Hydrid - Hydride
In der Chemie ist ein Hydrid formal das Anion von Wasserstoff , H − . Der Begriff wird lose verwendet. In einem Extrem werden alle Verbindungen mit kovalent gebundenen H- Atomen als Hydride bezeichnet: Wasser (H 2 O) ist ein Sauerstoffhydrid , Ammoniak ist ein Stickstoffhydrid usw. Für anorganische Chemiker beziehen sich Hydride auf Verbindungen und Ionen, in denen Wasserstoff ist kovalent an ein weniger elektronegatives Element gebunden . In solchen Fällen hat das H-Zentrum einen nukleophilen Charakter, der im Gegensatz zum protischen Charakter von Säuren steht. Das Hydridanion wird sehr selten beobachtet.
Fast alle Elemente bilden mit Wasserstoff binäre Verbindungen, mit Ausnahme von He , Ne , Ar , Kr , Pm , Os , Ir , Rn , Fr und Ra . Exotische Moleküle wie Positroniumhydrid wurden ebenfalls hergestellt.
Fesseln
Die Bindungen zwischen Wasserstoff und den anderen Elementen reichen von hoch bis etwas kovalent. Einige Hydride, z. B. Borhydride , entsprechen nicht den klassischen Regeln der Elektronenzählung und die Bindung wird durch Mehrzentrenbindungen beschrieben, während die interstitiellen Hydride oft eine metallische Bindung beinhalten . Hydride können diskrete Moleküle , Oligomere oder Polymere , ionische Feststoffe , chemisorbierte Monoschichten, Bulk-Metalle (Zwischengitter) oder andere Materialien sein. Während Hydride traditionell als Lewis-Basen oder Reduktionsmittel reagieren , verhalten sich einige Metallhydride als Wasserstoffatom-Donoren und wirken als Säuren.
Anwendungen
- Hydride wie Natriumborhydrid , Lithiumaluminiumhydrid , Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAL) und Superhydrid werden üblicherweise als Reduktionsmittel in der chemischen Synthese verwendet . Das Hydrid addiert sich an ein elektrophiles Zentrum, typischerweise ungesättigten Kohlenstoff.
- Hydride wie Natriumhydrid und Kaliumhydrid werden als starke Basen in der organischen Synthese verwendet . Das Hydrid reagiert mit der schwachen Brönsted-Säure unter Freisetzung von H 2 .
- Hydride wie Calciumhydrid werden als Trockenmittel , dh Trockenmittel, verwendet, um Spuren von Wasser aus organischen Lösungsmitteln zu entfernen. Das Hydrid reagiert mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Hydroxidsalz . Das trockene Lösungsmittel kann dann aus dem "Lösungsmitteltopf" destilliert oder vakuumübertragen werden.
- Hydride sind in Speicherbatterietechnologien wie Nickel-Metallhydrid-Batterien wichtig . Verschiedene Metallhydride wurden zur Verwendung als Mittel zur Wasserstoffspeicherung für brennstoffzellenbetriebene Elektroautos und andere zweckbestimmte Aspekte einer Wasserstoffwirtschaft untersucht .
- Hydridkomplexe sind Katalysatoren und katalytische Zwischenprodukte in einer Vielzahl von homogenen und heterogenen Katalysezyklen. Wichtige Beispiele umfassen Hydrierungs- , Hydroformylierungs- , Hydrosilylierungs- , Hydrodesulfurierungskatalysatoren . Sogar bestimmte Enzyme, die Hydrogenase , funktionieren über Hydrid-Zwischenprodukte. Der Energieträger Nicotinamidadenindinukleotid reagiert als Hydriddonor oder Hydridäquivalent.
Hydridion
Freie Hydridanionen existieren nur unter extremen Bedingungen und werden nicht für eine homogene Lösung herangezogen. Stattdessen haben viele Verbindungen Wasserstoffzentren mit hydridischem Charakter.
Neben Elektrid ist das Hydrid-Ion das einfachste mögliche Anion , bestehend aus zwei Elektronen und einem Proton . Wasserstoff hat eine relativ geringe Elektronenaffinität von 72,77 kJ/mol und reagiert als starke Lewis-Base exotherm mit Protonen .
