Гидрид - Hydride
В химии , А Гидрид формально является анион из водорода , H - . Термин применяется свободно. На одном полюсе, все соединения , содержащие ковалентно связанные H атомы называются гидриды: вода (Н 2 О) представляет собой гидрид кислорода , аммиака является гидрид азота и т.д. Для неорганических химиков, гидриды относятся к соединениям и ионов , в которых водород ковалентно присоединен к менее электроотрицательному элементу . В таких случаях H-центр имеет нуклеофильный характер, что контрастирует с протонным характером кислот. Гидрид-анион наблюдается очень редко.
Почти все элементы образуют бинарные соединения с водородом , за исключением He , Ne , Ar , Kr , Pm , Os , Ir , Rn , Fr и Ra . Также были созданы экзотические молекулы, такие как гидрид позитрония .
Облигации
Связи между водородом и другими элементами варьируются от сильно до ковалентных. Некоторые гидриды, например гидриды бора , не соответствуют классическим правилам подсчета электронов, и связь описывается в терминах многоцентровых связей, тогда как межузельные гидриды часто включают металлическую связь . Гидриды могут быть дискретными молекулами , олигомерами или полимерами , ионными твердыми веществами , хемосорбированными монослоями, объемными металлами (промежуточными) или другими материалами. Хотя гидриды традиционно реагируют как основания Льюиса или восстановители , некоторые гидриды металлов ведут себя как доноры атомов водорода и действуют как кислоты.
Приложения
- Гидриды , такие как боргидрид натрия , алюмогидрид лития , гидрид диизобутилалюминия (DIBAL) и супер гидрид , обычно используются в качестве восстанавливающих агентов в химическом синтезе . Гидрид присоединяется к электрофильному центру, обычно ненасыщенному углероду.
- Гидриды , такие как гидрид натрия и гидрид калия используются в качестве сильных оснований в органическом синтезе . Гидрид реагирует со слабой кислотой Бренстеда с выделением H 2 .
- Гидриды, такие как гидрид кальция , используются в качестве осушителей , то есть осушающих агентов, для удаления следов воды из органических растворителей. Гидрид реагирует с водой, образуя водород и гидроксидную соль. Затем сухой растворитель можно перегонять или переносить под вакуумом из «емкости для растворителя».
- Гидриды важны в технологиях аккумуляторных батарей, таких как никель-металлогидридные батареи . Различные гидриды металлов были исследованы для использования в качестве средств хранения водорода в электромобилях, работающих на топливных элементах, и для других целей водородной экономии .
- Гидридные комплексы являются катализаторами и каталитическими промежуточными продуктами в различных гомогенных и гетерогенных каталитических циклах. Важные примеры включают катализаторы гидрирования , гидроформилирования , гидросилилирования , гидрообессеривания . Даже некоторые ферменты, гидрогеназа , действуют через промежуточные гидриды. Никотинамид-адениндинуклеотид энергоносителя реагирует как гидрид-донор или гидридный эквивалент.
Ион гидрида
Свободные гидридные анионы существуют только в экстремальных условиях и не используются для получения гомогенного раствора. Вместо этого многие соединения имеют водородные центры гидридного характера.
Помимо электрида , ион гидрида - простейший из возможных анионов , состоящий из двух электронов и протона . Водород имеет относительно низкое сродство к электрону , 72,77 кДж / моль, и экзотермически реагирует с протонами в качестве мощного основания Льюиса .
Низкое сродство к электрону водорода и прочность связи H – H (Δ H BE = 436 кДж / моль) означает, что ион гидрида также будет сильным восстановителем.
Типы гидридов
Согласно общему определению, каждый элемент периодической таблицы (кроме некоторых благородных газов ) образует один или несколько гидридов. Эти вещества были разделены на три основных типа в зависимости от характера их связывания :
- Ионные гидриды , обладающие значительным характером ионной связи .
- Ковалентные гидриды , которые включают углеводороды и многие другие соединения, которые ковалентно связываются с атомами водорода.
- Межузельные гидриды , которые можно описать как имеющие металлическую связь .
Хотя эти подразделения не использовались повсеместно, они все же полезны для понимания различий в гидридах.
Ионные гидриды
Это стехиометрические соединения водорода. Ионные или солевые гидриды состоят из гидрида, связанного с электроположительным металлом, обычно щелочным или щелочноземельным металлом . Двухвалентные лантаноиды, такие как европий и иттербий, образуют соединения, подобные соединениям более тяжелых щелочноземельных металлов. В этих материалах гидрид рассматривается как псевдогалогенид . Гидриды солевого раствора нерастворимы в обычных растворителях, что отражает их немолекулярную структуру. Ионные гидриды используются в качестве оснований и иногда в качестве восстанавливающих реагентов в органическом синтезе .
