρογόνο ενώνεται με μέταλλα σχηματίζονταςμεταλλικά υδρίδια
Αλατοειδή υδρίδια
• 2M(s) + H2 → 2MH(s)300 -700°C
όπου M = Li-Cs και Ca-Ba
• Είναι πολύ δραστικά• Αντιδρούν με το νερό και σχηματίζουνυδροξείδια και υδρογόνο H2
• MH(s) + H2O(l) →H2(g) + MOH(aq)
Αυτά είναι λευκάκρυσταλλικά υδρίδιαμε ιοντικό χαρακτήρα
περιέχουν M+ και H-
Ανιονικά υδρίδια
eg. 4LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3LiCl
• Αυτά τα τετραυδρο ανιονικα υδρίδιδια, LiAlH4(lithium tetrahydroaluminate or lithium aluminium hydride) καιNaBH4 (sodium tetrahydroborate or sodium borohydride) είναι ισχυρά αναγωγικα.
• Ανάγουν αλδεύδες ή ετονες σε αλκοόλες και τα νιτρίλιασε αμίνες
Ομοιοπολικά υδρίδια
1. Ουδέτερα XH4 όπως CH4, SiH4
2. Βασικά XH3 όπως NH3 και PH3, AsH3, SbH3, BiH3
3. Ασθενικά όξινα XH2 όπως H2O και H2S
4. Ισχυρά όξινα HX όπως HI, HCl, HBr
5. Σύμπλοκα LiAlH4 and NaBH4
6. Ομποιοπωλικα όπως (borane B2H6, tetraborane B4H10, pentaborane B5H11
Πολλά μέταλλα σχηματίζουν μεταλλικά υδρίδια εγκλωβίζονταςμόρια H2 και άτομα H σε κενούς πόρους στην κρυσταλλική δομήτου μετάλλου.
• Σε ποια από τα ακόλουθα μίγματα διαλυτών θα σχηματιστούνδεσμοί υδρογόνου (a) Et2O και THF; (b) EtOH και H2O; (c) EtNH2 και Et2O.
• Εξηγείστε γιατί η EtNH2 και η EtOH αναμιγνύονται.• Προτείνεται τη δομή του Η9Ο4]+.
• Γράψτε την αντίδραση των KH με NH3 ή• αιθανόλη.
• HYDROGEN (VIDEO)
ΟΜΑΔΑ 1A (1): ΑΛΚΑΛΙΑ (al-gili= τέφρα φοιτών)
Ενέργεια πλέγματος ενώσεων στοιχείων 1A(1) and 2A(2) chlorides.
ΔιαλυτότηταΕξαρτάτε από τηνενέργεια πλέγματος και τηνενέργεια επιδιαλύτωσης
Το λίθιο επιπλέει σε λάδιπου επιπλέει σε νερό λόγωτης μικρής πυκνότητας
Το Li 3 Λίθιο απομονώθηκε από το ορυκτό πεταλίτη (LiAl(Si2O5)2) από τον Johann August Arfvedson το 1817. Ονομάστηκε λίθιοlithos (Greek = stone) διότι προέρχεται από το λίθο πεταλίτη.
Το Na 11 νάτριο απομονώθηκε με ηλεκτρόλυση τήματοςκαυστικής σόδας (ΝαΟΗ) από τον Sir Humphry Davy (1778–1829). Ονομάστηκε natrium (Latin = soda); natrun (Arabic = soda)
Το K 19 Κάλιο απομονώθηκε με ηλεκτρόλυση τήματος καυστικήςποτάσας (ΚΟΗ) από τον Sir Humphry Davy (1778–1829)Ονομάστηκε kalium (Latin = potash) ή alkalja (Arabic = στάχτη)
Το Rb 37 Ρουβίδιο ανακαλύφθηκε από τους Robert WilhelmBunsen (1811–1899) Και Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) με φασματοσκοπική ανάλυση ορυκτού lepidolite .Ονομάστηκε rubidius (Latin = dark red)
Το Cs 55 κέσιο ανακαλύφθηκε από τους Robert Wilhelm Bunsen(1811–1899) και Gustav Robert Kirchhoff (1824–1887) μεφασματοσκοπική ανάλυση μεταλλικού νερού από το Dόrkheim τοοποίο έδειχνε δύο μπλε γραμμέςΟνομάστηκε caesius (Latin = sky blue)
Το Fr 87 Φράγκιο ανακαλύφθηκε από τον Marguerite Perey(1910–1975). Το στοιχείο που πριν ανακαλυφθεί ονομαζόταν“eka-cesium” ανιχνεύτηκε σε ίχνη μικρής διάρκειας ζωής σταπροϊόντα διάσπασης ραδιενεργών ακτινιδίωνΟνομάστηκε Φράγκιο, προς τιμήν της χώρας που ανακαλύφθηκε
• Τα μέταλλα των αλκαλίων είναι τα μεγαλύτερασε μέγεθος της περιόδου που βρίσκονται μεηλεκρονιακή δομή ns1.
