Гидрид - Википедия - Hydride

В химии гидрид формально анион водорода, H−.[1] Термин применяется свободно. С одной стороны, все соединения, содержащие ковалентно связанные атомы H, называются гидридами: вода - это гидрид кислорода, аммиак - гидрид азота и т. Д. Для химиков-неоргаников гидриды относятся к соединения и ионы в котором водород ковалентно присоединен к менее электроотрицательному элементу. В таких случаях H-центр имеет нуклеофильный характер, что контрастирует с протонным характером кислот. Гидрид-анион наблюдается очень редко.

Почти все элементы образуют бинарные соединения с водородом, за исключением Он,[2] Ne,[3] Ar,[4] Kr,[5] Вечера, Операционные системы, Ir, Rn, Пт, и Ра.[6][7][8][9] Экзотические молекулы Такие как гидрид позитрония тоже были сделаны.

Облигации

Связи между водородом и другими элементами варьируются от сильно до ковалентных. Некоторые гидриды, например гидриды бора, не соответствуют классическим правилам счета электронов, и связь описывается в терминах многоцентровых связей, тогда как межузельные гидриды часто включают металлическое соединение. Гидриды могут быть дискретными молекулы, олигомеры или же полимеры, ионные твердые вещества, хемосорбированный монослои,[нужна цитата ] объемные металлы (промежуточные) или другие материалы. В то время как гидриды традиционно реагируют как Базы Льюиса или же восстановители некоторые гидриды металлов действуют как доноры атомов водорода и действуют как кислоты.


Приложения

Трис (триметилсилил) силан является примером гидрида со слабой связью с H. Он используется в качестве источника атомов водорода.[10]
Гидриды металлов (например, H2RhCl (PPh3)2 происходит от Катализатор Уилкинсона ) являются промежуточными продуктами в катализе гидрирования.

Ион гидрида

Смотрите также: Анион водорода

Свободные гидридные анионы существуют только в экстремальных условиях и не используются для получения однородного раствора. Вместо этого многие соединения имеют водородные центры гидридного характера.

Помимо электрид, гидрид-ион - простейший из возможных анион, состоящий из двух электроны и протон. Водород имеет относительно низкую электронное сродство, 72,77 кДж / моль и экзотермически реагирует с протонами как мощный База Льюиса.

ЧАС− + H+ → H2; ΔЧАС = −1676 кДж / моль

Низкое сродство к электрону водорода и прочность связи H – H (∆HБЫТЬ = 436 кДж / моль) означает, что ион гидрида также будет сильным Восстановитель

ЧАС2 + 2e− ⇌ 2H−; Eо = −2,25 В

Типы гидридов

Согласно общему определению, каждый элемент периодическая таблица (кроме некоторых благородные газы ) образует один или несколько гидридов. Эти вещества были разделены на три основных типа в зависимости от природы их связь:[6]

Хотя эти подразделения не использовались повсеместно, они все же полезны для понимания различий в гидридах.

Ионные гидриды

Это стехиометрические соединения водорода. Ионные или солевые гидриды состоят из гидрида, связанного с электроположительным металлом, обычно с щелочной металл или же щелочноземельный металл. Двухвалентный лантаноиды Такие как европий и иттербий образуют соединения, подобные соединениям более тяжелых щелочноземельных металлов. В этих материалах гидрид рассматривается как псевдогалогенид. Гидриды солевого раствора нерастворимы в обычных растворителях, что отражает их немолекулярную структуру. Ионные гидриды используются как основания, а иногда и как восстанавливающие реагенты в органический синтез.[12]

C6ЧАС5C (O) CH3 + KH → С6ЧАС5C (O) CH2K + H2

Типичные растворители для таких реакций: эфиры. Вода и другие протонные растворители не может служить средой для ионных гидридов, потому что ион гидрида является более сильным основание чем гидроксид и большинство гидроксил анионы. Газообразный водород выделяется в типичной кислотно-щелочной реакции.

NaH + H2О → H2 (г) + NaOH  ΔЧАС = -83,6 кДж / моль, Δграмм = -109,0 кДж / моль

Часто гидриды щелочных металлов реагируют с галогенидами металлов. Литий-алюминиевый гидрид (часто сокращенно LAH) возникает в результате реакции гидрид лития с хлорид алюминия.

