Hidrīdi: kas tie ir — veidi, īpašības un pielietojumi

Uzzini visu par hidrīdiem — veidi, īpašības un praktiskie pielietojumi no metāliskajiem līdz kovalentajiem. Skatīt piemērus un lietojumu ķīmijā un baterijās.

Hidrīds ir savienojums, kurā ūdeņradis ir saistīts ar citu elementu. Izņemot dažas cēlgāzes, praktiski visi periodiskās sistēmas elementi var veidot hidrīdus. Hidrīdu īpašības un uzvedība ķīmiskajās reakcijās var būt ļoti dažādas — no ļoti reaktīviem joniskiem savienojumiem līdz stabilām molekulām vai metāla tipa vielām. Zemāk aprakstīti galvenie hidrīdu tipi, to īpašības, piemēri un izmantošana ikdienā un rūpniecībā.

Hidrīdu dalījums un īpašības

Metālu (jonu) hidrīdi: tie parasti veidojas no spēcīgi atomelektronegatīviem metāliem (piem., sārmu un sārmzemju metāli). Šiem hidrīdiem ir jonu raksturs — ūdeņradis tajos pastāv kā hidrīda jons H−. Tie bieži ir cietas, kristāliskas vielas, kas ir ļoti reaktīvas ar ūdeni un skābēm (reakcijas gaitā atbrīvo H2 gāzi). Tie arī parasti ir spēcīgas bāzes. Lielākā daļa sārmu metālu un sārmzemju metālu veido šāda tipa hidrīdus. Piemēri: nātrija hidrīds (NaH), kalcija hidrīds (CaH2).

Metāliskie (intersticiālie) hidrīdi: tiem piemīt metāla raksturīgās īpašības — laba elektrovadītspēja un siltumvadītspēja. Ūdeņradis iekļūst metāla kristāliskajā režģī starp atomiem, tāpēc šie hidrīdi bieži ir neprecīzā stihiometrijā (non-stoichiometric) un var uzglabāt hidrogēnu reversīvi. Tos bieži veido tranzīciju metāli un elementi no periodiskās tabulas 3.–5. grupas. Intersticiālie hidrīdi tiek pētīti un izmantoti hidrogēna uzglabāšanai; daži no tiem izmantoti arī akumulatoru tehnoloģijā, piemēram, niķeļa metālhidrīdu baterijā.

Kovalentie hidrīdi: tajos starp ūdeņradi un citu elementu ir kovalentās saites. Visbiežāk tādus veido p-bloka elementi. Šie hidrīdi var būt gan nepolāri (piem., ogļūdeņraži), gan polāri (piem., ūdens, amonjaks). Daudzi kovalentie hidrīdi ir jutīgi pret gaisu, ūdeni vai temperatūras iedarbību un var būt viegli gaistoši vai degt. Piemēri: ogļūdeņraži (piem., metāns — CH4) ir oglekļa hidrīdi, amonjaks (NH3) ir slāpekļa hidrīds, bet ūdens (H2O) ir skābekļa hidrīds.

Ķīmiskās īpašības un reakcijas

• Reakcija ar ūdeni: daudzi jonu hidrīdi reaģē ar ūdeni, veidojot hidroksīdus un atbrīvojot H2. Piemērs: CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2.
• Atjaunojošas īpašības: daudzi hidrīdi darbojas kā reducējoši reaģenti organiskajā ķīmijā — labi zināmi piemēri ir kompleksie hidrīdi kā NaBH4 un LiAlH4, ko izmanto reducēšanai.
• Akceptors un donori: kovalentie hidrīdi var būt protiski (sniegt H+), piemēram, ūdens un atsevišķi skābu hidrīdi, vai hidrīdīgi (H−) metālu hidrīdi.
• Reversibilitāte: intersticiālie hidrīdi bieži uzsūc un atbrīvo hidrogēnu reversīvi, kas padara tos piemērotus hidrogēna uzglabāšanai.

Piemēri un nosaukumi

Hidrīdus parasti sauc pēc elementa nosaukuma + “hidrīds”, piemēram:

• nātrija hidrīds — NaH;
• kalcija hidrīds — CaH2;
• metāns (oglekļa hidrīds) — CH4;
• amonjaks (slāpekļa hidrīds) — NH3;
• ūdens (skābekļa hidrīds) — H2O;
• sēra hidrīds (ūdeņraža sēlskābe) — H2S.

Pielietojumi

• Rūpniecība: amonjaks (NH3) ir būtisks lauksaimniecības mēslojumu ražošanā; naftas ķīmijā un organiskajās sintēzēs izmanto dažādus hidrīdus kā reducētājus vai starpproduktus.
• Enerģija un uzglabāšana: intersticiālie metālhidrīdi un citi solidie hidrīdi pētīti hidrogēna uzglabāšanai un transportam; arī niķeļa metālhidrīdu baterijas izmanto metālhidrīdus kā elektroīdu materiālus.
• Laboratorijas ķīmija: NaBH4 un LiAlH4 kā spēcīgi reducētāji organiskajās reakcijās.
• Kā reaktīvas vielas: jonu hidrīdi (piem., CaH2) tiek lietoti kā žāvētāji vai hidrogēna avoti noteiktos procesos.

Drošība un vides aspekti

• Daudzi hidrīdi ir viegli reaģējoši vai degtspējīgi. Hidrogēns (H2) ir eksplozīva gāze, ja sajaukta ar gaisu.
• Joniskie hidrīdi var reaģēt ar ūdeni enerģiski, atbrīvojot H2 — jāievēro piesardzība, lai nepieļautu nevadītu gāzes veidošanos un sprādzienbīstamas situācijas.
• Daži kovalentie hidrīdi ir toksiski (piem., H2S ir ļoti indīgs), citi — kairina elpceļus vai acis (piem., NH3).
• Metāliskie hidrīdi var būt piroforiski vai ķīmiski nestabili noteiktos apstākļos; to rīkošanās prasa speciālu aprīkojumu un uzglabāšanas nosacījumus.

Kā iegūst hidrīdus

Hidrīdus var iegūt dažādos veidos, atkarībā no tipa:

• tieša reakcija — daudzi metāli reaģē tieši ar ūdeņradi, piemēram, 2 Na + H2 → 2 NaH;
• indirektas metodes — reducējot metālu sāļus ar hidrīdiem vai izmantojot citus reduktorus;
• ķīmiskas sintēzes metodes organiskajos savienojumos (piem., metāna ražošana no sastāvdaļām) vai specializētas industrijas procesi (Haber-Bosch amonjaka ražošanai).

Hidrīdi ir plaša un daudzveidīga savienojumu klase, kas ietver gan ikdienišķas un dzīvībai svarīgas vielas (ūdens, amonjaks), gan specializētus materiālus hidrogēna uzglabāšanai un ķīmiskai sintēzei. Sapratne par to īpašībām — joniskiem, kovalentiem vai metāliskiem — palīdz izvēlēties pareizo materiālu lietošanai un drošai rīkošanai.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir hidrīds?

Vai visi elementi var veidot hidrīdus?

J: Kas ir metālu hidrīdi?

J: Kas ir intersticiālie hidrīdi?

J: Kas ir kovalentie hidrīdi?

J: Kādi ir daži hidrīdu piemēri?

J: Kādas ir dažas hidrīdu līdzības?

Meklēt pēc burta