NKPI

Maraqlı Məlumatlar

KİMYA DƏRSİ MƏSƏLƏLƏRLƏ – Hidrogen - Oksigen - Su

Hidrogen

Kimyəvi elementlərin dövri sisteminin ilk elementidir. Onun atomunun nüvəsində yalnız bir proton (p) var və nüvəsinin yükü +1-dir. Hidrogenin üç izotopu var.

Təbiətdə bu izotopların hər üçünə rast gəlinir. Təbiətdə ən çox yayılan izotopu protiumdur. Təbiətdə 1 atom deyteriuma 7000 atom protium, bir atom tritiuma isə 1018 atom protium düşür. Deyterium və tritium hidrogenin süni izotoplarıdır. Onlar əsasən nüvə reaktorlarında nüvə çevrilmələri reaksiyasında alınır.

Hidrogenin nisbi atom kütləsi təqribən protiumun kütləsinə bərabərdir: Ar(H) = 1,008. Hidrogen təbiətdə (Yer qabığında) sərbəst halda deyil, yalnız birləşmə şəklində yayılmışdır. Məsələn suyun kütləsinin ≈11%-ni hidrogen təşkil edir. Eləcə də əksər üzvi birləşmələrin tərkibində hidrogen elementi vardır. Yer qabığında (atmosfer, biosfer və hidrosferdə) olan elementlərin ümumi kütləsinin 0,88%-ni hidrogen təşkil edir. Bununla belə hidrogen kainatda (kosmosda) ən çox yayılmış element hesab olunur. Günəşin təqribən 50%-i və ulduzlar, əsasən hidrogen elementindən ibarətdir. Hidrogen sərbəst halda ikiatomlu (H2) molekullardan ibarət bəsit maddə əmələ gətirir.

Hidrogenin fiziki xassələri. Hidrogen (H2), rəngsiz, iysiz, suda həll olmayan, havadan   (M1(hava) = 29) 14,5 dəfə yüngül qazdır. Hidrogenlə doldurulmuş sabun köpüyünün sürətlə yuxarı qalxması da bunu sübut edir.

Alınması. Hidrogeni ilk dəfə ingilis alimi H.Kavendiş 1766-cı ildə saf halda almışdır.

Laboratoriyada alınması üsulları.

1) Suyun elektrolizi: 

2) Duru turşuların (duru HNO3-dən başqa) metalların aktivlik sırasında hidrogenə qədər olan metallarla (Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Zn, Mn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb) qarşılıqlı təsiri zamanı H2 ayrılır. Hər bir metalın 1 molu turşu ilə əmələ gətirdiyi birləşmədəki valentliyinin yarısı qədər mol miqdarda H2 ayırır.

Oksigen

Oksigen 1772-ci ildə İsveç alimi Karl Şeyele tərəfindən kəşf edilmişdir.

Təbiətdə tapılması. Oksigenə təbiətdə həm sərbəst halda (havanın tərkibində), həm də birləşmə şəklində rast gəlinir. O, təbiətdə ən çox yayılmış elementdir. Yer qabığını əhatə edən atmosfer, litosfer və hidrosfer qatları kütləsinin təqribən 49,4%-i oksigenin payına düşür. Birləşmə şəklində oksigen torpağın, suyun, dağ süxurlarının, filizlərin, mineralların əsas tərkib hissəsini təşkil edir. Oksigen bütün canlı orqanizmlərin (bitkilər, heyvanlar və s.) tərkibinə daxildir. İnsan bədəninin kütləcə 65%-i oksigendir. Təbii birləşmələrdə oksigen elementinin üç izotopuna (168O, 178O, 188O) rast gəlinir. Bunlardan ən çox yayılanı nisbi atom kütləsi 16 olan izotopdur (~99,99%).

