Гидридов свойства и противопоказания

Гидридов свойства и противопоказания thumbnail

Каждый из нас сталкивался с понятиями такой науки, как химия. Иногда они так похожи, что трудно отличить одно от другого. Но очень важно разбираться во всех них потому, что иногда такое непонимание приводит к очень глупым ситуациям, а иногда и к непростительным ошибкам. В этой статье мы расскажем, что такое гидриды, какие из них опасны, а какие нет, где они применяются и как получаются. Но начнём с краткого экскурса в историю.

гидриды это

История

Свою историю гидриды начинают с открытия водорода. Этот элемент ещё в 18 веке нашел Генри Кавендиш. Водород, как известно, входит в состав воды и является основой всех остальных элементов таблицы Менделеева. Благодаря ему возможно существование органических соединений и жизни на нашей планете.

Кроме того, водород является основой и для многих неорганических соединений. В их числе кислоты и щёлочи, а также уникальные бинарные соединения водорода с другими элементами – гидриды. Дата их первого синтеза точно неизвестна, но гидриды неметаллов были известны человеку ещё с древности. Самый распространенный из них – вода. Да, вода – это гидрид кислорода.

Также к этому классу относят аммиак (основной компонент нашатырного спирта), сероводород, хлороводород и им подобные соединения. Более подробно о свойствах веществ из этого многообразного и удивительного класса соединений мы поговорим в следующем разделе.

формула гидрида

Физические свойства

Гидриды – это в большинстве своём газы. Однако, если брать гидриды металлов (они неустойчивы в обычных условиях и очень быстро реагируют с водой), то это могут быть и твёрдые вещества. Некоторые из них (например, бромоводород) существуют и в жидком состоянии.

Дать общую характеристику такому огромному классу веществ просто невозможно, ведь они все различны и, в зависимости от элемента, входящего в состав гидрида, помимо водорода, имеют разные физические характеристики и химические свойства. Но их можно разделить по классам, соединения в которых чем-то схожи. Ниже рассмотрим отдельно каждый класс.

Ионные гидриды – это соединения водорода с щелочными или щёлочноземельными металлами. Они представляют собой вещества белого цвета, устойчивые при нормальных условиях. При нагревании эти соединения разлагаются на входящий в их состав металл и водород без плавления. Одно исключение – это LiH, который плавится без разложения и при сильном нагревании превращается в Li и H2.

Металлические гидриды – это соединения переходных металлов. Очень часто имеют переменный состав. Их можно представить как твёрдый раствор водорода в металле. Также имеют и кристаллическую структуру металла.

К ковалентным гидридам принадлежит как раз тот вид, что наиболее часто встречается на Земле: соединения водорода с неметаллами. Широкая область распространения этих веществ обусловлена их высокой устойчивостью, так как ковалентные связи являются самыми сильными из химических.

Как пример, формула гидрида кремния: SiH4. Если посмотреть на неё в объёме, то увидим, что водород очень плотно притянут к центральному атому кремния, а его электроны смещены к нему же. Кремний обладает достаточно большой электроотрицательностью, поэтому способен сильнее притягивать электроны к своему ядру, тем самым сокращая длину связи между ним и соседним атомом. А как известно, чем короче связь, тем она прочнее.

В следующем разделе обсудим, чем отличаются гидриды от других соединений в плане химической активности.

гидриды металлов

Химические свойства

В этом разделе также стоит поделить гидриды на те же группы, что и в прошлом. И начнём мы со свойств ионных гидридов. Их основное отличие от двух других видов в том, что они активно взаимодействуют с водой с образованием щёлочи и выделением водорода в виде газа. Реакция гидрид – вода довольно взрывоопасна, поэтому соединения чаще всего хранят без доступа влаги. Это делается потому, что вода, даже содержащаяся в воздухе, может инициировать опасное превращение.

Покажем уравнение вышеописанной реакции на примере такого вещества, как гидрид калия:

KH + H2O = KOH + H2

Как мы можем видеть, всё достаточно просто. Поэтому рассмотрим более интересные реакции, характерные для двух других видов описываемых нами веществ.

В принципе, остальные превращения, что мы не разобрали, характерны для всех типов веществ. Они склонны взаимодействовать с оксидами металлов, образуя металл, либо с водой, либо с гидроксидом (последнее характерно для щелочных и щёлочно-земельных металлов).

