Litowce.doc

Charakterystyka grupy:

Grupa najbardziej elektrododatnich pierwiastków – tzw. metale alkaliczne. Ich elektrododatność rośnie (elektroujemność maleje) wraz z numerem okresu. Coraz słabsze oddziaływanie dodatniego jądra atomowego z coraz dalej położonym elektronem walencyjnym ułatwia przejście tego ostatniego do anionu i utworzenie kationu. Niska energia jonizacji litowców powoduje, że charakteryzuje je także niskie potencjały normalne (około -3 V).

Tworzą tlenki typu X2O, ich wodorotlenki XOH należą do najsilniejszych zasad. Czyste metale otrzymuje się przez elektrolizę stopionych soli (chlorków) lub wodorotlenków. W przyrodzie w stanie wolnym nie występują. W wysokiej temperaturze tworzą pary jednoatomowe, barwiące płomień na charakterystyczny dla danego pierwiastka kolor:
Li  –    karminowoczerwony 
Na –   żółty                          
K  –    fioletowy                    (też Rb i Cs)

Wszystkie litowce są białymi lub srebrzystymi metalami, miękkimi, bardzo lekkimi, reaktywnymi; o niskich temperaturach topnienia (180-30°C);
gwałtownie reagują z wodą tworząc wodorotlenki i wydzielając gazowy wodór oraz duże ilości ciepła. Powoduje to najczęściej zapalenie się metalu w czasie reakcji z wodą.
Ze względu na tę olbrzymią reaktywność należy je przechowywać w atmosferze suchego gazu obojętnego lub pod warstwą nafty.

Wodorotlenki litowców są silnymi elektrolitami, rozpuszczają się doskonale w wodzie (proces silnie egzotermiczny) i etanolu, atakują dość agresywnie szkło (szklanych naczyń ze stężonymi roztworami tych wodorotlenków nie należy zamykać szlifowymi zamknięciami, mogą one bowiem ulec "sklejeniu" z naczyniem, uniemożliwiając jego otwarcie)

Sole litowców są w przeważającej większości bezbarwnymi, dobrze rozpuszczalnymi w wodzie silnymi elektrolitami. Ich elektroliza prowadzi do powstania w przestrzeni okołokatodowej wodorotlenku danego metalu i wydzielenie wodoru (na katodzie następuje rozkład elektrolityczny cząsteczek wody).

Z wodorem tworzą wodorki MeH, bezbarwne ciała stałe, o sieci krystalicznej typu chlorku sodowego. W związkach tych wodór, jako mniej elektroujemny, przyjmuje wartościowość -1 i czasie elektrolizy stopionych wodorków wydziela się na anodzie. Wodorki reaguja łatwo z wodą dając w wyniku reakcji odpowiedni wodorotlenek i gazowy wodór:

NaH + H2O ——> Na+ + OH- + H2

{Na+ + H- + H+ + OH-  ——> Na+ + OH- + H2}

Wstęp:

Wodór, mimo że otwiera I grupę układu okresowego pierwiastków, na tyle różni się właściwościami chemicznymi i fizycznymi od pozostałych pierwiastków tej grupy, że omawiany jest zazwyczaj osobno i nie zaliczany do litowców.
Wodór najprawdopodobniej jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we Wszechświecie. Szacuje się, że jego zawartość (ilość atomów) jest sześciokrotnie większa niż liczba atomów wszystkich innych pierwiastków. 
Na Ziemi w przyrodzie występuje praktycznie tylko w postaci związków. Podstawowym z nich jest woda, duże ilości wodoru występują także w związkach organicznych.

Najlżejszy pierwiastek, gaz, ma dwa trwałe izotopy: prot (1H) i deuter (2H lub D) oraz b-promieniotwórczy tryt (3H lub T). W zasadzie izotopy wszystkich pierwiastków mają identyczne właściwości chemiczne i fizykochemiczne, w tym jednak przypadku, ponieważ następuje podwojenie (deuter) lub nawet potrojenie (tryt) masy atomu, związki o analogicznej strukturze a różniące się jedynie rodzajem izotopu wodoru mają dość znacznie różniące się właściwości chemiczne, fizyczne i fizykochemiczne (np. rozpuszczalność lub szybkość reakcji).

Deuter występuje w naturalnym rozpowszechnieniu w wodorze w ilości około 0,02%. Otrzymać go można przez wielokrotną elektrolizę wody, bowiem na katodzie łatwiej redukcji ulega H+ niż D+, i tym sposobem pozostała po elektrolizie np. roztworu NaCl woda bogatsza jest w deuter (ciężka wodę). Z 1 m3 wody można otrzymać 30 cm3 ciężkiej wody D2O.
Wodór występuje w postaci dwucząsteczkowego gazu H2, jest silnym reduktorem, tworzy z tlenem mieszaninę wybuchową, spalając się tworzy wodę. W wodzie i innych cieczach rozpuszcza się bardzo słabo, natomiast dobrze rozpuszcza się w metalach. Tworzy wodorki zarówno z metalami jak i niemetalami (LiH, BeH2, B2H4, CH4, SiH4, NH3, PH3, H2O, H2S, HF, HCl...) o charakterze zasadowym (wodorki metali, amoniak) obojętnym (metan, silan) jak i kwaśnym (siarkowodór, chlorowodór,...). W reakcji bezpośredniej z gazowym azotem tworzy amoniak

N2 + 3H2 ——>  2NH3

Przemysł tłuszczowy używa wodoru do katalitycznego uwodorniania nienasyconych tłuszczów w procesie ich utwardzania.
W bezpośrednich reakcjach wodoru i tlenku węgla(II) CO można otrzymywać metanol, metan oraz inne węglowodory.

