Гідриди — властивості, формули, застосування

Сполуки водню з іншими елементами, в яких він виступає як більш електронегативний елемент, називають гідридами. Але часто так називають будь-які хімічні речовини, утворені воднем з іншими елементами.

Водень – це не рідкісний елемент. Речовини, утворені його взаємодією з іншими елементами, в природі зустрічаються часто. Людина має з ними справу постійно. Найпопулярніша речовина з воднем – H₂O, вода, або гідрид кисню.

Типи і класифікація

Речовини, утворені воднем з металами і неметалами багатогранні. Залежно від характеру отриманого з’єднання виділяють:

• Прості гідриди – бінарні, в них тільки 2 елементи, вони зустрічаються найчастіше.
• З багатьма перехідними металами (елементи p-підгрупи) водень утворює комплексні сполуки. Комплексні гідриди металів (наприклад, боро- або алюмогідриди) замість атома водню, мають алюмогрупу (AlH₄) або борогрупу (BH₄). З них натрійборогідрид Na(BH₄) і літійалюмогідрид Li (AlH₄), будучи сильними відновниками, знайшли застосування в лабораторній практиці. Крім цього, Na(BH₄) використовують для відбілювання паперу.
• І також є гідриди інтерметалідів (приклад: TiAl або Ti³Al, алюмінід титану), в кристалічних ґратках яких водень просто розчиняється, акумулюється.

У різних хімічних елементів будова атомів і молекул відрізняється. Відповідно, зв’язки в утворених гідридах теж неоднакові.

Класифікація за видом зв’язку визначає отримані речовини, як:

• металоподібні;
• іонні (солеподібні);
• ковалентні.

Бінарні з’єднання найпоширеніші та є у всіх елементів. Винятки тут складають метали платинової групи (платиноїди), Au, Ag, Hg, Ti, Cd, In, а також благородні гази. Між цими речовинами немає чітко виражених меж, розподіл за характером зв’язку для них умовний.

Металеві гідриди

До металевих гідридів відносяться з’єднання водню з перехідними металами і рідкоземельними елементами. Це, скоріше, розчин неметалу в металі, з впровадженням атомів в кристалічну ґратку.

Для них характерні наступні властивості:

• В основному такі гідриди є бертоллідами, склад їх залежить від способу отримання, непостійний, законам постійних і кратних відносин не підкоряється.
• У формулах для них вказують граничний вміст водню.
• На відміну від інших, вони зберігають вихідну металеву ґратку.
• Їх вид і фізичні властивості відповідають металам, з якими вони утворені.
• Мають характерний металевий блиск, взаємодіють з H₂O (в рідкому або газоподібному стані), киснем, при нормальних умовах, але повільно.
• Як і метали, володіють значною теплопровідністю і провідністю.
• При нагріванні розпадаються на водень і вихідний метал.

Від металоподібних, через гідриди міді (CuH, воднева мідь), цинку, ZnH₂, водневий цинк і їм подібних, здійснюється перехід до полімерів.

Це хімічні речовини зі складною структурою, в якій присутні ланцюги і поліедри. Тверді, стійкі, з кристалічною будовою (полімерні гідриди легких металів стабільніше всього), дані сполуки розпадаються при нагріванні на складові елементи.

Від них, через гідриди бору і галію — до водневих сполук з неметалами. У них водень має ступінь окислення +1.

Сполуки гідридів з іонним типом зв’язку

Їх утворює водень з металами 1A і 2A груп, крім Mg, а також з Al. Вони частково показують властивості відповідних галогенідів, звідки і з’явилося друге найменування – солеподібні.

Це хімічні сполуки, такі як гідрид натрію (NaH), кальцію (CaH₂), літію з формулою LiH, інші.

Для них характерно:

• Отримують при високій температурі і під тиском.
• У цих сполуках, що виявляють, як правило, лужні властивості, у водню ступінь окислення -1. З металами 1A і 2A груп, такими, як Na, Li, Be, K, Rb, Sr він виступає окислювачем, подібно галогенам. Наприклад, гідрид натрію, з хімічною формулою NaH – в цій сполуці іон водню має негативний заряд.
• Це кристалічні речовини білого кольору, з іонною ґраткою, структура подібна будові відповідного галогеніду.
• При нормальних умовах стійкі.
• Розпад на метал і водень при нагріванні, минаючи етап плавлення (винятком є LiH, його температура плавлення 688 градусів Цельсія).
• У розплаві – хороші провідники, при цьому на аноді буде виділятися H₂.
• Спалахують при розтиранні на повітрі.
• Всі є сильними відновниками. Застосовуються для отримання чистих металів з солей і оксидів, для видалення окалини, корозії.
• Реагують з оксидом вуглецю, формують солі мурашиної кислоти (форміати).
• Як і солі, можуть брати участь в обмінних реакціях, гідролізі.

Солеподібними бувають не тільки бінарні (прості) з’єднання водню. Дигідриди, утворені додаванням груп бору (BH₄) або алюмінію (AlH₄) до металу, також мають іонний тип зв’язку.

Окислювальна активність водню невелика в порівнянні з галогенами. Додатковий електрон він насилу віддає при нагріванні (реакція проходить з поглинанням тепла). Це і обумовлює відмінність між властивостями іонних гідридів і галогенідів.

За хімічною природою такі сполуки поводяться як основні. Іонні гідриди мають високу хімічну активність. Вони бурхливо реагують з киснем і H₂O в пароподібному стані.

