Гидридов свойства и противопоказания

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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