Oksigen havanın həcmcə təqribən 21%-ni, kütləcə 23%-ni təşkil edir. Oksigenlə yanaşı havada həcmcə 78%, (kütləcə 25,5%) azot, təqribən 1% nəcib qazlar (arqon və başqaları), çox az miqdarda (0,03%) karbon qazı (CO2) vardır. Atmosferin ümumi kütləsinin təxminən 1/5 hissəsi (~5,15×1015 ton) oksigendən ibartdir. 1m3 suda təqribən 40q oksigen qazı (O2) həll olur. Yəni oksigen suda pis (az) həll olan qazdır. Bu qədər oksigenin suda həll olması orada yaşayan canlıların həyatını təmin edir.

Oksigenin iki allotropik şəkildəyişməsi vardır: oksigen (O2) və ozon (O3). Ozon yerin səthindən 25-30 km yuxarıda günəş şüalarının oksigen (O2) qazına təsirindən əmələ gəlir:

Ozon qatı yer səthində yaşayan canlıları yandırıcı ultrabənövşəyi şüalardan qoruyur. Ozon və oksigen qazları bir-birindən tərkibinə və fiziki xassələrinə görə fərqlənir.

Havadan ağır olduğu üçün (M(O2)>29) oksigen alınması zamanı onu toplamaq üçün sınaq şüşəsini ağzı yuxarı tutmaq lazımdır. Ümumiyyətlə havadakı qazlarla adi şəraitdə reaksiyaya daxil olmayan və havadan ağır qazları (N2O, CO2, SO2, C2H6, C3H8, O2 və s.) qazları toplamaq üçün sınaq şüşəsini ağzı yuxarı tutmaq lazımdır.

Oksigen birləşmələrində –2-dən +2-dək oksidləşmə drəcəsi (yəni –2, –1, 0, +1, +2) göstərə bilər. Bütün oksidlərdə, əsaslarda, duzlarda oksigen –2 oksidləşmə dərəcəsi göstərir, peroksidlərdə –1, superoksidlərdə –1/2, ozonidlərdə –1/3, flüorlu birləşmələrində isə +1 və +2 oksidləşmə dərəcəsi göstərir.

Məsələn:

Alınması üsulları.

Laboratoriyada alınması.

1) Oksigeni ilk dəfə 1772-ci ildə Şeyele kalium-nitratın parçalanması reaksiyası nəticəsində kəşf etmişdir.    

Oksigeni laboratoriyada alarkən onu suyu sıxışdırıb çıxarma üsulu ilə sınaq şüşəsinə topalamaq üçün su ilə doldurulmuş sınaq şüşəsini içərisi su ilə dolu olan qaba ağzı aşağı çevrilmiş vəziyyətdə tutmaq lazımdır. Ümumiyyətlə su ilə adi şəraitdə reaksiyaya girməyən qazları (H2, N2, O2, CO, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8 və s.) toplamaq üçün bu üsuldan istifadə edilir.

Sənayedə alınması.

1) Oksigeni sənayedə maye havanın franksiyalı distilləsindən (fiziki hadisə) alırlar. Bunun üçün havanı tozdan, rütubətdən və karbon qazından təmizləyib böyük təzyiq ilə soyutmaqla mayeləşdirirlər. –200°C-dək soyudulmuş maye havanın temperaturunu tədricən artırırlar. Əvvəlcə, –196°C-də azot, sonra isə –183°C-də oksigen buxarlanaraq qaz halına keçir.

2) Oksigen həmçinin sənayedə suyun elektrolizi ilə alınır. Bunun üçün saf suya elektroliz zamanı kütləsini dəyişməyən duz və ya turşu əlavə olunur.

Kimyəvi xassələri

Saf  oksigen, eləcə də havadakı oksigen adi şəraitdə kimyəvi cəhətdən fəal deyildir. Lakin qızdırıldıqda fəallığı artır. Oksigen əksər bəsit maddələr-metallar və qeyri-metallarla, eləcə də mürəkkəb maddələrlə qarşılıqlı təsirdə olur.

1) Oksigenin metallarla qarşılıqlı təsiri.

Qiymətli metallardan (Ag, Au, Pt) başqa digər metalların əksəriyyəti oksigenlə birbaşa qarşılıqlı təsirdə olur. Metalların oksigenlə reaksiyaya girməsi üçün onları qızdırmaq lazımdır. Sonra reaksiya işıq və istilik ayırmaqla öz-özünə gedir.

