Летучие водородные соединения металлов

Обновлено: 18.05.2024

«Би»- означает два. Бинарные соединения состоят из атомов двух ХЭ.

Оксиды.

Бинарные соединения, состоящие из двух ХЭ, один из которых кислород в степени окисления - 2 («минус» два) называются оксидами.

Оксиды —очень распространённый тип соединений, содержащихся в земной коре и во Вселенной.

Названия оксидов образуются по схеме:

Название оксида = "оксид" + название элемента в родительном падеже + (степень окисления- римская цифра), если переменная, если постоянная , то не ставим.

Примеры оксидов. У некоторых есть тривиальное (историческое)название.

1. H₂O - оксид водорода вода

CO₂ - оксид углерода (IV) углекислый газ ( диоксид углерода)

CO –оксид углерода(II) угарный газ (монооксид углерода)

Na₂O — оксид натрия

Al₂O₃ — оксид алюминия глинозём

CuO — оксид меди(II)

FeO — оксид железа(II)

Fe₂О₃ — оксид железа(III) гематит (красный железняк)

SO₂ — оксид серы (IV) сернистый газ

CaO — оксид кальция негашёная известь

SiO₂ — оксид кремния песок (кремнезём)

MnO — оксид марганца(II)

N2O— оксид азота (I) «веселящий газ»

NO— оксид азота (II)

N2O3— оксид азота (III)

NO2— оксид азота (IV) «лисий хвост»

N2O5— оксид азота (V)

Индексы в формуле расставляем с учётом степени окисления ХЭ:

Записать оксиды, расставить степени окисления ХЭ. Уметь по названию составлять формулу оксида.

Другие бинарные соединения.

Летучие водородные соединения.

В ПС внизу есть горизонтальная строка "Летучие водородные соединения".
Там перечислены формулы: RH4 RH3 RH2 RH
Каждая формула относится к своей группе.

Например, написать формулу летучего водородного соединения N(азот).

Находим его в ПС и смотрим, какая формула записана под V группой.

Там RH3. Вместо R подставляем элемент азот, получается аммиак NH3.

Так как до «8» азоту нужно 3 электрона он оттягивает их у трёх водородов степень окисления у азота -3 , а у водорода +

SiH4 – силан бесцветный газ с неприятным запахом
PH3 – фосфин ядовитый газ с запахом гнилой рыбы

AsH₃ – арсин ядовитый газ с чесночным запахом
H2S - сероводород ядовитый газ с запахом тухлых яиц
HCl – хлороводород газ с резким запахом, дымящий в воздухе, его раствор в воде называют соляной кислотой. В малых концентрациях содержится в желудочном соке.

NH3 аммиак газ с резким раздражающим запахом.

Его раствор в воде называется нашатырным спиртом.

Гидриды металлов.

Дома : параграф 19 , упр. 3,4 письменно. Формулы, как они образуются, названия бинарных соединений из конспекта знать.

Водород: химия водорода и его соединений

Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация водорода в основном состоянии :

+1H 1s 1 1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Физические свойства

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

вода H₂O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr)

кислые соли (NaHCO₃ и др.)

основания NaOH, Cu(OH)₂

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов :

2Na + H₂ → 2NaH

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

1.3. Водород не реагирует с кремнием .

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом .

1.6. Водород горит , взаимодействует с кислородом со взрывом:

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов . Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.

Например , водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и воды:

ZnO + H₂ → Zn + H₂O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H₂ → Cu + H₂O

Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов .

Например , водород взаимодействует с оксидом азота (I):

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
получение твердых жиров (гидрогенизация).

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеН_х. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

Например , при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Химические свойства

1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой .

Например , гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:

NaH + H₂O → NaOH + H₂

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

Например , гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:

NaH + HCl → NaCl + H₂

3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

Например , гидрид натрия окисляется кислородом:

2NaH + O₂ = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором :

NaH + Cl₂ = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например , фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Или при кислотном гидролизе, например , фосфида магния в соляной кислоте:

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например , фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами .

Например , фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH₃ – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например , азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например , хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH₃ + 2PCl₃ → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
H₂S + NaOH → NaНS + H₂O

2. Сероводород H₂S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H₂S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H₂S + Br₂ → 2HBr + S↓

H₂S + Cl₂ → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H₂S + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Молекулы воды связаны водородными связями: nH₂O = (Н₂O)_n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H₂S, H₂Se и Н₂Те.

1. Вода реагирует с металлами и неметаллами .

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

с магнием реагирует при кипячении:

алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н , реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:

металлы, расположенные в ряду активности от после Н , не реагируют с водой:

Ag + Н₂O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов , образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO₂):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

Например , сульфид алюминия разлагается водой:

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов , которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например , фосфид кальция разлагается водой:

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например , фосфид хлора (V) разлагается водой:

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Водородные соединения: гидриды и их свойства

H2 - это элемент IА-группы, порядковый № 1. Заряд атомного ядра +1, потому что в ядре 1 протон. Вокруг ядра вращается всего 1 электрон. До завершения уровня атому не хватает 1 электрона. Завершать энергетический уровень атом водорода может различными способами: образовывать летучие водородные соединения и гидриды.