Aufgrund der geringen Elektronenaffinität von Wasserstoff und der Stärke der H-H-Bindung (Δ H BE = 436 kJ/mol) wäre auch das Hydrid-Ion ein starkes Reduktionsmittel
Arten von Hydriden
Nach der allgemeinen Definition bildet jedes Element des Periodensystems (außer einigen Edelgasen ) ein oder mehrere Hydride. Diese Stoffe werden je nach Art ihrer Bindung in drei Haupttypen eingeteilt :
- Ionische Hydride , die einen signifikanten ionischen Bindungscharakter aufweisen.
- Kovalente Hydride , zu denen Kohlenwasserstoffe und viele andere Verbindungen gehören, die kovalent an Wasserstoffatome binden .
- Interstitielle Hydride , die als metallisch bindend beschrieben werden können .
Obwohl diese Unterteilungen nicht allgemein verwendet wurden, sind sie dennoch nützlich, um Unterschiede in Hydriden zu verstehen.
Ionische Hydride
Dies sind stöchiometrische Wasserstoffverbindungen. Ionische oder Salzhydride bestehen aus Hydrid, das an ein elektropositives Metall, im Allgemeinen ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall, gebunden ist . Die zweiwertigen Lanthanoide wie Europium und Ytterbium bilden Verbindungen ähnlich denen schwerer Erdalkalimetalle. In diesen Materialien wird das Hydrid als Pseudohalogenid betrachtet . Salzhydride sind in herkömmlichen Lösungsmitteln unlöslich, was ihre nichtmolekularen Strukturen widerspiegelt. Ionic Hydriden als Basen verwendet , und gelegentlich als Reduktions Reagenzien in der organischen Synthese .
- C 6 H 5 C(O)CH 3 + KH → C 6 H 5 C(O)CH 2 K + H 2
Typische Lösungsmittel für solche Reaktionen sind Ether . Wasser und andere protische Lösungsmittel können nicht als Medium für ionische Hydride dienen, da das Hydridion eine stärkere Base als Hydroxid und die meisten Hydroxylanionen ist . Bei einer typischen Säure-Base-Reaktion wird Wasserstoffgas freigesetzt.
Alkalimetallhydride reagieren häufig mit Metallhalogeniden. Lithiumaluminiumhydrid (oft als LAH abgekürzt) entsteht durch Reaktionen von Lithiumhydrid mit Aluminiumchlorid .
- 4 LiH + AlCl 3 → LiAlH 4 + 3 LiCl
Kovalente Hydride
Nach einigen Definitionen umfassen kovalente Hydride alle anderen wasserstoffhaltigen Verbindungen. Einige Definitionen beschränken Hydride auf Wasserstoffzentren, die formal als Hydride reagieren, dh nukleophil sind, und Wasserstoffatome, die an Metallzentren gebunden sind. Diese Hydride werden von allen echten Nichtmetallen (außer Elementen der Nullgruppe) und den Elementen wie Al, Ga, Sn, Pb, Bi, Po usw. gebildet, die normalerweise metallischer Natur sind, dh diese Klasse umfasst die Hydride von p-Block-Elementen. Bei diesen Stoffen ist die Hydridbindung formal eine kovalente Bindung, ähnlich wie die Bindung eines Protons in einer schwachen Säure . Diese Kategorie umfasst Hydride, die als diskrete Moleküle, Polymere oder Oligomere vorliegen, und Wasserstoff, der chemisch an eine Oberfläche adsorbiert wurde. Ein besonders wichtiges Segment kovalenter Hydride sind komplexe Metallhydride , starke lösliche Hydride, die üblicherweise in Syntheseverfahren verwendet werden.
Molekulare Hydride beinhalten oft zusätzliche Liganden; B. Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAL) besteht aus zwei Aluminiumzentren durch Hydridliganden überbrückt. Hydride, die in üblichen Lösungsmitteln löslich sind, werden häufig in der organischen Synthese verwendet. Besonders verbreitet sind Natriumborhydrid (NaBH 4 ) und Lithiumaluminiumhydrid und gehinderte Reagenzien wie DIBAL.
