Гидриды - определение, типы, использование, примеры

Любая группа химических соединений, в которых водород соединен с другим элементом, называется гидридом. По типу химической связи различают три основных типа гидридов: солевые (ионные), металлические и ковалентные. По строению можно выделить четвертую форму гидрида — димерный (полимерный) гидрид (см. боран). Непроводники, такие как гидриды алюминия, меди и бериллия, встречаются в твердой, жидкой и газообразной формах. Все они термически нестабильны, а некоторые из них взорвутся при контакте с воздухом или влагой.

Что такое гидриды?

Hydride is the formal name for the anion of hydrogen, H^–. The phrase is used in a broad sense. At one extreme, any compounds containing covalently bound H atoms are referred to be hydrides: water is an oxygen hydride, ammonia is a nitrogen hydride, and so on. 

Гидриды — это молекулы и ионы, водород которых ковалентно связан с менее электроотрицательным элементом. В таких обстоятельствах ядро H обладает нуклеофильным свойством, в отличие от протонной природы кислот. Гидрид-анион встречается крайне редко.

Связи водорода с другими элементами варьируются от чрезвычайно ковалентных до слабо ковалентных. Некоторые гидриды, такие как гидриды бора, не поддаются стандартным принципам подсчета электронов, и их связь объясняется многоцентровыми связями, тогда как межузельные гидриды часто предполагают металлическую связь. Гидриды могут принимать форму отдельных молекул, олигомеров или полимеров, ионных твердых тел, хемосорбированных монослоев, объемных металлов (внедренных) или других материалов. В то время как большинство гидридов реагируют как основания Льюиса или восстановители, некоторые гидриды металлов действуют как доноры атомов водорода и, следовательно, как кислоты.

Типы гидридов

Гидриды подразделяются на три категории или группы. Категории определяются элементами, с которыми водород образует связи, или просто химической связью. Ионные, ковалентные и металлические гидриды представляют собой три типа гидридов.

Ионные или солевые гидриды

Когда молекула водорода соединяется с компонентами s-блока с высокой электроположительностью, они производят (щелочные металлы и щелочноземельные металлы).

Ionic hydrides are crystalline, non-conducting, and non-volatile in solid form. They do, however, conduct electricity when they are liquid. When ionic hydrides are electrolyzed, hydrogen gas is liberated at the anode. Because saline or ionic hydrides do not dissolve in common solvents, they are usually used as bases or reducing reagents in chemical synthesis. 

NIH is an example.

В чистом виде эти соединения представляют собой белые кристаллические твердые вещества, однако они часто имеют серый цвет из-за следовых примесей металлов. Согласно структурным исследованиям, эти соединения содержат гидрид ^- анион H- с кристаллографическим радиусом, который варьируется в зависимости от принадлежности металла, но является промежуточным по отношению к радиусу фторид-иона F- ^. Поскольку солевые гидриды энергично реагируют с водой, выделяя значительное количество газообразного водорода, их можно использовать в качестве легких портативных источников водорода.

Бериллий и магний, оба щелочноземельных металла, также могут образовывать стехиометрические гидриды MH ₂ . С другой стороны, эти гидриды имеют более ковалентный характер. Хотя чистый BeH ₂ трудно выделить, его структура считается полимерной с мостиковыми атомами водорода. Гидрид натрия, NaH, и гидрид кальция, CaH ₂ , являются еще двумя примерами бинарных солевых гидридов. Алюмогидрид лития, LiAlH ₄ , и боргидрид натрия, NaBH ₄ , являются коммерческими соединениями, используемыми в качестве восстановителей, и являются примерами сложных солевых гидридов (вещества, которые обеспечивают электроны в окислительно-восстановительных реакциях).

Ковалентные гидриды

Силан образуется, когда водород соединяется с другими родственными электроотрицательными элементами, такими как Si, C и так далее. CH ₄ и NH ₃ являются двумя наиболее распространенными примерами. Ковалентные гидриды — это соединения, образующиеся при взаимодействии водорода с неметаллами в целом. Химические вещества имеют общую ковалентную связь и могут быть летучими или нелетучими. Ковалентные гидриды являются как жидкостями, так и газами.

The majority of nonmetal hydrides are volatile compounds with weak van der Waals intermolecular interactions that hold them together in condensed form. Unless their properties are adjusted by hydrogen bonding, covalent hydrides are liquids or gases with low melting and boiling points (as in water). Covalent hydrides can be made from the periodic elements boron (B), aluminium (Al), and gallium (Ga). Boron undergoes a complex succession of hydrides.

По мере того, как периодическая таблица перемещается из группы 13 в группу 17, водородные соединения неметаллов становятся более кислыми и менее гидридными по своей природе. То есть, по мере старения они становятся менее способными производить Н ^{и более склонными вносить Н+ .} Углерод имеет самый полный класс соединений водорода среди всех элементов периодической таблицы в группе 14. Все остальные элементы в группе 14 образуют гидриды, которые не являются ни хорошими донорами H ⁺ , ни хорошими донорами H ⁺ .

Каждый галоген образует бинарное соединение HX с водородом. При комнатной температуре и давлении эти соединения представляют собой газы, причем фтористый водород имеет самую высокую температуру кипения из-за межмолекулярных водородных связей. Галогениды водорода, как и группа 16, являются донорами протонов в водном растворе. Однако как класс эти молекулы являются гораздо более сильными кислотами. Кислотная сила соединений HX увеличивается по мере продвижения вниз по группе, при этом HF является самой слабой кислотой, а HI является наиболее сильным донором протонов. Все галогеноводороды, за исключением HF, растворяются в воде с образованием сильных кислот. Разница в способности отдавать протоны между HF и другими соединениями HX объясняется рядом переменных, одной из которых является прочная связь, образованная между водородом и фтором.

Металлические гидриды

A metal hydride is a hydrogen compound that reacts with another metal element to form a bond. The link is generally covalent, however, hydrides can also be produced using ionic bonds. These are typically generated by transition metals and are non-stoichiometric, hard, and have high melting and boiling points.

Металлические сплавы, такие как гидриды, обладают некоторыми металлическими свойствами, такими как блеск и высокая электропроводность. У них разные физические свойства: некоторые из них более хрупкие, а другие тверже, чем металлы, из которых они созданы. В природе такие вещества рассматриваются как промежуточные соединения между солями и сплавами. Металлические гидриды состоят в основном из протонов (положительных ионов водорода) и атомов металлов, плавающих в электронном море. Блеск и электропроводность гидрида связаны с относительной свободой подвижности электронов.

Металлические гидриды создаются путем объединения газообразного водорода с металлами или металлическими сплавами. Наибольшее внимание привлекли соединения, содержащие наиболее электроположительные переходные металлы (семейства скандия, титана и ванадия). Например, титан, цирконий и гафний образуют нестехиометрические гидриды, когда поглощают водород и выделяют тепло. Эти гидриды имеют ту же химическую активность, что и мелкодисперсный металл, оставаясь стабильными при комнатной температуре, но становясь реактивными при нагревании на воздухе или с кислотными химикатами. Они также имеют вид металла и представляют собой серовато-черные твердые вещества. Металл, по-видимому, находится в степени окисления +3 с преимущественно ионной связью. В некоторых процессах, таких как металлургия, эти гидриды используются в качестве восстановителей.

Структура также может быть использована для идентификации четвертой формы гидрида, димерного (полимерного) гидрида. Алюминий и, возможно, гидриды меди и бериллия являются твердыми, жидкими или газообразными диэлектриками. Все они термически нестабильны, а некоторые взрываются при контакте с воздухом или влагой.

Использование гидридов

• В химическом синтезе гидриды, такие как боргидрид натрия, DIBAL и супергидрид, часто используются в качестве восстановителей. Гидрид реагирует с электрофильным ядром, которое обычно представляет собой ненасыщенный углерод.
• В органическом синтезе гидриды, такие как гидрид натрия и гидрид калия, используются в качестве сильных оснований. Когда гидрид соединяется со слабой кислотой Бренстеда, образуется H ₂ .
• Влагопоглотители или осушающие агенты, такие как гидрид кальция, используются для удаления следов воды из органических растворителей. Когда гидрид соединяется с водой, он производит водород и гидроксидную соль. Затем сухой растворитель может быть перенесен в вакууме или перегнан из емкости для растворителя.
• Гидриды играют жизненно важную роль в технологиях аккумуляторных батарей, таких как никель-металлгидридные батареи. Различные гидриды металлов были исследованы на предмет использования в качестве хранилища водорода для электромобилей на топливных элементах и других компонентов водородной экономики.
• Гидридные комплексы действуют как катализаторы и промежуточные продукты в широком диапазоне гомогенных и гетерогенных каталитических циклов. Катализаторы для гидрирования, гидроформилирования, гидросилилирования и гидрообессеривания являются важными примерами.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Что такое гидрид?

Отвечать:

Hydrides are molecules and ions that have hydrogen covalently bonded to a less electronegative element.

Вопрос 2: Что такое четвертый тип гидрида?

Отвечать:

On the basis of structure, a fourth form of hydride, dimeric hydride, is identified. Aluminum and perhaps copper and beryllium hydrides are solid, liquid, or gaseous nonconductors. All of them are thermally unstable, and some of them explode when they come into touch with air or moisture.

Вопрос 3: Какова природа большинства гидридов неметаллов?

Отвечать:

The majority of nonmetal hydrides are volatile compounds with weak van der Waals intermolecular interactions that hold them together in condensed form. Unless their characteristics are changed by hydrogen bonding, covalent hydrides are liquids or gases with low melting and boiling points.

Вопрос 4: Как образуются солевые гидриды?

Отвечать:

When a hydrogen molecule reacts with highly electropositive s-block elements, they are formed.

Вопрос 5: Каковы некоторые свойства гидридов металлов?

Отвечать:

Metallic alloylike hydrides have some metal-like properties, such as lustre and high electrical conductivity. They do, however, have a wide range of physical properties, with some being more brittle than the metals from which they are made and others being harder. In nature, such compounds are considered intermediates between salts and alloys.