Способы завершения энергетического уровня

Водород — один из немногих химических элементов, который может иметь как положительную, так и отрицательную степень окисления в соединениях. Как, например, бром ( NaBr -1 , Br +1 2O ) и хлор ( NaCl -1 , HClO3 +5 ):

Может принимать на внешний уровень один недостающий электрон – атом водорода превращается в ион, заряженный отрицательно. Такая реакция происходит при взаимодействии с металлами, которые в соединениях проявляют только положительную степень окисления. Степень окисления водорода будет равна -1, так как заряд отрицательный. Металлы с H2 создают соединения, которые называются гидридами. Способствует их образованию H2 с самыми активными металлами: щелочными и щелочноземельными. Например: NaH (гидрид натрия), CaH2 (гидрид кальция), LiH (гидрид лития), CuH (гидрид меди).
Может отдавать один электрон со своего внешнего энергетического уровня — остается только ядро атома водорода, состоящее из протона. Таким образом, H2 образует химические соединения с неметаллами, которые при этом будут проявлять только отрицательную степень окисления. В соединениях с водородом степень окисления неметалла будет низшая. В этом случае водород становится частицей с положительным зарядом иона или степенью окисления +1. Соединения H2 с неметаллами называют летучие водородные соединения. Например: HCl (соляная кислота/хлороводород), NH3 (водородное соединение азота — аммиак), NH4OH (нашатырный спирт), NaHS (гидросульфид натрия).

Помимо способов завершения энергетического уровня, существует классификация гидридов, в соответствии с их характером связи. Они подразделяются на 3 большие группы.

Типы гидридов

Стоит рассмотреть основные группы, поскольку побочные группы (полимерные, интерметаллические и комплексные) являются подвидами основных, а также имеют схожие с ними физические и химические свойства.

Ионные гидриды

Ионные (солеобразные) — соединения H2 с металлами IA и IIA (кроме магния), а также с алюминием. Их главное отличие от двух других видов в том, что они активно реагируют с H2O с образованием щёлочи и выделением H2 в виде газа. Самым ярким представителем ионных гидридов является гидрид натрия.

Физические свойства: белые твёрдые вещества с кристаллической решёткой, содержащей катион (плюс) металла и гидрид-анион (минус) Н–. Проводят электрический ток. Устойчивы при нормальных условиях (н.у.).

Как и любое вещество (химический элемент, простое вещество или химическое соединение), ионные гидриды обладают свойствами. Они проявляются в процессе реакции и влияют на неё. Химические свойства:

Разлагаются при нагревании еще до достижения своей температуры плавления: CaH2 = Ca + H2↑.
При растирании на воздухе воспламеняются: CaH2 + O2 = CaO + H2O.
Реагирует с водой с образованием щелочи и выделением водорода: 2NaH + H2O = 2NaOH + H2↑.
Являются сильными восстановителями (при t 700-800°С восстанавливают оксиды до металлов), но их использование в лаборатории осложнено, поскольку они с легкостью реагируют с кислородом и влагой воздуха.

Применение: для получения металлов из их оксидов, удаления окалины с поверхности металлических изделий, как ракетное топливо.

Получение: при взаимодействии металлов с водородом при t 200-600°С:

H2 + 2Na = (300°C) 2NaH;
H2 + Ca = (600°C) CaH2.

Ковалентные соединения

Ковалентные — гидриды, образованные неметаллами IV, V, VI и VII групп, а также бором. Например, гидрид углерода/метан CH4, силан SiH4, гидрид серы/сероводород H2S.

Физические свойства: газообразные, легко воспламеняются на воздухе.

Ковалентные гидриды во многом отличаются от ионных и металлических. Если последние обладают химическими свойствами, схожими с металлами, то свойства ковалентных следует рассмотреть подробнее. Химические свойства:

При высоких температурах разлагаются практически необратимо: H2S = (около 400°С) S + H2.
Сильные восстановители.
Высокая токсичность.
B2H6 и SiH4 разлагаются водой с выделением водорода: B2H6 + 6H2O → 2H3BO3 + 6H2.
Гидриды элементов V-VII групп не разлагаются водой.

Применение: для получения полупроводниковых пленочных покрытий, защитных покрытий на поверхности металлов.

Получение: термическое разложение, восстановление галогенидов.

Существуют многочисленные производные ковалентных гидридов, в которых часть атомов H2 замещена атомами галогенов или металлов.

Магний по своим свойствам и химической связи располагается между ионными и ковалентными гидридами. С водой и водными растворами MgH2 реагирует с выделением H2, но не так энергично, как ионные гидриды.

