hóa học hydrogen và oxygen

HYDROGEN
- Cấu hình electron hóa trị:
- Năng lượng ion hóa thứ nhất:
- Ái lực điện tử thứ nhất:
- Bán kính nguyên tử cộng hóa trị:
- Độ âm điện:
- Trạng thái oxi hóa:

1s1
1312 kJ/mol
73 kJ/mol
31 pm
2,1
-1, 0, +1

- Các đồng vị: H, D (deuterium), T (tritium)

1


1. Đơn chất (H2)
-

Liên kết hóa học:
cộng hóa trị
Nhiệt phân li:
H2 → 2H
435,88 kJ/mol
(Phân hủy rõ rệt ở nhiệt độ trên 2000oC)

-

Liên kết liên phân tử:
Nhiệt độ nóng chảy:
Nhiệt độ sôi:

-

Tính chất hóa học:
Tính khử:
2H+ + 2e  H2
Tính oxi hóa:
H2 + 2e  2H-

VDW
- 259oC
- 253oC

E0 = 0,0 V (pH = 0)
E0 = - 2,25 V

2


2. Hợp chất ở trạng thái số oxi hóa
(+1): HnX
- Hydro liên kết với các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn
- H+ có bán kính cực nhỏ (1,5.10-3 pm) ion H+ có khả năng phân
cực rất mạnh, do đó các hợp chất có H+ có bản chất liên kết
cộng hóa trị phân cực và có tính acid (hydracid hay oxiacid)
- Độ bền của liên kết cộng hóa trị của hợp chất HnX giảm dần

với các nguyên tố X ở cùng phân nhóm do:
• Mức độ đồng năng của các orbital hóa trị giảm dần
• Diện tích vùng orbital xen phủ lớn dần
• Mật độ electron trong vùng xen phủ giảm dần

3


4


2. Hợp chất ở trạng thái số oxi hóa
(+1): HnX
- H+ : tác nhân oxi hóa yếu
- Tính oxi hóa giảm dần khi pH dung dịch tăng
2H+ + 2e  H2

E0 = 0,00 V

(pH = 0)

E0 = - 0,414 V (pH = 7)
2H2O + 2e  H2 + 2OH-

E0 = - 0,828 V (pH = 14)

5


3. Hợp chất ở trạng thái số oxi hóa

(-1)
- H liên kết với các nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn
- Hydrur của kim loại kiềm và kiềm thổ: bản chất liên
kết ion
- Hydrur của các nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn
không nhiều so với H: có bản chất liên kết cộng hóa
trị: PH3, B2H6, SiH4…
- Hợp chất với các kim loại chuyển tiếp: hydrur kim
loại
6


3. Hợp chất ở trạng thái số oxi hóa
(-1)
- Kém bền, bị thủy phân mạnh, tính khử mạnh
H2 + 2e  2H-

Eo = - 2,25 V

NaH + H2O  NaOH + H2
2PH3 + 6H2O  2H3PO3 + 6H2

7


OXYGEN
•
•
•
•

•
•
•

Cấu hình electron hóa trị:
2s22p4
Năng lượng ion hóa thứ nhất: 1313,9 kJ/mol
Ái lực điện tử thứ nhất:
141 kJ/mol
Bán kính nguyên tử cộng hóa trị:
73 pm
Độ âm điện:
3,5
Trạng thái oxi hóa:
-2, -1, 0, +1, +2, +4
16O, 17O, 18O
Các đồng vị:

8


1. Đơn chất (O2)
-

-

-

Liên kết:

cộng hóa trị

Năng lượng liên kết:

494 kJ/mol

Liên kết liên phân tử:

VDW

Nhiệt độ nóng chảy:

-218,9 oC

Nhiệt độ sôi:

- 183 oC

Tính chất hóa học:

tính oxi hóa

O2 + 4e + 4H+ → 2H2O

E0 = 1,229 V (pH = 0)
E0 = 0, 815 V (pH = 7)
O2 + 4e + 2H2O → 4OH- E0 = 0,401 V (pH = 14)
9

Ozon (O3)