Але виражений іонний характер – це властивість, що виявляється сполуками кальцію, натрію, лужних і лужноземельних елементів. На них найпростіше і наочніше можна показати хімію взаємодій цих речовин:

• З водою: 2NaH + H₂O = 2NaOH + H₂O.
• З киснем: NaH + O₂ = NaO + H₂O.
• Реакція розкладання: CaH₂ = Ca + H₂.
• З оксидами вуглецю: NaH + CO₂ = NaCOOH.
• Кремнію: 4NaH + 3SiO₂ = 2Na₂SiO₃ + Si + 2H₂.
• Металів: 4NaH + Fe3O₄ = 4NaOH + 3FE.
• Відновлення: 2NaH + 2SO₂ = Na₂SO₄ + H₂S.
• З аміаком: NaH + NH₃ = NaNH₂ + H₂.
• З кислотами: 2NaH + H2SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂.
• Зі спиртами: KH + HO-R = KOR + H₂.

За властивостями і природою зв’язку проміжне положення між іонними і ковалентними займає гідрид магнію, з формулою MgH₂.

Солі і оксиди калію, кальцію, міді та інших лужних і лужноземельних металів утворюють з гідридом кисню (водою) ще один вид сполук — дигідрати. Це солі сульфатної кислоти (сульфати), галогеніди, оксиди плюс 2 приєднані молекули H₂O. Формула алебастру — Ca₅O₄ плюс 2H₂O, гіпс — CaSO₄ плюс 2H₂O, в природі вони не рідкість.

Гідросульфід натрію, NaHS, утворює не тільки дигідрат, NaHS плюс 2H₂O, але і тригідрат, з приєднанням 3H₂O.

Ковалентний зв’язок гідридів

Це сполуки, в яких ступінь окислення водню +1, Як правило – це гази, летючі рідини. Їх водень взаємодіє з неметалами, а також з германієм, алюмінієм, берилієм, оловом, миш’яком, сурмою — елементами 4, 5, 6 і 7 груп періодичної системи. І також ковалентний зв’язок мають з’єднання водню і бору.

Це можуть бути речовини прості, бінарні, такі як метан (CH₄), силан (формула SiH₄). Складні теж є, з довгими ланцюгами, багатоатомні молекули — вони утворюються воднем з кремнієм, бором, германієм.

Більшість з гідридів нестійкі, так гідрид олова (SnH₄) розпадається вже при кімнатній температурі, а гідрид свинцю недовго існує і при негативних температурах. Найпростіший гідрид бору не існує в природних умовах взагалі.

Відмінні властивості:

• Всі гідриди сильні відновники, ступінь окислення водню +1.
• Виявляють кислотні, а також амфотерні властивості.
• Агрегатний стан – газ або летюча рідина, виключення – це гідрид кисню (вода), азоту, фтороводень (плавикова кислота), а також ті, в яких молекули полярні і в яких виникає водневий зв’язок. Останні існують, як нелетюча рідина або в твердому стані.
• Електронодефіцитні види, одержувані з елементами головної підгрупи 3 групи, наприклад, гідрид алюмінію AlH₃ або берилію, хімічна формула BeH₂, дуже активні і утворюють багатоатомні, довгі полімерні ланцюги, з великою вагою. Такі полімери – це тверді речовини.
• При нагріванні легко і практично незворотно, розкладаються на елемент і водень H₂. Потрібна температура від 100 до 300 градусів за Цельсієм (для гідриду сірки H₂S — близько 400 градусів).
• Найчастіше вони мають високу токсичність.
• Характерна висока хімічна активність, реакційна здатність.
• Отримати можна безпосередньою взаємодією елементів, розкладанням металевих з’єднань водою, кислотою, відновленням галогенідів гідридами бору, алюмінію, лужних металів.
• Вищі гідриди германію, кремнію, із загальною хімічною формулою E_nH_2n+2 – це полімери, їх стабільність тим нижче, чим більше атомна вага і кількість атомів елемента.
• Гідриди, що належать до S-підгрупи добре розчиняються у воді і проявляють кислотні властивості. Інші – в незначній мірі, властивості у них основні. Всі добре розчинні в неполярних органічних розчинниках.
• При взаємодії з водою (H₂O), виділяється чистий водень (H₂) і оксид, із загальною хімічною формулою EO₂.

Важкі елементи дають з’єднання з невеликою стійкістю.

За рахунок водневих зв’язків і здатності до донорно-акцепторної взаємодії, вода (H₂O), плавикова кислота (HF), аміак (NH₃) і частково HCl і H₂S, хороші розчинники.

Інтерметалічні сполуки (інтерметаліди)

Хімічні речовини, утворені двома або більше металами, такі як FeTi, Ca₂Ru, Mg₂Ni – це інтерметалічні сполуки. Вони добре поглинають водень і, з’єднуючись з ним, утворюють гідриди-інтерметаліди.

Інтерметаліди містять атоми заліза, магнію, міді, кальцію, титану, алюмінію, рідкоземельні елементи. Їх легко отримати навіть з H₂ нехімічним способом(для технічних потреб, до 2% домішок). Застосовують для зберігання водню і акумуляторних батарей.

У гідридів багато областей застосування. Особливо широко використовують NaH.

З його допомогою:

• видаляють термічну окалину з металів;
• виробляють добавки, що підвищують октанове число бензину, каталізатори полімеризації;
• він необхідний при виробництві барвників, миючих засобів;
• в якості потужного відновника застосовується в металургії.

В органічній хімії комплексні водневі сполуки застосовують вже більше 50 років для отримання особливо чистих хімічних елементів. У хімії алкалоїдів також широко використовують комплексні гідриди металів. Без них не обходиться виробництво металокераміки, дегазаторів, багатьох фармакологічних засобів.

Азот з воднем утворює аміак, кисень — воду, сірка дає сірководень, в природі постійно йде синтез подібних речовин.

Зі світом хімії людина перетинається постійно. Тому знання про найбільш поширені речовини принесуть користь кожному.