Гидриды
Типы гидридов
Характер водородного соединения определяется электроотрицательностью элемента, с которым связан водород. От характера химической связи и строения этих соединений зависят их свойства. Среди гидридов выделяют солеобразные (ионные), ковалентные (молекулярные), электронодефицитные и металлические.
| Тип | Примеры | Свойства |
|---|---|---|
| Солеобразные (ионные) гидриды | \(\ce{LiH}\), \(\ce{NaH}\), \(\ce{CaH2}\) | Это белые твёрдые вещества, которые содержат \(\ce{H-}\) и бурно реагируют с водой. |
| Ковалентные (молекулярные) гидриды | \(\ce{CH4}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{HF}\), \(\ce{H2S}\) | Среди них есть газы и жидкости. |
| Электронодефицитные гидриды | \(\ce{B2H6}\), \(\ce{(AlH3)_n}\) | В их строении имеются мостиковые связи. |
| Металлические гидриды | \(\ce{PdH_{0{,}7}}\), \(\ce{TiH2}\), \(\ce{LaNi5H6}\) | Многие из них имеют переменный состав и металлический блеск. |
Солеобразные гидриды содержат гидрид-ион \(\ce{H-}\). Он является сильным основанием и восстановителем. При взаимодействии с водой гидрид-ион присоединяет протон, поэтому выделяется водород. Этот же принцип позволяет предсказать выделение водорода при действии кислот на солеобразные гидриды.
edit_noteГидрид-ион
При электролизе расплава \(\ce{LiH}\) водород выделяется на аноде: \(\ce{2H- - 2e- -> H2}\). Следовательно, водород в солеобразном гидриде находится в виде гидрид-иона, который в расплаве перемещается к аноду.
Реакции с водой позволяют не только установить свойства гидрида, но и рассчитать количество получаемого водорода. Для расчёта используют коэффициенты соответствующего уравнения.
scienceГидриды и вода
- \(\ce{NaH + H2O -> NaOH + H2 ^}\) — при реакции гидрида натрия с водой образуются гидроксид натрия и водород.
- \(\ce{CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}\) — при реакции 1 кг гидрида кальция, называемого «гидролитом», с водой выделяется около 1 м³ водорода; так наполняли метеозонды.
- \(\ce{LiAlH4 + 4H2O -> LiOH + Al(OH)3 + 4H2 ^}\) — алюмогидрид лития бурно реагирует даже с влагой воздуха.
- \(\ce{SiH4 + 2H2O ->[OH-] SiO2 + 4H2 ^}\) — силан гидролизуется в щелочной среде.
Водородные соединения неметаллов
В отличие от солеобразных гидридов, водородные соединения неметаллов преимущественно имеют ковалентные связи. Их свойства меняются закономерно при переходе от одной группы и одного периода к другим.
| IV | V | VI | VII | |
|---|---|---|---|---|
| 2-й период | \(\ce{CH4}\) | \(\ce{NH3}\) проявляет основные свойства | \(\ce{H2O}\) является амфолитом: может проявлять свойства кислоты и основания | \(\ce{HF}\) является слабой кислотой |
| 3-й период | \(\ce{SiH4}\) | \(\ce{PH3}\) | \(\ce{H2S}\) является слабой кислотой | \(\ce{HCl}\) является сильной кислотой |
| 4-й период | \(\ce{GeH4}\) | \(\ce{AsH3}\) | \(\ce{H2Se}\) | \(\ce{HBr}\) |
- При движении вправо по периоду кислотность водородных соединений растёт, поскольку увеличивается электроотрицательность элемента, связанного с водородом. При движении вниз по группе кислотность также растёт, поскольку ослабевает связь E–H.
- При движении вниз по группе устойчивость водородных соединений уменьшается, а их восстановительная способность возрастает. Например, \(\ce{H2Te}\), \(\ce{SbH3}\) и \(\ce{BiH3}\) разлагаются уже при комнатной температуре.