4 LiH + AlCl3 → LiAlH4 + 3 LiCl

Ковалентные гидриды

Согласно некоторым определениям, ковалентные гидриды охватывают все другие соединения, содержащие водород. Некоторые определения ограничивают гидриды водородными центрами, которые формально реагируют как гидриды, т.е. являются нуклеофильными, и атомы водорода связаны с металлическими центрами. Эти гидриды образованы всеми настоящими неметаллами (кроме элементов нулевой группы) и такими элементами, как Al, Ga, Sn, Pb, Bi, Po и т. Д., Которые обычно являются металлическими по природе, то есть этот класс включает гидриды элементов p-блока. В этих веществах гидридная связь формально представляет собой Ковалентная связь очень похоже на связь протона в слабая кислота. В эту категорию входят гидриды, которые существуют в виде дискретных молекул, полимеров или олигомеров, и водород, который был химически адсорбирован на поверхности. Особенно важным сегментом ковалентных гидридов являются комплексные гидриды металлов, мощные растворимые гидриды, обычно используемые в синтетических процедурах.

Молекулярные гидриды часто включают дополнительные лиганды; Например, гидрид диизобутилалюминия (DIBAL) состоит из двух центров алюминия, соединенных гидридными лигандами. Гидриды, растворимые в обычных растворителях, широко используются в органическом синтезе. Особенно распространены борогидрид натрия (NaBH4) и литийалюминийгидрид и затрудненные реагенты, такие как DIBAL.

Межузельные гидриды или гидриды металлов

Металлогидрид для хранения водорода

Межузельные гидриды обычно присутствуют в металлах или сплавах. Их традиционно называют «соединениями», хотя они не строго соответствуют определению соединения, больше напоминают обычные сплавы, такие как сталь. В таких гидридах водород может существовать как в атомарной, так и в двухатомной форме. Механическая или термическая обработка, такая как изгиб, ударная обработка или отжиг, может вызвать выпадение водорода из раствора в результате дегазации. Их связь обычно считается металлический. Такие объемные переходные металлы образуют бинарные гидриды внедрения при воздействии водорода. Эти системы обычно нестехиометрический, с переменным количеством атомов водорода в решетке. В материаловедении феномен хрупкость водорода возникает в результате образования межузельных гидридов. Гидриды этого типа образуются по одному из двух основных механизмов. Первый механизм включает адсорбцию дигидрогена, за которой следует разрыв связи Н-Н, делокализация электронов водорода и, наконец, диффузия протонов в решетку металла. Другой основной механизм включает электролитическое восстановление ионизированного водорода на поверхности металлической решетки с последующей диффузией протонов в решетку. Второй механизм ответственен за наблюдаемое временное расширение объема некоторых электродов, используемых в электролитических экспериментах.

Палладий поглощает до 900 раз больше собственного объема водорода при комнатной температуре, образуя гидрид палладия. Этот материал обсуждался как средство транспортировки водорода для транспортных средств. топливные элементы. Межклеточные гидриды обещают быть безопасными. хранение водорода. Исследования дифракции нейтронов показали, что атомы водорода случайным образом занимают октаэдрические промежутки в решетке металла (в решетке с ГЦК-решеткой на каждый атом металла приходится одно октаэдрическое отверстие). Предел поглощения при нормальном давлении составляет PdH0,7, что указывает на занятость примерно 70% октаэдрических дырок.[13]

За последние 25 лет было разработано много межузельных гидридов, которые легко поглощают и выделяют водород при комнатной температуре и атмосферном давлении. Обычно они основаны на интерметаллид соединения и твердо-растворные сплавы. Однако их применение все еще ограничено, так как они способны хранить только около 2 массовых процентов водорода, что недостаточно для автомобильных применений.[14]

Структура [HRu6(CO)18]−, металлический кластер с межузельным гидридным лигандом (маленькая бирюзовая сфера в центре).[15]

Гидридные комплексы переходных металлов

Основная статья: Гидрид переходного металла

Гидриды переходных металлов включают соединения, которые можно классифицировать как ковалентные гидриды. Некоторые даже классифицируются как интерстициальные гидриды.[нужна цитата ] и другие мостиковые гидриды. Классический гидрид переходного металла имеет одинарную связь между водородным центром и переходным металлом. Некоторые гидриды переходных металлов являются кислыми, например, HCo (CO)4 и H2Fe (CO)4. Анионы [ReH9]2− и [FeH6]4− являются примерами из растущей коллекции известных молекулярных гомолептик гидриды металлов.[16] В качестве псевдогалогениды, гидридные лиганды способны связываться с положительно поляризованными водородными центрами. Это взаимодействие, называемое дигидрогенная связь, похоже на водородная связь, который существует между положительно поляризованными протонами и электроотрицательными атомами с открытыми неподеленными парами.

Дейтериды

Гидриды, содержащие дейтерий известны как дейтериды. Некоторые дейтериды, такие как LiD, являются важным термоядерным топливом в термоядерное оружие и полезные модераторы в ядерные реакторы.

Смешанные анионные соединения

Смешанные анионные соединения существуют, которые содержат гидрид с другими анионами. К ним относятся гидриды боридов, углеводы, гидридонитриды, оксигидриды и другие.

Приложение по номенклатуре

Protide, дейтерид и тритид используются для описания ионов или соединений, содержащих обогащенный водород-1, дейтерий или же тритий, соответственно.

В классическом понимании гидрид относится к любому сложный водород образует с другими элементами, в диапазоне более группы 1–16 ( бинарные соединения водорода ). Ниже приводится список номенклатуры гидридных производных соединений основной группы в соответствии с этим определением:[9]

Согласно вышеприведенному соглашению, следующие «соединения водорода», а не «гидриды»:[нужна цитата ]

Примеры:

Все гидриды металлоидов легко воспламеняются. Все твердые неметаллические гидриды, кроме лед легко воспламеняются. Но когда водород соединяется с галогенами, он производит кислоты, а не гидриды, и они не горючие.

Соглашение о приоритете

В соответствии с Конвенция ИЮПАК, по приоритету (стилизованная электроотрицательность) водород находится между группа 15 и группа 16 элементы. Следовательно, имеем NH3, «гидрид азота» (аммиак ) по сравнению с H2О, «оксид водорода» (воды ). Это соглашение иногда нарушается для полония, который на основании металличности полония часто называют «гидридом полония» вместо ожидаемого «полонида водорода».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Золотая книга ИЮПАК https://goldbook.iupac.org/terms/view/H02904. Отсутствует или пусто | название = (помощь)
  2. ^ Гидрид гелия существует как ион.
  3. ^ Неоний представляет собой ион, и эксимер HNe также существует.
  4. ^ Аргоний существует как ион.
  5. ^ Ион криптония существуют как катион.
  6. ^ а б Greenwood, N. N .; И Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.), Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN  0-7506-3365-4.
  7. ^ Краткая неорганическая химия Джей Ди Ли
  8. ^ Основная группа химии, 2-е издание А. Г. Месси
  9. ^ а б Номенклатура неорганической химии («Красная книга») (PDF). Рекомендации ИЮПАК. 2005. Пар. ИК-6.
  10. ^ Чатгилиалоглу, Хрисостомос; Феррери, Карла; Ландаис, Янник; Тимохин, Виталий И. (2018). "Тридцать лет (TMS)3SiH: веха в радикальной синтетической химии ». Химические обзоры. 118 (14): 6516–6572. Дои:10.1021 / acs.chemrev.8b00109. PMID  29938502.
  11. ^ Грохала, Войцех; Эдвардс, Питер П. (2004-03-01). «Термическое разложение непромежуточных гидридов для хранения и производства водорода». Химические обзоры. 104 (3): 1283–1316. Дои:10.1021 / cr030691s. PMID  15008624.
  12. ^ Браун, Х.С. (1975). Органический синтез через боран. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN  0-471-11280-1.
  13. ^ Гидрид палладия
  14. ^ Цюттель, Андреас (2003). «Материалы для хранения водорода». Материалы сегодня. 6 (9): 24–33. Дои:10.1016 / с1369-7021 (03) 00922-2.
  15. ^ Джексон, Питер Ф .; Джонсон, Брайан Ф. Г .; Льюис, Джек; Raithby, Paul R .; Макпартлин, Мэри; Нельсон, Уильям Дж. Х .; Роуз, Кейт Д.; Аллибон, Джон; Мейсон, Сакс А. (1980). "Прямое расположение интерстициального гидридного лиганда в [HRu6(CO)18]– с помощью рентгеновского и нейтронного анализа [Ph4Как] [HRu6(CO)18]". Chem. Commun. (7): 295. Дои:10.1039 / c39800000295.
  16. ^ A. Dedieu (редактор) Гидриды переходных металлов 1991, Wiley-VCH, Weinheim. ISBN  0-471-18768-2

Библиография

В. М. Мюллер, Дж. П. Блэкледж, Г. Г. Либовиц, Гидриды металлов, Academic Press, Нью-Йорк и Лондон, (1968)

внешняя ссылка