Interstitielle Hydride oder Metallhydride
Interstitielle Hydride kommen am häufigsten in Metallen oder Legierungen vor. Sie werden traditionell als "Verbindungen" bezeichnet, obwohl sie nicht genau der Definition einer Verbindung entsprechen und eher üblichen Legierungen wie Stahl ähneln. In solchen Hydriden kann Wasserstoff entweder als atomare oder zweiatomige Einheiten vorliegen. Durch mechanische oder thermische Bearbeitung wie Biegen, Schlagen oder Glühen kann der Wasserstoff durch Entgasung aus der Lösung ausfallen. Ihre Bindung wird allgemein als metallisch angesehen . Solche Bulk-Übergangsmetalle bilden interstitielle binäre Hydride, wenn sie Wasserstoff ausgesetzt werden. Diese Systeme sind normalerweise nicht stöchiometrisch , mit variablen Mengen an Wasserstoffatomen im Gitter. In der Werkstofftechnik entsteht das Phänomen der Wasserstoffversprödung durch die Bildung von interstitiellen Hydriden. Hydride dieses Typs bilden sich nach einem von zwei Hauptmechanismen. Der erste Mechanismus beinhaltet die Adsorption von Wasserstoff, gefolgt von der Spaltung der HH-Bindung, der Delokalisierung der Elektronen des Wasserstoffs und schließlich der Diffusion der Protonen in das Metallgitter. Der andere Hauptmechanismus beinhaltet die elektrolytische Reduktion von ionisiertem Wasserstoff an der Oberfläche des Metallgitters, gefolgt von der Diffusion der Protonen in das Gitter. Der zweite Mechanismus ist für die beobachtete temporäre Volumenausdehnung bestimmter Elektroden verantwortlich, die in elektrolytischen Experimenten verwendet werden.
Palladium nimmt bei Raumtemperatur bis zum 900-fachen seines Eigenvolumens Wasserstoff auf und bildet Palladiumhydrid . Dieses Material wurde als ein Mittel zur Durchführung von Wasserstoff für Fahrzeug diskutiert Brennstoffzellen . Interstitielle Hydride sind als Weg zur sicheren Wasserstoffspeicherung vielversprechend . Neutronenbeugungsstudien haben gezeigt, dass Wasserstoffatome zufällig die Oktaederzwischenräume im Metallgitter besetzen (in einem fcc-Gitter gibt es ein Oktaederloch pro Metallatom). Die Absorptionsgrenze bei Normaldruck liegt bei PdH0,7, was darauf hinweist, dass etwa 70 % der oktaedrischen Löcher besetzt sind.
Es wurden viele interstitielle Hydride entwickelt, die bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck leicht Wasserstoff absorbieren und abgeben. Sie basieren meist auf intermetallischen Verbindungen und Mischkristalllegierungen. Ihre Anwendung ist jedoch noch begrenzt, da sie nur etwa 2 Gewichtsprozent Wasserstoff speichern können, was für Automobilanwendungen nicht ausreichend ist.
Übergangsmetallhydrid-Komplexe
Übergangsmetallhydride umfassen Verbindungen, die als kovalente Hydride klassifiziert werden können . Einige werden sogar als interstitielle Hydride und andere verbrückende Hydride klassifiziert. Klassische Übergangsmetallhydride weisen eine Einfachbindung zwischen dem Wasserstoffzentrum und dem Übergangsmetall auf. Einige Übergangsmetallhydride sind sauer, zB HCo(CO) 4 und H 2 Fe(CO) 4 . Die Anionen [ReH 9 ] 2− und [FeH 6 ] 4− sind Beispiele aus der wachsenden Sammlung bekannter molekularer homoleptischer Metallhydride. Als Pseudohalogenide sind Hydridliganden in der Lage, mit positiv polarisierten Wasserstoffzentren zu binden. Diese Wechselwirkung, Diwasserstoffbrücken genannt , ähnelt der Wasserstoffbrückenbindung , die zwischen positiv polarisierten Protonen und elektronegativen Atomen mit offenen freien Elektronenpaaren besteht.
Deuteriden
Deuteriumhaltige Hydride werden als Deuteride bezeichnet . Einige Deuteride wie LiD sind wichtige Fusionsbrennstoffe in thermonuklearen Waffen und nützliche Moderatoren in Kernreaktoren .
Gemischte anionische Verbindungen
Es gibt gemischte anionische Verbindungen , die Hydrid mit anderen Anionen enthalten. Dazu gehören Borid Hydride, carbohydrides , hydridonitrides , oxyhydrides und andere.
Anhang zur Nomenklatur
Protid , Deuterid und Tritid werden verwendet, um Ionen oder Verbindungen zu beschreiben, die angereicherten Wasserstoff-1 , Deuterium bzw. Tritium enthalten.
In der klassischen Bedeutung bezieht sich Hydrid auf jede Verbindung von Wasserstoff, die mit anderen Elementen gebildet wird, und reicht über die Gruppen 1–16 (die binären Verbindungen von Wasserstoff ). Nachfolgend eine Auflistung der Nomenklatur für die Hydridderivate von Hauptgruppenverbindungen nach dieser Definition:
- Alkali- und Erdalkalimetalle : Metallhydrid
- Bor : Boran , BH 3
- Aluminium : Aluman , AlH 3
- Gallium : Gallan , GaH 3
- Indium : Indigan , InH 3
- Thallium : Thallan , TlH 3
- Kohlenstoff : Alkane , Alkene , Alkine und alle Kohlenwasserstoffe
- Silizium : Silan
- Germanium : german
- Zinn : Stannan
- Blei : Plumbane
- Stickstoff : Ammoniak ("Azan", wenn substituiert ), Hydrazin
- Phosphor : Phosphin (beachten Sie, dass "Phosphan" der von der IUPAC empfohlene Name ist)
- Arsen : Arsine (Beachte "Arsane" ist der von der IUPAC empfohlene Name)
- Antimon : Stibine (beachten Sie, dass "stibane" der von der IUPAC empfohlene Name ist)
- Wismut : Wismuthin (Anmerkung "Wismutan" ist der von der IUPAC empfohlene Name)
- Helium : Heliumhydrid (existiert nur als Ion)
Nach obiger Konvention sind dies „Wasserstoffverbindungen“ und nicht „Hydride“:
- Sauerstoff : Wasser ("Oxidan", wenn substituiert; Synonym: Sauerstoffhydrid), Wasserstoffperoxid
- Schwefel : Schwefelwasserstoff ("Sulfan" wenn ersetzt) Synonym: Schwefelhydrid
- Selen : Selenwasserstoff ("Selan", wenn ersetzt)
- Tellur : Wasserstofftellurid ("Tellan", wenn ersetzt)
- Polonium : Wasserstoffpolonid ("Polan", wenn ersetzt)
- Halogene : Halogenwasserstoffe
Beispiele:
- Nickelhydrid : verwendet in NiMH-Akkus
- Palladiumhydrids : Elektroden in der kalten Fusion Experimente
- Lithiumaluminiumhydrid : ein starkes Reduktionsmittel, das in der organischen Chemie verwendet wird
- Natriumborhydrid : selektives Spezialreduktionsmittel, Wasserstoffspeicherung in Brennstoffzellen
- Natriumhydrid : eine starke Base, die in der organischen Chemie verwendet wird
- Diboran : Reduktionsmittel, Raketentreibstoff, Halbleiterdotierstoff, Katalysator, verwendet in der organischen Synthese; auch Boran , Pentaboran und Decaboran
- Arsin : wird zum Dotieren von Halbleitern verwendet
- Stibin : in verwendeten Halbleiterindustrie
- Phosphin : zur Begasung verwendet
- Silan : viele industrielle Anwendungen, zB Herstellung von Verbundmaterialien und Hydrophobierungsmitteln
- Ammoniak : Kühlmittel , Kraftstoff , Dünger , viele andere industrielle Anwendungen
- Schwefelwasserstoff : Bestandteil von Erdgas , wichtige Schwefelquelle
- Chemisch könnten sogar Wasser und Kohlenwasserstoffe als Hydride angesehen werden.
Alle Metalloidhydride sind leicht entzündlich. Alle festen nichtmetallischen Hydride außer Eis sind leicht entzündlich. Aber wenn sich Wasserstoff mit Halogenen verbindet, entstehen eher Säuren als Hydride, und sie sind nicht brennbar.
Vorrangkonvention
Gemäß der IUPAC-Konvention fällt Wasserstoff nach Vorrang (stilisierte Elektronegativität) zwischen die Elemente der Gruppe 15 und der Gruppe 16 . Daher haben wir NH 3 , "Stickstoffhydrid" (Ammoniak), gegenüber H 2 O, "Wasserstoffoxid" (Wasser). Diese Konvention wird manchmal für Polonium gebrochen, das aufgrund der Metallizität von Polonium oft als "Poloniumhydrid" anstelle des erwarteten "Hydrogenpolonids" bezeichnet wird.
Siehe auch
- Stammhydrid
- Hydron (Wasserstoffkation)
- Hydronium
- Proton
- Wasserstoffion
- Hydrid-Kompressor
- Superhydride
Verweise
Literaturverzeichnis
WM Mueller, JP Blackledge, GG Libowitz, Metal Hydrides , Academic Press, NY und London, (1968)
Externe Links
- Medien zu Hydriden bei Wikimedia Commons