Разложение одного из таких соединений используют для обнаружения мышьяка. Сначала мышьяк переводят в арсин, а затем по продукту его разложения устанавливают присутствие мышьяка в пробе.
history_eduПроба Марша
В 1836 году Джеймс Марш предложил способ обнаружения мышьяка. Пробу обрабатывают цинком и кислотой, а образующийся арсин \(\ce{AsH3}\) пропускают через нагретую трубку. Арсин разлагается, и на стекле появляется блестящее «мышьяковое зеркало». Проба помогла разоблачить множество отравителей; после её появления мышьяк стали значительно реже использовать как яд.
Другие реакции водородных соединений неметаллов показывают, насколько различаются их свойства: силан может самовоспламеняться, а диборан реагирует с водой с выделением водорода.
scienceВодородные соединения
- \(\ce{As2O3 + 6Zn + 12HCl -> 2AsH3 ^ + 6ZnCl2 + 3H2O}\) — при обработке пробы цинком и кислотой образуется арсин; затем при нагревании он разлагается: \(\ce{2AsH3 ->[t] 2As + 3H2}\). На этом основана проба Марша.
- \(\ce{Mg2Si + 4HCl -> 2MgCl2 + SiH4 ^}\) — при реакции силицида магния с кислотой выделяется силан, который самовоспламеняется.
- \(\ce{B2H6 + 6H2O -> 2H3BO3 + 6H2 ^}\) — при реакции диборана с водой образуются борная кислота и водород.
Металлические и комплексные гидриды
Металлические гидриды относят к фазам внедрения: атомы водорода занимают пустоты в решётке металла. Палладий поглощает до 900 объёмов водорода. При этом его решётка расширяется, но металл сохраняет металлические свойства. Состав таких фаз нередко изменяется; фазы переменного состава называют нестехиометрическими.
Сплавы, например \(\ce{LaNi5}\), способны обратимо запасать водород: \(\ce{LaNi5 + 3H2 <=> LaNi5H6}\). Это свойство используют в никель-металлогидридных аккумуляторах.
У электронодефицитных гидридов строение иное. В диборане недостаток электронов для образования обычных связей между всеми атомами восполняется благодаря мостиковым связям.
infoТрёхцентровые связи диборана
В \(\ce{B2H6}\) всего 12 валентных электронов, и этого недостаточно для образования 8 обычных двухцентровых связей. Два атома водорода соединяют атомы бора мостиками. Каждую группу B–H–B удерживает одна пара электронов; такую связь называют трёхцентровой двухэлектронной связью. За теорию бороводородов Уильям Липском получил Нобелевскую премию 1976 года.
Наконец, комплексные гидриды \(\ce{LiAlH4}\) и \(\ce{NaBH4}\) способны передавать гидрид-ион при восстановлении органических соединений. В органическом синтезе их используют для превращения альдегидов и кетонов в спирты. Борогидрид натрия действует мягче и устойчив в воде при pH > 9, тогда как алюмогидрид лития бурно реагирует с водой.
scienceКомплексные гидриды
- \(\ce{4LiH + AlCl3 ->[эфир] LiAlH4 + 3LiCl}\) — при реакции гидрида лития с хлоридом алюминия в эфире получают алюмогидрид лития.
- \(\ce{NaBH4 + 2H2O ->[H+] NaBO2 + 4H2 ^}\) — в кислой среде борогидрид натрия быстро реагирует с водой и выделяет водород.
- \(\ce{2NaBH4 + I2 -> B2H6 ^ + 2NaI + H2 ^}\) — при реакции борогидрида натрия с иодом в лаборатории получают диборан.
push_pinГлавное
Ионные гидриды активных металлов (\(\ce{LiH}\), \(\ce{NaH}\), \(\ce{CaH2}\)) содержат \(\ce{H-}\) — сильное основание и восстановитель: \(\ce{H- + H2O -> H2 + OH-}\). Ковалентные гидриды неметаллов (\(\ce{CH4}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2O}\), \(\ce{HF}\), \(\ce{SiH4}\), \(\ce{B2H6}\)) — молекулярные вещества; кислотность водородных соединений возрастает вправо по периоду и вниз по группе. Металлические гидриды (\(\ce{PdH_x}\), \(\ce{TiH2}\), \(\ce{LaNi5H6}\)) представляют собой фазы внедрения, многие из которых имеют переменный состав. Комплексные гидриды \(\ce{LiAlH4}\) и \(\ce{NaBH4}\) применяют как восстановители в органическом синтезе.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.