Соединение водорода с металлами

Обновлено: 18.05.2024

Системы водород — металл часто являются прототипами при изучении ряда фундаментальных физических свойств. Предельная простота электронных свойств и малая массы атомов водорода позволяют анализировать явления на микроскопическом уровне. Рассматриваются следующие задачи:

• Перестройка электронной плотности вблизи протона в сплаве с малыми концентрациями водорода вкючая сильное электрон-ионное взаимодействие
• Определение косвенного взаимодействия в металлической матрице через возмущение «электронной жидкости» и деформацию кристаллической решётки.
• При больших концентрациях водорода возникает проблема формирования металлического состояния в сплавах с нестехиометрическим составом.

Сплавы водород — металл

Водород, локализованный в междоузлиях металлической матрицы слабо искажает кристаллическую решётку. С точки зрения статистической физики реализуется модель взаимодействующего «решёточного газа». Особый интерес представляет исследование термодинамических и кинетических свойств вблизи точек фазового перехода. При низкихтемпературах образуется квантовая подсистема с большой энергией нулевых колебаний и с большой амплитудой смещения. Это позволяет изучать квантовые эффекты при фазовых превращениях. Большая подвижность атомов водорода в металле делает возможным изучение процессов диффузии. Другим направлением исследований являются физика и физхимия поверхностных явлений взаимодействия водорода с металлами: распад молекулы водорода и адсорбция на поверхности атомарного водорода. Особый интерес представляет случай, когда начальное состояние водорода является атомарным, а конечное — молекулярным. Это важно при создании метастабильных металл-водородных систем.

Применение систем водород — металл

• Очистка водорода и водородные фильтры
• Использование металлогидридов в ядерных реакторах в качестве замедлителей, отражателей и т. д.
• Разделение изотопов
• Термоядерные реакторы — извлечение трития из лития
• Устройства для диссоциации воды для топливных элементов и батарей
• Аккумуляция водорода для автомобильных двигателей на базе металлогидридов
• Тепловые насосы на базе металлогидридов, включая кондиционеры для автотранспорта и жилища
• Преобразователи энергии для тепловых электростанций

Интерметаллические металлогидриды

Гидриды интерметаллических соединений нашли широкое применение в промышленности. Основная часть перезаряжаемых батарей и аккумуляторов, например, для сотовых телефонов, переносных компьютеров (ноутбуков), фото- и видеокамер содержит электрод из металлогидрида. Такие аккумуляторы являются экологически чистыми, так как не содержат кадмия.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Металлические гидриды" в других словарях:

Гидриды — соединения водорода с металлами и с имеющими меньшую электроотрицательность, чем водород, неметаллами. Иногда к гидридам причисляют соединения всех элементов с водородом[1],[2]. Классификация В зависимости от характера связи водорода различают… … Википедия

ГИДРИДЫ — соединения водорода с металлами или менее электроотрицательными, чем водород, неметаллами. Иногда к Г. относят соед. всех хим. элементов с водородом. Различают простые, или бинарные, Г., комплексные (см., напр., Алюмогидриды, Борогидриды металлов … Химическая энциклопедия

Гидриды — соединения водорода с другими элементами. В зависимости от характера связи водорода различают три типа Г.: ионные, металлические и ковалентные. К ионным (солеобразным) Г. относятся Г. щелочных и щёлочноземельных металлов. Это… … Большая советская энциклопедия

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ — (металлиды), обладают металлич. св вами, в частности электрич. проводимостью, что обусловлено металлич. характером хим. связи. К М. с. относятся соед. металлов друг с другом интер металлиды и мн. соед. металлов (в осн. переходных) с неметаллами.… … Химическая энциклопедия

Бороводороды — гидриды бора, бораны, соединения бора с водородом. Известны Б., содержащие от 2 до 20 атомов бора в молекуле. Простейший Б., BH3, в свободном состоянии не существует, он известен лишь в виде комплексов с аминами, эфирами и т.п. Характер… … Большая советская энциклопедия

Металлы — простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными свойствами: высокой электропроводностью и теплопроводностью, отрицательным температурным коэффициентом электропроводности, способностью хорошо отражать электромагнитные волны… … Большая советская энциклопедия

АЗОТА ФОСФОРА СЕМЕЙСТВО — ПОДГРУППА VA. СЕМЕЙСТВО АЗОТА ФОСФОРА Тенденция изменения свойств от неметаллических до металлических, которая выявлена в подгруппах IIIA и IVA, характерна и для этой подгруппы. Переход к металличности (хотя и нерезкий) начинается с мышьяка, у… … Энциклопедия Кольера

ИНТЕРМЕТАЛЛИДЫ — (от лат. inter между и металл) (интерметаллич. соединения), хим. соед. двух или неск. металлов между собой. Относятся к металлическим соединениям, или металлидам. И. образуются в результате взаимод. компонентов при сплавлении, конденсации из пара … Химическая энциклопедия

МЕТАЛЛЫ — (от греч. metallon первоначально, шахта, копи), в ва, обладающие в обычных условиях характерными, металлическими, свойствами высокими электрич. проводимостью и теплопроводностью, отрицат. температурным коэф. электрич. проводимости, способностью… … Химическая энциклопедия

Металл — (Metal) Определение металла, физические и химические свойства металлов Определение металла, физические и химические свойства металлов, применение металлов Содержание Содержание Определение Нахождение в природе Свойства Характерные свойства… … Энциклопедия инвестора

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 ):

1. 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).
2. 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:

1. Разлагаются при нагревании еще до достижения своей температуры плавления: CaH2 = Ca + H2↑.
2. При растирании на воздухе воспламеняются: CaH2 + O2 = CaO + H2O.
3. Реагирует с водой с образованием щелочи и выделением водорода: 2NaH + H2O = 2NaOH + H2↑.
4. 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:

1. При высоких температурах разлагаются практически необратимо: H2S = (около 400°С) S + H2.
2. Сильные восстановители.
3. Высокая токсичность.
4. B2H6 и SiH4 разлагаются водой с выделением водорода: B2H6 + 6H2O → 2H3BO3 + 6H2.
5. 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.