NO-nu oksigenlə eyni qabda saxlamaq mümkün deyil, çünki onlar arasında reaksiya adi şəraitdə gedir.

Üzvi maddələrin əksəriyyəti oksigendə yanır. 

Molekulunda 4, 8, 12, 16 və s. sayda H atomu olan karbohidrogenlərin yanma tənliyində əmsalı həmişə 1 olur və yanma istiliyi, reaksiyanın istilik effektinə bərabər olur. Molekulunda H-nin sayı 2, 6, 10, 14, 18 və s. olan karbohidrogenlərin yanma tənliyində əmsalı həmişə 2 olur və yanma istiliyi, reaksiyanın istilik effektinin yarısına bərabər olur. Ümumiyyətlə istənilən karbohidrogenin, oksigenli üzvi birləşmələrin və s. yanması (eləcə də kömürün, qrafitin yəni karbonun yanması) zamanı istilik, işıq və qaz ayrılır.

İnsan və heyvanların orqanizmlərində qlükozanın yavaş oksidləşməsi baş verir:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Q

 

Bu tənlik canlı orqanizmlərdə 22-katalizatorun – fermentlərin iştirakı ilə gedən 20-dən çox kimyəvi reaksiyaların ümumiləşdirilmiş formasıdır. Tənlikdən görünür ki, insan tənəffüs zamanı 1 molekul oksigen udanda, 1 molekul karbon qazını (CO2) tənəffüslə kənar edir.

Oksigenin tətbiqi

Oksigendən metalların qaynaq edilməsində və kəsilməsində, metallurgiya və kimya sənayesində, yanacaqların yandırılmasında, tibbdə tənəffüs üzvləri xəstə olan insanların tənəffüsünü asanlaşdırmaq üçün oksigen balışlarından istifadə edilir.

Natrium-peroksid (Na2O2) və kalium-superoksidin (KO2) dimerinin (K2O4) karbon qazı ilə reaksiyasından kosmik gəmilərdə və sualtı qayıqlarda oksigenin bərpası prosesində istifadə edilir. Bunun üçün Na2O2 və K2O4-ü 1:1 mol nisbətində götürmək lazımdır ki, təzyiq dəyişməsi baş verməsin.

Əgər K2O4 artıq götürülsə (yəni 1mol Na2O2, 2mol K2O4) təzyiq artar, Na2O2 artıq götürülsə (yəni 2mol Na2O2 və 1mol K2O4) təzyiq azalması baş verər.

Oksigen çox geniş işlənən maddədir. Ondan həm saf halda, həm də hava ilə birlikdə istifadə edilir. Bu onun kimyəvi xassələri və tətbiq edildiyi sahələrlə müəyyənləşdirilir. Metalların qaynaq edilməsində aşağıdakı reaksiyalar ardıcıllığından istifadə edilir.

Metallurgiya və kimya sənayesində saf oksigen qarışdırılmış havadan daha çox istifadə olunur. Məsələn, çuqun və sulfat turşusu istehsalında oksigenlə zənginləşdirilmiş havadan daha çox istifadə olunur. Oksigen maye halda da tətbiq edilir. Yanar materiallara (ağac kəpəyi, quru torf və ya kömür) maye oksigen hopdurularaq kapsul formasında deşilmiş oyuqlara yerləşdirilir, istənilən vaxt fitilin köməyi ilə yandırılır. Yanmadan alınan sıxılmış qazlar böyük dağıdıcı qüvvəyə malik olur. Alınan partlayışdan dəmir yollarının, tunellərin çəkilişində, dağ-mədən işlərində istifadə edilir. Maye oksigen, həmçinin raket yanacaqlarının effektiv, oksidləşdiricisi kimi kosmik gəmilərdə tətbiq edilir.