Соединения железа с водородом крайней неустойчивы и в чистом виде не обнаружены. Формула неустойчивого гидрида железа выглядит так: C5H5Fe.

Металлические соединения

Металлические — соединения переходных металлов. Фактически они являются твёрдым раствором H2 в металле, атомы водорода помещаются в кристаллическую решётку металла. Их образованию всегда способствует адсорбция водорода на поверхности металла.

Физические свойства: представляют собой кристаллические вещества с металлическим блеском. Обладают интенсивной окраской, проявляют металлические или полупроводниковые свойства. Устойчивы на воздухе. С кислородом и водой реагируют медленно. Магнитными, механическими, тепло- и электропроводными свойствами схожи с металлами.

Химическая связь очень прочная.

Применение: применяются в качестве источников водорода особой чистоты (который используется в топливных элементах), также для удаления водорода из газовых смесей.

Получение: реакция металла с водородом при обычной температуре или при нагревании: Ti + H2 = (150-200°С) TiH2.

При взаимодействии H2 с интерметаллическими соединениями, такими как TiFe, LaNi5, можно получить гидриды интерметаллидов TiFeH2, LaNi5H6, которые с высокой скоростью обратимо поглощают водород при атмосферном давлении.

В прикрепленных таблицах указано содержание водорода, температура разложения, плотность и пр., что поможет в более глубоком понимании физических свойств водорода разных типов гидридов.

Особенности водородных соединений

Как и в любом разделе химии, водородные соединения имеют свои исключения. В их числе He, Ne, Ar, Kr, Pm, Os, Ir, Rn, Fr и Ra. Они не образуют бинарные соединения с водородом.

Информация, изложенная выше доказывает то, что химия интереснейший и увлекательный предмет, который стоит потраченного внимания и времени.

Летучие соединения с водородом: подборка примеров формул и веществ

Водородные соединения – вещества, состоящие из водорода и какого-либо другого химического элемента. Их можно классифицировать на две группы:

солеобразные гидриды – молекулы щелочных и щелочно-земельных металлов, а также алюминия (водород в молекуле проявляет степень окисления -1);
летучие водородные соединения – молекулы водорода и неметалла (водород в соединениях проявляет степень окисления +1).

Например, натрий не образует летучие водородные соединения. В гидриде натрия NaH атом водорода проявляет степень окисления -1, поэтому молекула относится к группе солеобразных гидридов.

Физические свойства

Все летучие соединения, кроме воды, существуют только в состоянии газов. Они обычно выступают в роли сильных восстановителей. Проявляют основные, кислотные и основные свойства. Связь между водородом и неметаллом близка к ковалентной.

Летучие водородные соединения галогенов хорошо растворимы в воде. В водных растворах они ведут себя как кислоты. Восстановительные свойства по мере увеличения порядкового номера элемента усиливают, а окислительные свойства – уменьшаются. Кислотность увеличивается сверху вниз по группе из-за уменьшения прочности связи элемент-водород.

Способы получения некоторых соединений

Летучие водородные соединения образуют такие элементы как азот N, фосфор Р, сера S и другие. В ним относятся аммиак NH₃, фосфин РН₃, сероводород H₂S и др. Существует несколько способов получения летучих соединений.

Лабораторные способы

Хлорид аммония+щелочь→аммиак+хлорид натрия+вода
- NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃ + H₂O
- Для проведения реакции смесь соли щелочи необходимо растолочь в ступке и нагреть. Образовавшийся аммиак накапливают в пробирке. Т. к. аммиак легче воздуха, пробирку необходимо держать вверх дном. Лакмус при действии аммиака синеет.
Нитрид кальция+вода→аммиак+гидроксид кальция
- Ca₃N₂ + 6H₂O → 3Ca(OH)₂ + 2NH₃
Фосфид кальция+вода→гидроксид кальция+фосфин
- Ca₃P₂ + 6H₂O→3Ca(OH)₂ + 2PH₃
Фосфид магния+соляная кислота→хлорид магния+фосфин
- Mg3P₂ + 6HCl→3MgCl₂ + 2PH₃
Сульфид железа (II)+соляная кислота→хлорид железа (II)+сероводород
- FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S
Сера+водород→сероводород
- S + H₂ → H₂S

Промышленные способы аммиака

Реакция проходит при повышении температуры до 500-550˚С, в присутствии катализатора и изменении давления до 15-30 МПа. В роли катализатора может выступать губчатое железо с примесями оксидов алюминия, калия, кальция, кремния.

Летучие водородные соединения в природе

Летучие соединения с водородом постоянно окружают нас и активно используются человеком. Они могут находиться в растворенном виде в почвенных водах, в живых организмах. В результате биохимических и геохимических процессов образуются летучие водородные газы. Таким образом, без летучих водородных соединений невозможно представить жизнь на нашей планете.

Читайте также: