Соединения, образованные соединением атомов водорода с другими элементами, с общей формулой XmHn, называются гидридами. Это только двухэлементные соединения. В зависимости от электроотрицательности второго элемента, присутствующего в молекуле, различают три типа гидридов: солеподобные, ковалентные и металлические.
Солевые гидриды
Также известные как солеподобные или ионные гидриды. Они характеризуются ионными связями, в которых водород присутствует в виде аниона H—. Они образуются, когда элементы с очень низкой электроотрицательностью могут отдавать электроны атому водорода. Такие гидриды возникают в результате соединений с металлами 1 и 2 групп периодической системы химических элементов, за исключением бериллия и магния. Это твердые тела с ионной структурой кристаллической решетки. Гидриды этого типа образуются в результате прямого воздействия водорода на металлы при повышенной температуре. При контакте с водой они бурно реагируют, выделяя водород, например:
CaH2 + H2O = CaO + 2H2
Ковалентные гидриды
Это химические соединения, содержащие водород, связанный ковалентной связью. Они образуются, когда элементы с высокой электроотрицательностью способны связывать электроны и, следовательно, могут образовывать ковалентную связь с водородом. Такие молекулы образованы элементами групп 14-18, а также бором из группы 13 периодической системы химических элементов. Такие гидриды обычно очень летучи. Они принимают форму мягких тел с легковоспламеняющимися свойствами. Кристаллическая решетка ковалентных гидридов состоит из молекул, связанных между собой силами Ван-дер-Ваальса, иногда также водородными связями. Их прочность уменьшается по мере увеличения атомной массы элемента, соединяющегося с водородом, и по мере увеличения его металлического свойства. Таким образом, прочность уменьшается в ряду: HF, HCl, HBr, HI с увеличением атомной массы, а в ряду: HI, H2Te, SbH3, SnH, в котором увеличиваются металлические свойства.
Металлические гидриды
Это водородные связи с внешними и внутренними переходными металлами. Они характеризуются блеском и металлическими свойствами. В отличие от ковалентных гидридов они нелетучи. Очень часто выражение состава гидридов этого типа в формуле не простое и содержит нецелые значения, например PdH0,6, TiH1,73, ZrH1,92. Атомы водорода, присутствующие в металлических гидридах, занимают межузловые положения в металлической решетке. Она образована атомами присутствующего металлического элемента.
Соединения галогенов с водородом
Химические молекулы, образующиеся в результате соединения галогенов с водородом, называются галогеноводородами с общей формулой HX. Однако чаще используется термин «гидрогалогены». Наиболее промышленно значимыми в этой группе являются два вещества – фтороводород и хлороводород, но есть и другие, широко используемые, например, бромоводород и иодоводород. Эти гидриды относятся к ковалентному типу, так как этот признак наиболее близок к ним. В случае фтороводорода, состоящего из наиболее электроотрицательного галогена, доля ионного характера не превышает 45%. Она уменьшается с каждым последующим соединением, а для иодоводорода составляет всего 5%. Такая же тенденция к снижению наблюдается для изменения дипольных моментов. Получение фтороводорода и хлороводорода основано на реакции соответствующей соли с концентрированной серной кислотой. Для получения HF используется флюорит, а из сальмиака вырабатывается HCl. Однако также возможно получить хлороводород путем прямого синтеза из элементов, то есть путем прямого сжигания водорода в хлоре. Применение концентрированной серной кислоты невозможно только в случае йода и брома, так как образующиеся гидриды могут быстро окисляться.
Соединения аэробов с халькогенами
В основном это молекулы общей формулы Н2Х и включают в себя: воду, сероводород, селеноводород, теллуроводород и гидрид полония. В комнатных условиях жидкостью является только вода, остальные — бесцветные газы. Отличительной чертой двух из них – сероводорода и селеноводорода — является запах тухлых яиц. Гидриды серы и селена токсичны, первые — в более высоких концентрациях. Единственным соединением, встречающимся в природе в свободном состоянии, является сероводород, встречающийся в сульфатных источниках и вулканических газах. Из-за распространенности воды в мире ее очень легко получить, но для лабораторных целей ее очищают путем дистилляции, двойной дистилляции или путем пропускания через слой органических ионообменников. Другие гидриды оксигеноидов обычно получают в результате кислотного воздействия на их соединения с металлами, такими как сульфиды, селениды или теллуриды. Структура гидридов типа H2X угловатая, наибольший угол из них, равный 104,5o, характеризуется молекулой воды.
Соединения нитридов с водородом
Каждый элемент, входящий в группу нитридов, способен образовывать в сочетании с водородом гидриды общей формулы XH3. Кроме того, фосфор и азот также образуют соединения типа X2H4. Существует также один особый гидрид азота – HN3, называемый азидоводородом. К наиболее популярным гидридам типа XH3 относятся: аммиак, фосфин, арсин, стибин и висмутин. Это легколетучие вещества, встречающиеся в виде бесцветных газов. Часто имеют отчетливый неприятный запах. Все гидриды нитридов, за исключением аммиака, образуются в результате эндотермических реакций. Молекулы тригидрида принимают форму пирамиды, а атом нитрида имеет sp3-гибридизацию.
Соединения бора с водородом
Бор образует с водородом ряд соединений с особыми химическими и структурными свойствами, называемых боратами. Большинство из них могут быть выражены общей формулой BnHn+4 или BnHn+6, однако простого бората с формулой BH3 не существует.
Соединения щелочноземельных металлов с водородом
Все щелочноземельные металлы в сочетании с водородом образуют гидриды общей формулы XH2. Основным примером этой группы соединений является гидрид бериллия BeH2, который получают с использованием реагентов BeCl2 и LiH в эфирном растворе. Гидрид бериллия — бесцветное вещество, трудно летучее. При температуре 570 K он распадается на элементы. Очень легко вступает в реакцию с водой. В пространственной решетке имеются полимерные цепочки, в которых атом бериллия связан ковалентными трехцентровыми связями Be-H-Be. Вторым примером гидридов этой группы является гидрид магния, который получают прямым синтезом из элементов при повышенном давлении водорода. При нагревании легко распадается на элементы. Гидридами солевого типа являются другие представители, то есть гидриды кальция, стронция и бария. Важнейший из них в промышленном отношении, CaH2, получают прямым синтезом из элементов при повышенной температуре 670 K.
Гидриды лития
Это соединения типа МН, которые образуются в результате прямых реакций водорода с металлами при повышенных температурах. Это типичные гидриды солевого типа, т.е. имеющие ионную структуру, содержащие характерный анион H—. При комнатной температуре гидриды лития представляют собой твердые, бесцветные тела, образующие пространственные сети, подобные хлориду натрия. Наибольшей стойкостью, до 720 К, обладает гидрид лития.