Oksigenin təbiətdə dövranı. Təbiətdəki bütün canlılar oksigenlə tənəffüs etdiyi üçün hər il milyon tonlarla atmosfer oksigeni mənimsənilir. Məsələn, hesablanmışdır ki, yalnız insanlar ildə 1330 milyard kubmetrdən çox hava oksigenindən istifadə edir. Bundan başqa, yanacaqların yandırılmasında, çürümə proseslərində, vulkanik püskürmələrində külli miqdarda atmosfer oksigeni sərf olunur. Bununla belə, yer səthini örtən atmosfer havasında oksigenin miqdarı nəzərə çarpacaq dərəcədə azalmır. Oksigenin miqdarının təxminən sabit qalması yaşıl bitkilərdə işığın təsiri ilə gedən fotosintez prosesi ilə izah edilir. Fotosintez ilə təbiətdə oksigenin fasiləsiz dövranı daim gedir. Bununla da yer üzərində həyat təmin edilir.

Ozon

Ozon qazı ozonator adlanan qurğuda alınır. Ozonatordan buraxılan hava (və ya saf oksigen) elektrodlar arasından keçərkən elektrik boşalması yaradılır, bu zaman onun təsiri ilə oksigen qazı ozona çevrilir (həcmcə 10-15%). 

Ozon atmosferin təxminən 25-30 km-də günəşin ultrabənövşəyi şüalarının təsirindən alınır. Ozon ultrabənövşəyi şüaları udduğu üçün onların yandırıcı təsirindən yer səthindəki canlıları qoruyur. Çox yüksək enerjili ultrabənövşəyi şüalar (UBŞ) atmosferdən keçdikdə oksigen molekulu atomlara parçalanır.

Alınmış oksigen atomu dərhal molekulyar oksigenlə birləşir və ozona çevrilir: O2 + O → O3. Ozonun alınmasını xoş iyin hiss olunması ilə bilirlər. Ozon açıq mavi rəngli xoş iyli qazdır. Ozon qazı oksigendən fərqli olaraq davamsızdır, saxlandıqda və qızdırıldıqda, eləcə də günəşin orta enerjili ultrabənövşəyi şüalarını udduqda yenidən oksigenə çevrilir. O3 → O2 + O.

Ozon, həmçinin laboratoriyada aşağıdakı reaksiya ilə alınır:

Sırasında oksidləşdiricilik artır.

Ozon kalium-yodid (KJ) məhlulundan yodu çıxarır.

2KJ + O3 + H2O → J2 + 2KOH + O2

Atmosfer havasında ozonun miqdarı 0,16 mq/m3-dən artıq olduqda o, zəhərli təsir göstərir. Ozon ağardıcı və dezinfeksiyaedici xassəyə malikdir.

Ozonun tətbiqi. Ozonun tədricən parçalanmasından alınan atomar oksigenin kimyəvi cəhətdən fəal olduğunu bilirik. Buna görə də suya ozon qatılmaqla oradakı zərərli mikroorqanizmlər məhv edilir və su içmək üçün daha yararlı olur. Bu məqsədlə böyük şəhərlərdə suyu zərərsizləşdirmək üçün ozon qazından istifadə edilir. Ozonla zərərsizləşdirilən suyun xoş iyi və tamı olur.

Su (H2O)

Su yer qabığında ən çox yayılmış maddədir. Yer səthinin təqribən 2/3 hissəsini (~70%) okeanlar, dənizlər, göllər və çaylar təşkil edir. Torpaqda, atmosfer havasında xeyli su vardır. Bitkilərin, heyvanların və başqa canlı orqanizmlərin çox hissəsi (60-70%-i) sudan ibarətdir. Susuz heç bir canlı yaşaya bilməz. İçməli suyun tərkibində mikroorqanizmlər olmamalıdır. Təbii suların tərkibində çoxlu qarışıqlar vardır. Suyun harada və nə məqsədlə tətbiq olunmasından asılı olaraq o, müxtəlif dərəcədə qarışıqlardan təmizlənir. Şəhər və qəsəbələrin əhalisi üçün içməli su hazırladıqda göllərdən və çaylardan götürülən təbii su şadaradan (süzgəcdən) keçirilərək əvvəlcə xüsusi hovuzlara doldurulur, sonra qum təbəqəsindən süzülür. Həll olmayan maddələrdən təmizlənmiş su, xlor və ya ozon qazı ilə zərərsizləşdirilir. Suyu onda həll olmuş maddələrdən təmizləmək, yəni saf su almaq üçün distillə üsulundan istifadə olunur. Distillə mayenin mayedə eynicinsli qarışıqlarını ayırmaq üçün istifadə edilən fiziki üsuldur. Distillə zamanı ayrılan maye qaynadılıb buxara çevrilir, sonra yenidən kondensləşir (mayeləşərək). Bu mayenin başqa maddələrdən təmizlənməsi üsuludur. Saf və ya distillə suyu kimya laboratoriyalarında və apteklərdə maddələri həll etmək üçün, avtomobillərin soyuducu sistemində və başqa sahələrdə işlənir.

Su molekullarının hidrogen və oksigen atomlarından ibarət olması analiz və sintez üsulları ilə öyrənilmişdir.

Mürəkkəb maddəni bəsit maddələrə parçalamaqla onun tərkibinin öyrənilməsinə  analiz üsulu deyilir. Əksinə, bəsit maddələrdən mürəkkəb maddənin alınması ilə tərkibin öyrənilməsinə sintez üsulu deyilir.

Bildiyimiz kimi, təbiətdə yüngül hidrogendən (11H-protium) başqa çox az miqdarda ağır hidrogendə (21H-deyterium və 21H-tritium) vardır. Buna görə də adi su ilə yanaşı, təbiətdə “ağır” suyunda varlığını demək olar. Ağır su bəzi xassələrinə görə adi (və ya yüngül) sudan fərqlənir. Lakin onun miqdarı çox az olduğundan (10000 molekuldan 27-si) yüngül suyun xassələrinə demək olar ki, təsir etmir.

Su molekulunda oksigen atomu sp3 hibridləşmə halındadır. O–H rabitələri arasındakı bucaq (valent bucağı) 104°5'-dir. Su molekulunda rabitələrin əmələ gəlməsində oksigenin 2, hidrogen atomlarının isə ümumilikdə 2 elektronu iştirak edir.

Su molekulunda (H2O) ümumilikdə 10 e, 10 proton, 8 neytron vardır. Ağır suda isə neytronların sayı fərqlidir. D2O-da 10n, T2O-da 12n var. M(H2O)=18q/mol; M(D2O)=20q/mol; M(T2O)=22q/mol.

Suda oksigenin oksidləşmə dərəcəsi –2-dir. Su molekulunda σ (siqma) – rabitələrin əmələ gəlməsində oksigenin 4sp3 hibrid orbitaldan yalnız ikisi iştirak edir.

Fiziki xassələri. Su, rəngsiz, iysiz, dadsız, şəffaf mayedir, 1 atm (və ya 101,3kPa) təzyiqdə və 0°C-də (yəni normal şəraitdə) donur, 100°C-də qaynayır. Onun 4°C-də sıxlığı 1q/ml (və ya 1kq/dm3, 1q/sm3), istilik tutumu isə başqa mayelərə nisbətən xeyli yüksəkdir (4kC/kq). Buna görə də su tədricən qızır və tədricən də soyuyur. Bu isə havanın temperaturunun tənzimlənməsində böyük rol oynayır. Buzun sıxlığı maye suyun sıxlığından az olduğundan, o suyun səthində üzür. Bunun suda yaşayan canlılar üçün böyük əhəmiyyəti vardır.

Su yeganə saf mayedir ki, onun kütləsi ilə həcmi ədədi qiymətcə bir-birinə bərabərdir.

Məsələn:

1 q su = 1 ml su = 0,001 l su.

100 q su = 100 ml su = 0,1 l su.

1000 q su = 1000 ml su = 1 l su.

Alınması. Suyun sənayedə, eləcə də laboratoriyada xüsusi alınması üsulu yoxdur. Çünki təbiətdə su daha çox yayılmışdır. Təbiətdəki suyu təmizləməklə müxtəlif məqsədlər üçün istifadə edirlər.

Lakin hansı reaksiyalarda su alınar soruşula bilər. Bu suyun alınması üsulu deyil. Bütün neytrallaşma reaksiyalarında, suda həll olmayan əsasların parçalanması zamanı, turş duzların qələvilərlə qarşılıqlı təsiri zamanı, turş duzların parçalanması zamanı, aldehidərin, qarışqa turşusunun və onun duzlarının Cu(OH)2 ilə oksidləşməsi zamanı su əmələ gəlir.

Məsələn:

Üzvi maddələrin əksəriyyətinin yanması zamanı H2O əmələ gəlir (bax oksigenin kimyəvi xassələrinə).

Kimyəvi xassələri. 1) Saf su (distillə olunmuş su) elektrik cərəyanını keçirmir. Onun elektrik cərəyanını keçirməsi üçün onda elektroliz zamanı parçalanmayan duz, qələvi həll etmək lazımdır.

2) Su metallardan yalnız Cu, Hg, Ag, Pt, Au ilə reaksiyaya girmir. Yəni

Al adi şəraitdə su ilə reaksiyaya girmir, onun su ilə reaksiyaya daxil olması üçün HgCl2 ilə amalqaması hazırlanmalıdır.

2Al(amalqama) + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 3H2 (adi şəraitdə gedir)

3) Su qeyri-metallardan H2, O2, N2, J2 və eləcə də nəcib qazlarla (He, Ne, Ar, Kr, Xe) reaksiyaya daxil olmur. Halogenlərdən yalnız J2 su ilə reaksiyaya daxil olmur.

4) Su əsasi oksidlərdən yalnız qələvi və qələvi-torpaq metalların oksidləri ilə (Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, CaO, SrO, BaO) adi şəraitdə  birləşmə reaksiyasına daxil olub qələvi əmələ gətirir.

Me2O + H2O → 2MeOH;      Me => Li, Na, K, Rb, Cs.

MeO + H2O → Me(OH)2;     Me => Ca, Sr, Ba.

Digər əsasi, amfoter və qarışıq oksidlər su ilə heç bir şəraitdə reaksiyaya daxil olmur.

Su doymamış alifatik (açıq zəncirli) üzvi maddələrlə birləşmə reaksiyasına daxil olur.

Hər hansı maddənin özünə su birləşdirməsinə hidratlaşma (və ya hidratasiya) prosesi deyilir. Üzvi birləşmələrin özünə su birləşdirməsi (yəni hidratlaşması) katalizator iştirakı ilə gedir.

Hər hansı üzvi maddədən suyun ayrılması katalizator iştirakı ilə gedir və dehidratasiya (və ya dehidratlaşma) adlanır.

Karbohidrogenlərdən alkanlar, arenlər su ilə birləşmə reaksiyasına daxil olmur.

7) Su bir çox duzları hidroliz edir. Hidroliz duzların su ilə parçalanmasıdır (bax hidroliz  mövzusuna).

Su üzvi maddələrdən mürəkkəb efirləri, yağları, zülalları, sellülozanı, nişastanı saxaroza, maltoza və laktozanı sulfat turşusu və ya qələvilərin iştirakı ilə hidrolizə uğradır.

Turşu iştirakı ilə hidroliz dönən, qələvi iştirakı ilə hidroliz dönməyən prosesdir.

Suyun tətbiqi. Su məişətdə, suvarmada, əsasların, turşuların alınmasında, maddələrin həll edilməsində, hidrogenin, oksigenin alınmasında, buxar mühərriklərində və s. istifadə olunur.

 

MƏSƏLƏ HƏLLİ:

Hidrogen mövzusuna aid məsələlər:

Oksigen mövzusuna aid məsələlər:

Su mövzusuna aid məsələlər:

 

Tərtib edən: Mütəllim Məhərrəm oğlu Abbasov - pedaqoji elmləri doktoru, Y.H.Məmmədəliyev adına Neft-Kimya Prosesləri İnstitutunun baş elmi işçisi, Azərbaycan Respublikasının əməkdar müəllimi

2017-05-15   27905