- Nhiệt độ nóng chảy:
- 192,7 oC
- Nhiệt độ sôi:
- 111,9 oC
- Phân tử có cực ( = 0,52D)  tan trong nước nhiều hơn
so với oxy
- Tính chất hóa học: tính oxy hóa mạnh
O3 + 2H+ + 2e → O2 + H2O
Eo = 2,07 V (pH = 0)
O3 + H2O + 2e → O2 + OHEo = 1,24 V (pH = 14)
Có thể oxi hóa nhiều chất ở những điều kiện tỏ ra trơ với
oxy: oxi hóa Ag, Hg; oxi hóa amoniac thành nitrit, nitrat;
phá hủy cao su; …
10


11


2. Hợp chất ở trạng thái số oxi hóa (-2)
- Bản chất liên kết: thay đổi từ ion đến cộng hóa trị tùy
thuộc vào khả năng phân cực của hợp phần dương
- Oxid base (Li2O; CaO…): tan trong nước tạo môi trường
kiềm hoặc tan trong acid
- Oxid acid (P2O5, N2O5…): tan trong nước tạo môi trường
acid
- Oxid lưỡng tính (Al2O3, Zn(OH)2…): tan trong acid và
base

- Oxid trơ: không tan trong nước, acid và base (CO,
N2O…)
- Ion oxid thể hiện tính khử rất yếu
12


3. Các hợp chất của oxi ở các trạng thái số
oxi hóa khác
- Peroxid (O22-): hợp chất với kim loại kiềm, kiềm thổ và vài kim
loại chuyển tiếp
Tác dụng với nước hay acid loãng giải phóng H2O2
Na2O2 + 2H2O → 2NaOH + H2O2

- Superoxid (O2-): hợp chất với kim loại kiềm, kiềm thổ và vài
kim loại chuyển tiếp
Tác dụng với nước giải phóng H2O2 và O2
4KO2 + 6H2O → 4KOH + 4H2O2 + O2
- Ozonit (O3-): hợp chất với kim loại kiềm và amoni
Tác dụng với nước giải phóng O2
4KO3 + 2H2O → 4KOH + 5O2
13


3. Các hợp chất của oxi ở các trạng thái số
oxi hóa khác
- Peroxid, superoxid, ozonit:
• Các hợp chất kém bền
• Thể hiện tính oxi hóa và khử nhưng tính oxi hóa trội hơn

- Vì có độ âm điện cao nên oxi chỉ tạo các hợp chất ở trạng

thái số oxi hóa dương với F
OF2 + H2O  2HF + O2

14


Một vài hợp chất của H và O
1. Nước (H2O)

-

-

Liên kết H – O: Cộng hóa trị phân cực
Nhiệt độ bắt đầu phân hủy là 1000 oC và đến 2000 oC
chỉ phân hủy 2%
Liên kết liên phân tử: liên kết hydrogen
Nhiệt độ nóng chảy: 0 oC
Nhiệt độ sôi: 100 oC

15


16


Sức căng bề mặt lớn, sức căng bề mặt có thể giảm khi
thêm các chất gây ướt như chất tẩy rửa, xà phòng (chất
hoạt động bề mặt) vì cản trở sự tạo thành liên kết
hydrogen giữa các phân tử nước

-

17


- Hợp chất phân cực ( = 1,84 D)

Có khả năng hòa tan nhiều chất, chất điện
li và không điện li

18


- Tính chất hóa học:
• Tính acid – base
o Đóng vai trò là acid hay base trong các phản
ứng thủy phân
o Là base lewiss nhờ khả năng cho đôi điện tử
không liên kết (sự hydrate hóa)

• Tính oxi hóa – khử:
2H + + 2e → H2
O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

19


2. Hydro peroxid (H2O2 – nước oxi)

- Liên kết nội phân tử: cộng hóa trị phân cực

- Hydro peroxid rất tinh tương đối bền nhưng khi lẫn tạp
chất hay đun nóng hay có ánh sáng thì rất dễ phân hủy
2H2O2 → O2 + 2H2O
∆Ho = - 98,74 kJ/mol
- Phân tử phân cực nên hydro peroxid là dung môi ion
hóa tốt
20


- Tính chất hóa học:
• Dung dịch loãng có tính acid mạnh hơn
nước
H2O2 + H2O → H3O+ + HO2- pK = 11,6
• Tính chất oxi hóa – khử:
H2O2 + 2H+ + 2e → 2H2O
O2 + 2H+ + 2e → H2O2

Eo = 1,77 V
Eo = 0,68 V

21


Pin nhiên liệu

/>4%3A_Electrochemistry/24.6%3A_Electrochemical_Energy_Storage_and_Conversion

22