Otrzymywanie:

Pierwiastkowy wodór można otrzymać przez rozkład cząsteczki wody, i jest to główne źródło pozyskiwania pierwiastkowego wodoru. Praktycznie proces rozkładu wody prowadzi się przez:

elektrolizę wodnych roztworów soli i wodorotlenków litowców oraz kwasów;

w tym przypadku zawarty w roztworze elektrolit (sól, wodorotlenek czy kwas) głównie służy jako nośnik ładunku elektrycznego

wypieranie wodoru z kwasów metalami leżącymi przed wodorem w szeregu napięciowym metali (metale nieszlachetne),

teoretycznie wszystkie metale leżące w szeregu napięciowym przed wodorem powinny wypierać wodór z wody, podobnie jak ma to miejsce w przypadku kwasów. Niektóre jednak z nich nie reagują z wodą (Zn, Al, Fe, Cr, Cd, Ni, Sn, Pb...) z powody cienkiej warstewki tlenku pokrywającej metal (pasywacja). Tlenki te nie reagują z woda i bronią dostępu do czystego metalu. Reagują jednak z kwasami i metale te zanurzone w kwasie powodują wydzielanie się gazowego wodoru

ZnO + H2O ——>  brak reakcji

ZnO + 2HCl ——> Zn2+ + 2Cl- + H2O

Zn + 2HCl ——> Zn2+ + 2Cl- + H2

działanie wody na wodorki metali 

Ze względu na różnice w elektroujemności metali I i II grupy (około 0,9) i wodoru (około 2,2; bardziej elektroujemny niż metale), wodór w połączeniach z metalami (wodorki metali) występuje na -1 stopniu utlenienia. W roztworach wodnych wodorki o charakterze soli (związki jonowe, wodorki grupy I i II z wyjątkiem BeH2 i MgH2)  oddysocjowują anion wodorkowy (H-), który reagując z kationem wodorowym (H+), powstałym z dysocjacji wody, tworzy cząsteczkę pierwiastkowego wodoru H2:

NaH + H2O ——> Na+ + OH- + H2

Na+ + H- + H+ + OH-  ——> Na+ + OH- + H2

Wodorki berylu i magnezu nie ulegają tej reakcji, bowiem wiązania metal-wodór w tych związkach, ze względu na zbyt małą różnicę w elektroujemnościach, nie mają w dostatecznym stopniu charakteru jonowego. (Elektroujemność berylu i magnezu wynosi 1,2 a wodoru 2,2)

działanie tlenku węgla(II) na parę wodną

Przepuszczając parę wodna nad rozżarzonym koksem (1200°C) otrzymuje się wysokoenergetyczny tzw. gaz wodny:

C + H2O = H2 + CO

Z gazu wodnego można otrzymać czysty wodór  w katalizowanej reakcji z dodatkowa ilością pary wodnej i przez usunięcie powstałego ditlenku węgla CO2:

H2 + CO + H2O ——>  H2 + CO2

W otrzymywaniu wodoru na skalę przemysłową stosuje się elektrolizę zakwaszonej wody lub roztworu chlorku sodowego ( proces przemysłowego otrzymywania NaOH).

Właściwości:

W temperaturze pokojowej wodór nie jest aktywny chemicznie. Bezpośrednio reaguje tylko z fluorem, zaś z chlorem w przypadku naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym. Z tlenem reaguje wybuchowo w temperaturze powyżej 400°C. Szczególnie silny wybuch następuje przy zmieszaniu wodoru z tlenem w ilościach 2:1 (mieszanina piorunująca). Reakcja utleniania wodoru do wody musi jednak zostać zainicjowana odpowiednio wysoka temperaturą (lokalnie), a wydzielające się w czasie reakcji spalania wodoru ciepło wystarcza do podtrzymania reakcji i jej eskalacji przebiegającej w sposób niezwykle gwałtowny (wybuch).

Wodór jest silnym reduktorem, szczególnie w wyższych temperaturach, pozwalającym redukować tlenki wielu metali do postaci metalicznej (np. CuO już w 150°C redukuje się do metalicznej miedzi).

Wodór cząsteczkowy występuje w dwóch odmianach o nieco innych właściwościach fizycznych (różnym cieple właściwym). Ponieważ proton, tworzący jądro atomu wodoru, może być opisany dwiema wartościami spinu (kierunek obrotu indukującego moment magnetyczny jądra), dwuatomowa cząsteczka wodoru może być zbudowana z atomów o identycznych spinach (ortowodór, bogatszy energetycznie) lub o spinach przeciwnych (parawodór).
Magnetyczne właściwości jąder atomów wodoru zostały wykorzystane w szeroko stosowanej metodzie analitycznej (głównie ustalanie struktury związków organicznych, zawierających wodór) 1H-NMR (magnetyczny rezonans jądrowy).

Mała masa cząsteczek wodoru i niewielki ciężar (w porównaniu z innymi pierwiastkami i cząsteczkami) powoduje niezwykłą łatwość dyfuzji przez różne materiały, między innymi folie metalowe, oraz zdolność rozpuszczania się w niektórych metalach (pallad platyna, nikiel, miedź, ...)