• Είναι ασυνήθιστα μαλακά για μέταλλα. Μπορείνα κοπούν με μαχαίρι.
• Έχουν μικρότερα σημεία τήξεως από άλλαμέταλλα.
• Έχουν μικρότερες πυκνότητες από άλλαμέταλλα.
Το νάτριο παρασκευάζεται με την μέθοδο Downs στην οποίατήγμα NaCl ηλεκτρολύεται, CaCl2 προστίθεται για να μειώσει τνθερμοκρασία στους 870 K, καθώς το καθαρό NaCl τήκεται στους1073 K.
Χημικές Αντιδράσεις
• Τα αλκάλια είναι ισχυροί αναγωγικοί παράγοντες.– Πάντα βρίσκονται σαν κατιόντα +1 παρά σαν ελευθέραμέταλλα.
• Ανάγουν τα αλογόνα σχηματίζοντας ιοντικά στερεά :– 2E(s) + X2 → 3EX(s) (X = F, Cl, Br, I και E αλκάλιο).
• Αντιδρούν βίαια με το νερό:– 2E(s) + H2O(l) → 2E+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g)
• Ανάγουν το H2 και δίνουν υδρίδια hydrides.– 2E(s) + H2(g) → 2EH(s)
• Ανάγουν το O2 στον αέρα.
Η Αντίδραση ου καλίουμε το νερό είναι πολύβίαιη
• (i) Αντίδραση με το οξυγόνο
Τα οξείδια και υπεροξείδια των αλκαλίων αντιδρούν με νερό
(ii) Υδροξείδια των αλκαλίων
Καυστική ποτάσα ΚOH
Καυστική σόδα NaOH
(iii) Ανθρακικά άλατα (Παρασκευή σόδαςΝaHCO3)
Το νάτριο χρησιμοποιείται στην ξήρανση τωνδιαλυτών που δεν περιέχουν αλογόνα. Ηπερίσσια του νατρίου εξουδετερώνεται μεισοπροπανόλη
Na + H3C CH3
OH
H3C CH3
O- Na+
+ H2
Σχηματίζουν σύμπλκα με Crown Ethers
ΔΙΑΓΩΝΙΑ ΣΥΣΚΕΤΙΣΗ
Li ενώνεται εύκολα με Ν2 για να δώσει το νιτρίδιο, Li3NMg αντιδρά με Ν2 για να δώσει Mg3N2.
Li αντιδρά με O2 προς Li2OMg δινει MgO. Τα υπεροξείδια των δύο μετάλλων μπορεί να σχηματισθούν μεαντίδραση LiOH ή Mg(OH)2 με H2O2.
Τα ανθρακικά άλατα Li και Mg διασπώνται εύκολα σχετικά μεθέρμανση προς Li2O και CO2, και MgO και CO2 αντίστοιχα.
Τα ιόντα Li και Mg ενυδατώνονται ισχυρά
Τα LiF και MgF2 είναι πολύ λίγο διαλυτά στον νερό,
Τα LiOH και Mg(OH)2 είναι πολύ λίγο διαλυτά στο νερό.
Τα LiClO4 και Mg(ClO4)2 είναι πολύ διαλυτά στο νερό.
ΑσκήσειςΝα δώσετε το δίγραμμα των MO του μορίου Na2 . Χρησιμοποιώντας τα τροχιακά σθένους.Ποια είναι η τάξη δεσμού
Είναι παραμαγνητικό ή διαμαγνητικό το Νa2
Να γραφούν τα προϊόντα στις αντιδράσεις
Video
Γιατί η αυτότητα του ΝaSO4 αυξάνεται μέχρι τους 305 Κ καιμετά μειώνεται
Lithium Video
Sodium Video
Potassium Video
Τέλος Ενότητας
Χρηματοδότηση• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του
εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο
Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.
• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Σημειώματα
Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου
Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις:• Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1120.
Σημείωμα Αναφοράς
Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκοντες: Καθ. Ι.Χ.Πλακατούρας, Καθ. Σ.Κ.Χατζηκακού. «ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ ΙΙ. ΥΔΡΟΓΟΝΟ». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: http://ecourse.uoi.gr/course/view.php?id=1120.
Σημείωμα Αδειοδότησης• Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού -Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη.
• [1] https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