- C 6 H 5 C (O) CH 3 + KH → C 6 H 5 C (O) CH 2 K + H 2
Типичными растворителями для таких реакций являются простые эфиры . Вода и другие протонные растворители не могут служить средой для ионных гидридов, потому что ион гидрида является более сильным основанием, чем гидроксид и большинство гидроксильных анионов. Газообразный водород выделяется в типичной кислотно-щелочной реакции.
Часто гидриды щелочных металлов реагируют с галогенидами металлов. Литийалюминийгидрид (часто сокращенно LAH) возникает в результате реакций гидрида лития с хлоридом алюминия .
- 4 LiH + AlCl 3 → LiAlH 4 + 3 LiCl
Ковалентные гидриды
Согласно некоторым определениям, ковалентные гидриды охватывают все другие соединения, содержащие водород. Некоторые определения ограничивают гидриды водородными центрами, которые формально реагируют как гидриды, т.е. являются нуклеофильными, и атомы водорода связаны с металлическими центрами. Эти гидриды образованы всеми настоящими неметаллами (кроме элементов нулевой группы) и такими элементами, как Al, Ga, Sn, Pb, Bi, Po и т. Д., Которые обычно являются металлическими по природе, то есть этот класс включает гидриды элементов p-блока. В этих веществах гидридная связь формально является ковалентной связью, очень похожей на связь протона в слабой кислоте . В эту категорию входят гидриды, которые существуют в виде дискретных молекул, полимеров или олигомеров, и водород, который был химически адсорбирован на поверхности. Особенно важным сегментом ковалентных гидридов являются комплексные гидриды металлов , мощные растворимые гидриды, обычно используемые в синтетических процедурах.
Молекулярные гидриды часто включают дополнительные лиганды; например, гидрид диизобутилалюминия (DIBAL) состоит из двух центров алюминия, соединенных мостиковыми связями гидридных лигандов. Гидриды, растворимые в обычных растворителях, широко используются в органическом синтезе. Особенно распространены борогидрид натрия (NaBH 4 ) и алюмогидрид лития и затрудненные реагенты, такие как DIBAL.
Межузельные гидриды или гидриды металлов
Межузельные гидриды обычно присутствуют в металлах или сплавах. Их традиционно называют «соединениями», хотя они не строго соответствуют определению соединения, больше напоминают обычные сплавы, такие как сталь. В таких гидридах водород может существовать как в атомарной, так и в двухатомной форме. Механическая или термическая обработка, такая как изгиб, ударная обработка или отжиг, может вызвать выпадение водорода из раствора путем дегазации. Их соединение принято считать металлическим . Такие объемные переходные металлы образуют бинарные гидриды внедрения при воздействии водорода. Эти системы обычно нестехиометрические , с переменным количеством атомов водорода в решетке. В материаловедении явление водородной хрупкости возникает в результате образования межузельных гидридов. Гидриды этого типа образуются по одному из двух основных механизмов. Первый механизм включает адсорбцию дигидрогена, за которой следует разрыв связи HH, делокализация электронов водорода и, наконец, диффузия протонов в решетку металла. Другой основной механизм включает электролитическое восстановление ионизированного водорода на поверхности металлической решетки с последующей диффузией протонов в решетку. Второй механизм отвечает за наблюдаемое временное расширение объема некоторых электродов, используемых в электролитических экспериментах.
Палладий поглощает до 900 раз больше собственного объема водорода при комнатной температуре, образуя гидрид палладия . Этот материал обсуждался как средство переноса водорода для автомобильных топливных элементов . Межузельные гидриды демонстрируют определенные перспективы как способ безопасного хранения водорода . Нейтронографические исследования показали, что атомы водорода случайным образом занимают октаэдрические промежутки в решетке металла (в решетке с ГЦК-решеткой на каждый атом металла приходится одна октаэдрическая дырка). Предел поглощения при нормальном давлении составляет PdH0,7, что указывает на то, что примерно 70% октаэдрических дырок занято.
Были разработаны многие межузельные гидриды, которые легко поглощают и выделяют водород при комнатной температуре и атмосферном давлении. Обычно они основаны на интерметаллических соединениях и сплавах твердого раствора. Однако их применение все еще ограничено, поскольку они способны хранить только около 2 весовых процентов водорода, что недостаточно для автомобильных применений.
Гидридные комплексы переходных металлов
Гидриды переходных металлов включают соединения, которые можно классифицировать как ковалентные гидриды . Некоторые даже классифицируются как межузельные гидриды и другие мостиковые гидриды. Классический гидрид переходного металла имеет одинарную связь между водородным центром и переходным металлом. Некоторые гидриды переходных металлов являются кислыми, например, HCo (CO) 4 и H 2 Fe (CO) 4 . Анионы [ReH 9 ] 2- и [FeH 6 ] 4- являются примерами из растущей коллекции известных молекулярных гомолептических гидридов металлов. Как псевдогалогениды , гидридные лиганды способны связываться с положительно поляризованными водородными центрами. Это взаимодействие, называемое дигидрогеном , похоже на водородное связывание , которое существует между положительно поляризованными протонами и электроотрицательными атомами с открытыми неподеленными парами.
Дейтериды
Гидриды, содержащие дейтерий , известны как дейтериды . Некоторые дейтериды, такие как LiD , являются важным термоядерным топливом в термоядерном оружии и полезными замедлителями в ядерных реакторах .
Смешанные анионные соединения
Существуют смешанные анионные соединения, которые содержат гидрид с другими анионами. К ним относятся гидриды боридов , углеводы , гидридонитриды , оксигидриды и другие.
Приложение по номенклатуре
Протид , дейтерид и тритид используются для описания ионов или соединений, содержащих обогащенный водород-1 , дейтерий или тритий соответственно.
В классическом значении гидрид относится к любым соединениям водорода, образуемым с другими элементами, в пределах групп 1–16 ( бинарные соединения водорода ). Ниже приводится список номенклатуры гидридных производных соединений основной группы в соответствии с этим определением:
- щелочные и щелочноземельные металлы: гидрид металла
- бор : боран , BH 3
- алюминий : алюминий , AlH 3
- галлий : галлан , GaH 3
- индий : индиган , InH 3
- таллий : таллан , TlH 3
- углерод : алканы , алкены , алкины и все углеводороды
- кремний : силан
- германий : герман
- олово : станнан
- свинец : плюмбан
- азот : аммиак («азан» при замещении ), гидразин.
- фосфор : фосфин (обратите внимание: «фосфан» - это рекомендованное ИЮПАК название)
- мышьяк : арсин (обратите внимание: «арсан» - это рекомендованное ИЮПАК название)
- сурьма : стибин (обратите внимание: «стибан» - это название, рекомендованное ИЮПАК )
- висмут : висмутин (обратите внимание: «висмутан» - это рекомендованное ИЮПАК название)
- гелий : гидрид гелия (существует только в виде иона)
Согласно вышеприведенному соглашению, следующие являются «водородными соединениями», а не «гидридами»:
- кислород : вода («оксидан» при замещении; синоним: гидрид кислорода), пероксид водорода.
- сера : сероводород ("сульфан" при замещении) синоним: гидрид серы
- селен : селенид водорода ("селан" при замещении)
- теллур : теллурид водорода ("теллан" при замещении)
- полоний : полонид водорода («полан» при замене)
- галогены : галогениды водорода
Примеры:
- никель-гидрид : используется в NiMH батареях
- гидрид палладия : электроды в экспериментах по холодному синтезу
- литийалюминийгидрид : мощный восстановитель, используемый в органической химии
- боргидрид натрия : селективный специальный восстановитель, хранение водорода в топливных элементах
- гидрид натрия : мощное основание, используемое в органической химии
- диборан : восстановитель, ракетное топливо, полупроводниковая легирующая добавка, катализатор, используемый в органическом синтезе; также боран , пентаборана и декаборана
- арсин : используется для легирования полупроводников
- Стибин : используется в полупроводниковой промышленности
- фосфин : используется для фумигации
- силан : многие промышленные применения, например, производство композиционных материалов и гидрофобизаторов.
- аммиак : охлаждающая жидкость , топливо , удобрения , многие другие промышленные применения
- сероводород : компонент природного газа , важный источник серы
- Химически даже воду и углеводороды можно рассматривать как гидриды.
Все гидриды металлоидов легко воспламеняются. Все твердые неметаллические гидриды, кроме льда , легко воспламеняются. Но когда водород соединяется с галогенами, он производит кислоты, а не гидриды, и они не горючие.
Соглашение о приоритете
Согласно соглашению IUPAC , по приоритету (стилизованная электроотрицательность) водород находится между элементами группы 15 и группы 16 . Следовательно, у нас есть NH 3 , «гидрид азота» (аммиак), по сравнению с H 2 O, «оксид водорода» (вода). Это соглашение иногда нарушается для полония, который на основании металличности полония часто называют «гидридом полония» вместо ожидаемого «полонида водорода».
Смотрите также
- Исходный гидрид
- Гидрон (катион водорода)
- Гидроний
- Протон
- Ион водорода
- Гидридный компрессор
- Супергидриды
использованная литература
Библиография
WM Mueller, JP Blackledge, GG Libowitz, Metal Hydrides , Academic Press, NY и Лондон, (1968)
внешние ссылки
- СМИ, связанные с гидридами, на Викискладе?