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.).

Гидриды

соединения водорода с другими элементами. В зависимости от характера связи водорода различают три типа Г.: ионные, металлические и ковалентные.

К ионным (солеобразным) Г. относятся Г. щелочных и щёлочноземельных металлов. Это белые кристаллические вещества, устойчивые в обычных условиях и лишь при нагревании разлагающиеся без плавления на металл и водород (кроме LiH, плавящегося при 680°С). Водой энергично разлагаются с выделением водорода. Получаются при взаимодействии металлов с водородом при 200—600°С. LiH и NaH применяются в органическом синтезе как восстановители и конденсирующие агенты. CaH₂ — для высушивания и определения воды в органических растворителях, при получении порошков металлов из окислов, а также водорода. Раствором NaH в расплавленной щёлочи снимают окалину с металлических изделий. Ионное строение имеют и двойные Г. — Борогидриды МеВН₄ и алюмогидриды MeA1H₄ (см. Алюминия гидрид), широко используемые в органическом синтезе в качестве эффективных восстановителей.

Г. переходных металлов принадлежат к типу металлических, т.к. по характеру химических связи они сходны с металлами. Эти Г. в большинстве случаев являются соединениями переменного состава, и приводимые ниже формулы дают лишь предельное содержание в них водорода. Многие металлы способны поглощать значительное количество водорода с образованием твёрдых растворов, сохраняющих кристаллическую структуру данного металла. Напротив, истинные Г. имеют структуру иную, чем исходный металл. Для металлов III группы периодической системы (подгруппа Sc и лантаноиды) характерно образование двух типов Г. — MeH₂ и MeH₃. Металлы IV группы (подгруппа Ti) образуют Г. MeH₂, а металлы V группы (подгруппа ванадия) — MeH. Г. металлов этих групп — хрупкие твёрдые вещества серого или чёрного цвета, получаются при действии водорода на мелкораздробленные металлы при повышенных температурах. Металлы VI, VII и VIII групп (кроме палладия) при поглощении водорода не дают определённых химических соединений.

Г. переходных металлов служат катализаторами различных химических реакций. Способность металлов образовывать Г. используется в высоковакуумной технике для связывания водорода. В результате образования Г., например при действии паров воды на раскалённый металл и при электролитическом выделении металлов, ухудшается качество металлов (появляется т. н. водородная хрупкость).

Г. переходных металлов I и II групп периодической системы, а также Г. III группы (подгруппа A1) не образуются при взаимодействии металла с водородом. Они получаются, например, при восстановлении соединений этих металлов алюмогидридом лития LiAlH в эфирном растворе. Все они при нагревании легко разлагаются на металл и водород.

Ковалентные Г. образуются неметаллами IV, V, VI и VII групп периодической системы, а также бором. Кроме простейших соединений этого типа (метана CH₄, силана SiH₄ и т.п.), являющихся газами, известны Г. с большим числом атомов элемента, соединённых друг с другом в виде цепей, например силаны Si_nH_2n+2. Простейший Г. бора ВН₃ не существует, Бороводороды имеют сложное строение. Г. элементов первых периодов очень стабильны, Г. тяжёлых элементов крайне неустойчивы. Многие Г. (B₂H₆, SiH₄, PH₃) легко воспламеняются на воздухе. B₂H₆ и SiH₄ разлагаются водой с выделением водорода. Г. элементов V, VI и VII групп водой не разлагаются. Известны многочисленные производные ковалентных Г., в которых часть атомов водорода замещена на атомы галогена или металла, а также на алкильные и др. группы. Ковалентные Г. получают непосредственным взаимодействием элементов, разложением металлических соединений водой или кислотами, восстановлением галогенидов и др. соединений гидридами, борогидридами и алюмогидридами щелочных металлов. Термическое разложение Г. служит одним из методов получения особо чистых элементов (например, кремния, германия).

Лит.: Херд Д., Введение в химию гидридов, пер. с англ., М., 1955; Жигач А. Ф., Стасиневич Д. С., Химия гидридов, Л., 1969; Михеева В. И., Гидриды переходных металлов, М., 1960; Маккей К., Водородные соединения металлов, пер. с англ., М., 1968; Галактионова Н. А., Водород в металлах, 2 изд., М., 1967.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Гидриды - свойства, формулы и применение водородных соединений

Соединения водорода с другими элементами, в которых он выступает как более электроотрицательный элемент, называют гидридами. Но часто так именуют любые химические вещества, образованные водородом с другими элементами. Водород — элемент не из редких, вещества, образованные его взаимодействием с другими элементами, в природе встречаются часто. Человек имеет с ними дело постоянно. Самый знакомый — Н2О, вода, или гидрид кислорода.

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.

Металлические гидриды

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.

Интерметаллические соединения

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.

Читайте также:

  
• Методы получения отверстий в металле
  
• Сдать металл в петербурге
  
• Контролер в производстве черных металлов что делает
  
• Диван качели своими руками из металла
  
• Кирпичный отопительный щиток для металлической печи