Ещё одна интересная реакция – термическое разложение. Оно происходит при высоких температурах и проходит до образования металла и водорода. Не будем останавливаться на этой реакции, так как уже разбирали её в предыдущих разделах.

Итак, мы рассмотрели свойства этого вида бинарных соединений. Теперь стоит поговорить об их получении.

гидрид водорода

Получение гидридов

Почти все ковалентные гидриды – это природные соединения. Они достаточно устойчивы, поэтому не распадаются под действием внешних сил. С ионными и металлическими гидридами всё чуть сложнее. Они не существуют в природе, поэтому их приходится синтезировать. Делается это очень просто: реакцией взаимодействия водорода и элемента, гидрид которого требуется получить.

Читайте также:  Рентгенологический метод исследования показания противопоказания

Применение

Некоторые гидриды не имеют конкретного применения, но большинство – очень важные для промышленности вещества. Мы не будем вдаваться в подробности, ведь каждый слышал, что, например, аммиак применяется во многих сферах и служит незаменимым веществом для получения искусственных аминокислот и органических соединений. Применение многих гидридов ограничено особенностями их химических свойств. Поэтому их используют исключительно в лабораторных экспериментах.

Применение – слишком обширный раздел для этого класса веществ, поэтому мы ограничились общими фактами. В следующей части расскажем вам, как многие из нас, не имея должных знаний, путают безобидные (или по крайней мере известные) вещества между собой.

гидрид калия

Некоторые заблуждения

Например, некоторые считают, что гидрид водорода – нечто опасное. Если и можно так называть это вещество, то никто так не делает. Если вдуматься, то гидрид водорода – это соединение водорода с водородом, а значит – молекула H2. Конечно, этот газ опасен, но только в смеси с кислородом. В чистом виде он не представляет опасности.

Существует много непонятных названий. Непривычного человека они повергают в ужас. Однако, как показывает практика, большинство из них неопасно и применяется в бытовых целях.

гидрид вода

Заключение

Мир химии огромен, и, мы думаем, что если не после этой, то после нескольких других статей вы сами в этом убедитесь. Именно поэтому имеет смысл погружаться в его изучение с головой. Человечество открыло много нового, и ещё больше остаётся неизвестным. И если вам кажется, что в области гидридов нет ничего интересного, вы сильно заблуждаетесь.

Источник

Типы и классификация

Вещества, созданные водородом с металлами и неметаллами многобразны. В зависимости от характера полученного соединения, выделяют:

  • Простые гидриды — бинарные, в них только 2 элемента, они встречаются чаще всего.
  • Со многими переходными металлами (элементы р-подгруппы) водород образует ко́мплексные соединения. Ко́мплексные гидриды металлов (к примеру, боро- или алюмогидриды) вместо атома водорода, имеют алюмогруппу (AlH4) или борогруппу (BH4). Из них натрийборогидрид Na (BH4) и литийалюмогидрид Li (AlH4), будучи сильными восстановителями, нашли применение в лабораторной практике. Кроме этого, Na (BH4) используют для отбеливания бумаги.
  • И также есть гидриды интерметаллидов (пример: TiAl или Ti3Al, алюминид титана), в кристаллических решётках которых водород просто растворяется, аккумулируется.

У разных химических элементов строение атомов и молекул отличается. Соответственно, связи в образованных гидридах тоже неодинаковы. Классификация по виду связи определяет полученные вещества, как:

  • металлоподобные;
  • ионные (солеобразные);
  • ковалентные.

Бинарные соединения самые распространённые, есть у всех элементов. Исключения здесь металлы платиновой группы (платиноиды), Au, Ag, Hg, Ti, Cd, In, а также благородные газы. Между этими веществами нет чётко выраженных границ, деление по характеру связи для них немного условно.

К металлическим принадлежат соединения водорода с переходными металлами и редкоземельными элементами. Это, скорее, раствор неметалла в металле, с внедрением атомов в кристаллическую решётку. Характерно для них следующее:

  • В основном такие гидриды являются бертоллидами, состав их зависит от способа получения, непостоянен, законам постоянных и кратных отношений не подчиняется.
  • В формулах для них указывают предельное содержание водорода.
  • В отличие от прочих, они сохраняют исходную металлическую решётку.
  • Их вид и физические свойства соответствуют металлам, с которыми они образованы.
  • Имеют характе́рный металлический блеск, взаимодействуют с H2O (в жидком или газообразном состоянии), кислородом, при нормальных условиях, но медленно.
  • Как и металлы, обладают значительной теплопроводностью и проводимостью.
  • При нагревании распадаются на водород и исходный металл.

Образуются в процессе адсорбции водорода на металлической поверхности, диссоциации H2 и диффузного проникновения атомов в металлическую решётку. Поглощение обратимо, но химические связи весьма крепкие.

От металлоподобных, через гидриды меди (CuH, водородистая медь), цинка, ZnH2, водородистый цинк и им подобных, осуществляется переход к полимерам.

Это химические вещества со сложной структурой, в которой присутствуют цепи и полиэдры. Твёрдые, устойчивые, с кристаллическим строением (полимерные гидриды лёгких металлов стабильнее всего), данные соединения распадаются при нагреве на составляющие элементы.

От них, через гидриды бора и галлия — к водородным соединениям с неметаллами. В них водород имеет степень окисления +1.

Соединения с ионным типом связи

Их образует водород с металлами 1А и 2А групп, кроме Mg, а также с Al. Они отчасти показывают свойства соответствующих галогенидов, откуда и появилось второе наименование — солеобразные.

Это химические соединения, такие как гидрид натрия (NaH), кальция (CaH2), лития, с формулой LiH, другие. Для них характерно:

  • Получают при высокой температуре и под давлением.
  • В этих соединениях, проявляющих, как правило, щелочные свойства, у водорода степень окисления -1. С металлами 1А и 2А групп, такими, как Na, Li, Be, K, Rb, Sr он выступает окислителем, подобно галогенам. Например, гидрид натрия, с химической формулой NaH — в этом соединении ион водорода имеет отрицательный заряд.
  • Это кристаллические вещества белого цвета, с ионной решёткой, структура подобна строению соответствующего галогенида.
  • При нормальных условиях устойчивы.
  • Распад на металл и водород при нагреве, минуя этап плавления (исключением является LiH, его температура плавления 688 градусов Цельсия).
  • В расплаве — хорошие проводники, при этом на аноде будет выделяться H2.
  • Вспыхивают при растирании на воздухе.
  • Все являются сильными восстановителями. Применяются для получения чистых металлов из солей и оксидов, для удаления окалины, коррозии.
  • Реагируют с оксидом углерода, формируют соли муравьиной кислоты (формиаты).
  • Как и соли, могут участвовать в обменных реакциях, гидролизе.
Читайте также:  Показания и противопоказания гепарина

Солеобразными бывают не только бинарные (простые) соединения водорода. Дигидриды, образуемые добавлением групп бора (BH4) или алюминия (AlH4) к металлу, также имеют ионный тип связи.

Окислительная активность водорода небольшая по сравнению с галогенами. Дополнительный электрон он отдаёт с трудом, при нагреве (реакция проходит с поглощением тепла). Это и обусловливает различие между свойствами ионных гидридов и галогенидов.

По химической природе такие соединения ведут себя как основные. Ионные гидриды обладают высокой химической активностью. Они бурно реагируют с кислородом и H2O в парообразном состоянии.

Но выраженный ионный характер — свойство, проявляемое соединениями кальция, натрия, щелочных и щёлочноземельных элементов. На них проще всего и нагляднее можно показать химию взаимодействий этих веществ:

  • С водой: 2NaH + H2O = 2NaOH + H2O.
  • С кислородом: NaH + O2 = NaO + H2O.
  • Реакция разложения: CaH2 = Ca + H2.
  • С оксидами углерода: NaH + CO2 = NaCOOH.
  • Кремния: 4NaH + 3SiO2 = 2Na2SiO3 + Si + 2H2.
  • Металлов: 4NaH + Fe3O4 = 4NaOH + 3Fe.
  • Восстановление: 2NaH + 2SO2 = Na2SO4 + H2S.
  • С аммиаком: NaH + NH3 = NaNH2 + H2.
  • С кислотами: 2NaH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2.
  • Со спиртами: KH + HO-R = KOR + H2.

По свойствам и природе связи промежуточное положение между ионными и ковалентными занимает гидрид магния, с формулой MgH2.

Соли и оксиды калия, кальция, меди и других щелочных и щёлочноземельных металлов образуют с гидридом кислорода (водой) ещё один вид соединений — дигидраты. Это соли серной кислоты (сульфаты), галогениды, оксиды плюс 2 присоединённых молекулы H2O. Формула алебастра — Ca5O4 плюс 2H2O, гипс — CaSO4 плюс 2H2O, в природе они не редкость.

Гидросульфид натрия, NaHS, образует не только дигидрат, NaHS плюс 2H2O, но и тригидрат, с присоединением 3H2O.

Когда связь ковалентна

Это соединения, в которых степень окисления водорода +1, как правило, газы, летучие жидкости. Их водород даёт с неметаллами, а также с германием, алюминием, бериллием, оловом, мышьяком, сурьмой — элементами 4, 5, 6 и 7 групп периодической системы. И также ковалентную связь имеют соединения водорода и бора.

Это могут быть вещества простые, бинарные, такие как метан (CH4), силан (формула SiH4). Сложные тоже имеются, с длинными цепями, многоатомные молекулы — они образуются водородом с кремнием, бором, германием.

Многие из них неустойчивы, так гидрид олова (SnH4) распадается уже при комнатной температуре, а гидрид свинца недолго существует и при отрицательных температурах. Самый простой гидрид бора не существует в природных условиях вообще.

Отличительные свойства:

  • Все сильные восстановители, степень окисления водорода +1.
  • Проявляют кислотные, а также амфотерные свойства.
  • Агрегатное состояние — газ или летучая жидкость, исключения тут гидрид кислорода (вода), азота, фтороводород (плавиковая кислота), те, в которых молекулы полярны и возникает водородная связь. Последние существуют, как нелетучая жидкость или в твёрдом состоянии.
  • Электронодефицитные виды, получаемые с элементами главной подгруппы 3 группы, например, гидрид алюминия AlH3 или бериллия, химическая формула BeH2, очень активны и образуют многоатомные, длинные полимерные цепи, с больши́м весом. Такие полимеры — твёрдые вещества.
  • При нагреве легко и практически необратимо, разлагаются на элемент и водород H2. Требуется температура от 100 до 300 градусов по Цельсию (для гидрида серы H2S — порядка 400 градусов).
  • Чаще всего они имеют высокую токсичность.
  • Характерна высокая химическая активность, реакционная способность.
  • Получить можно непосредственным взаимодействием элементов, разложением металлических соединений водой, кислотой, восстановлением галогенидов гидридами бора, алюминия, щелочных металлов.
  • Высшие гидриды германия, кремния, с общей химической формулой EnH2n+2 — это полимеры, их стабильность тем ниже, чем больше атомный вес и количество атомов элемента.
  • Принадлежащие к s-подгруппе хорошо растворяются в воде и проявляют кислотные свойства. Прочие — в незначительной мере, свойства у них основные. Все хорошо растворимы в неполярных органических растворителях.
  • При взаимодействии с водой (H2O), выделяется чистый водород (H2) и оксид, с общей химической формулой EO2.
Читайте также:  Противопоказание оциллококцинум для беременных

Тяжёлые элементы дают соединения с небольшой устойчивостью.

За счёт водородных связей и способности к донорно-акцепторному взаимодействию, вода (H2O), плавиковая кислота (HF), аммиака (NH3), а частично HCl и H2S, хорошие растворители.

Химические вещества, образованные двумя или более металлов, такие как FeTi, Ca2Ru, Mg2Ni — это интерметаллические соединения. Они хорошо поглощают водород и соединяясь с ним дают гидриды-интерметаллиды.

Содержат атомы железа, магния, меди, кальция, титана, алюминия, редкоземельные элементы. Их легко получить даже с H2 нехимическим (для технических нужд, до 2% примесей). Применяют для хранения водорода и аккумуляторных батарей.

У гидридов много областей применения. Особенно широко используют NaH. С его помощью удаляют термическую окалину с металлов, производят добавки, повышающие октановое число бензина, катализаторы полимеризации. Он необходим при производстве красителей, моющих средств, в качестве мощного восстановителя применяется в металлургии.

В органической химии комплексные водородные соединения применяют уже более 50 лет, для получения особо чистых химических элементов. В химии алкалоидов также широко используют комплексные гидриды металлов. Без них не обходится производство металлокерамики, дегазаторов, многих фармакологических средств.

Азот с водородом образует аммиак, кислород — воду, сера даёт сероводород, в природе постоянно идёт синтез подобных веществ. С миром химии человек пересекается постоянно. Поэтому знания о наиболее распространёных веществах принесут пользу каждому.

Источник

Атомы водорода способны, хоть и с трудом, не только отдавать, но и присоединять электрон:

$H^0 + bar{e} rightarrow H^-$

При этом ион $H^-$ приобретает конфигурацию благородного газа, гелия: $1s^2$. В виде таких ионов водород находится в соединениях с металлами, гидридах.

Различают несколько типов гидридов, в соответствии с характером связи: ионные, металлические и ковалентные.

Водород способен напрямую взаимодействовать со многими активными металлами (IA и IIA групп) при повышенных температурах и давлении. В реакциях с металлами водород проявляет окислительную активность:

$ 2Li + H_2 = 2 LiH $

$H_2^0 +2 bar{e} rightarrow 2H^-$

$Li^0 – bar{e} rightarrow Li^+$

$ Ca + H_2 = CaH_2 $

$H_2^0 +2 bar{e} rightarrow 2H^-$

$Ca^0 -2 bar{e} rightarrow Ca^{+2}$

ИОННЫЕ ГИДРИДЫ

Физические свойства

По внешнему виду и многих физическим свойствам гидриды похожи на соответствующие галогениды: гидрид натрия $NaH$ – белое кристаллическое вещество, напоминающие хлорид натрия. Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов имеют ионное строение.

ХимИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Однако химические свойства $NaH$ и $NaCl$ сильно различаются. В частности, хлорид натрия хорошо растворим в воде и диссоциирует с образованием ионов $Na^+$ и $Cl^-$. Гидрид натрия реагирует с водой с образованием щелочи и газообразного водорода:

$2NaH + H_2O = 2NaOH + H_2uparrow $

$2H^- -2 bar{e} rightarrow H_2^0$

$2H^+ +2 bar{e} rightarrow H_2^0$

При растирании на воздухе ионные гидриды воспламеняются:

$CaH_2 + O_2 = CaO + H_2O$

Кроме того, в отличие от галогенидов, гидриды металлов разлагаются при нагревании еще до достижения своей температуры плавления: 

$CaH_2 = Ca + H_2uparrow$

Гидриды щелочных и щелочноземельных металлов являются сильными восстановителями, однако их использование в лабораторной практике затруднено, поскольку они легко взаимодействуют с кислородом и парами воды в воздухе.

Ковалентные гидриды

Такие гидриды состоят из молекул или имеют полимерное строение.

Молекулярное строение имеют гидриды неметаллов, такие как, например, $HCl, H_2S, NH_3, CH_4$. Свойства этих соединений определяются во многом характером элемента неметалла, и рассмотрены в соответствующих темах конспекта.

Полимерное строение имеют гидриды бериллия, магния, алюминия, цинка и некоторых других металлов. Ионы металла, чередуясь с гидрид-ионами, объединены в цепочки и слои (например, $Al-H-Al$)

Многие полимерные гидриды тоже чувствительны к влаге, но, в отличие от ионных гидридов, получить их прямым синтезом из простых элементов нельзя.

Металлические гидриды

Переходные d- и f-элементы образуют металлические гидриды. Многие переходные металлы и их сплавы способны обратимо поглощать большое количество водорода, который диссоциирует на атомы и занимает пустоты в кристаллической решетке металла.

По своим физическим свойствам (электропроводности, теплопроводности, магнитным и механическим свойствам) они напоминают металлы. Химическая связь в них необычайно прочная.

Комплексные гидриды

Комплексные гидриды образуют p-элементы, такие как, например, алюминий и бор. Среди них наибольшее значение имеют литийалюмогидрид $Li[AlH_4]$ и натрийборгидрид $Na[BH_4]$. Оба соединения используются в лабораторной практике как сильные восстановители.

Натрийборгидрид $Na[BH_4]$ – это ионное соединение, плавящееся без разложения при 505$^circ C$. Его применяют в целлюлозно-бумажном производстве для отбеливания бумажной массы благодаря тому, что при взаимодействии с сернистым газом в щелочной среде образуется сильный отбеливающий агент – дитионит натрия $Na_2S_2O_4$:

$Na[BH_4] + 8NaOH + 8SO_2 = 4Na_2S_2O_4 + NaBO_2 + 6H_2O$

Щелочные тетрагидробораты используются для нанесения металлических покрытий и создания контактов в электронных приборах.

В качестве мягкого восстанавливающего агента $Na[BH_4]$ используют для синтеза наночастиц благородных металлов:

$2AgNO_3 + 2NaBH_4 + 6H_2O = 2NaNO_3 + 2B(OH)_3 +7H_2 + 2Ag^0$

Источник