Hidridek

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A hidridek a hidrogén vegyületeinek összefoglaló neve.


A hidridek alábbi típusait különböztetjük meg:

  • Ionos hidridek: jellemzően az 1-2. csoport hidridjei, pl. LiH, CaH2
  • Kovalens hidridek: nemfémekkel, félfémekkel. Pl. HCl, H2S, NH3, CH4, AsH3, B2H6 stb.
  • Interszticiális hidridek: az ötvözetekhez hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, a legtöbb átmenetifémmel létrejönnek
  • Komplex hidridek: jellemzően fém-tetrahidrido-borátok, -aluminátok

Az alapvegyületek nevezéktana[1][szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Általános megfogalmazásban a legegyszerűbb alapvegyületek olyan molekulák, amelyekben hidrogének mellett csak egy másik elem egyetlen atomja található. Ezeket a vegyületeket nevezzük egycentrumos hidrideknek.

Egyes elemek képesek arra, hogy összekapcsolódjanak és láncokat képezzenek. Ha az egymáshoz kapcsolódó atomokhoz csak hidrogének kapcsolódnak, többcentrumos hidridek jönnek létre.

Az egycentrumos hidridek neve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az egycentrumos hidridek szabályos elnevezése úgy történik, hogy a központi atomra utaló névhez az -án végződést illesztjük (hasonlóan az alkán névhez).

képlet név
SiH4 szilán
PH3 foszfán

A szén, az oxigén és a nitrogén esetében azonban a megfelelő egycentrumos hidridek széles körben ismertek, ezért elnevezésükre történelmi okokból a szabályos nevek helyett a tradicionális neveket használjuk (a hidridek egységes kezelése miatt a H2O esetében nem a szokásos írásmódot használtuk).

képlet szabályos név triviális név
CH4 karbán metán
NH3 azán ammónia
OH2 oxidán víz

A víz és az ammónia esetében a triviális nevek csak az alapvegyületek neveiként használhatók, a szubsztituált származékok elnevezésére már nem.

A többcentrumos hidridek neve[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Szabályos elnevezésük úgy történik, hogy a láncot alkotó elem neve elé a láncot létrehozó atomok számára utaló sokszorozó előtagot (di-, tri-, tetra-, penta- stb.) illesztjük.

Pentaszilan vonalas-atomcsoportos keplete.jpg
pentaszilán

A nitrogén és az oxigén esetében a többatomos alapvegyületek elnevezésére a szabályos nevek (diazán, dioxidán) helyett a tradicionális neveket (hidrazin, hidrogén-peroxid) is használni lehet.

Hidrazin vonalas-atomcsoportos keplete.jpg
diazán (hidrazin)
Hidrogen-peroxid vonalas-atomcsoportos keplete.jpg
dioxidán (hidrogén-peroxid)

Heteroatomokat tartalmazó alapvegyületek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A szénlánc egyes szénatomjait más atomokkal helyettesíthetjük. A szénatomokat helyettesítő atomokat heteroatomoknak nevezzük. Az oxigén, a nitrogén és a kén a leggyakoribb heteroatomok a szerves kémiában. A heteroatomok jelölésére az úgynevezett a végű előtagokat használjuk.

heteroatom előtag
oxigén oxa
kén tia
nitrogén aza
szilícium szila

A lánc számozását arról az oldalról kezdjük, amelyikhez közelebb van az első heteroatom.

248-trioxaundekan vonalas-atomcsoportos keplete.jpg
2,4,8-trioxaundekán

A heteroatomokat tartalmazó vegyületek fenti, szabályos elnevezését akkor alkalmazzuk a szerves kémiában, amikor egy alkán két vagy több, nem láncvégi szénatomját helyettesítjük heteroatomokkal.

Ha a szénatom heteroatommal történő helyettesítésekor alkohol, éter vagy amin keletkezik, akkor azok nevezéktana a mérvadó, nem az itt leírtak.

Ionos (sószerű) hidridek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ezekben a vegyületekben a hidrogén hidridion, H formájában van jelen. Jellemzően az alkálifémek és alkáliföldfémek hidridjei tartoznak ide.

I. A II. A
LiH BeH2
NaH MgH2
KH CaH2
RbH SrH2
CsH BaH2

Fizikai tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jellemzően fehér vagy színtelen kristályos anyagok.

Rendszerint az eredeti fémnél tömörebb, sűrűbb anyagok.

Az olvadék vezeti az elektromos áramot, a hidrogén az anódon oxidálódik.

Kémiai tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Hevítve olvadáspontjuk alatt elbomlanak (kivéve a lítium-hidridet). Termikus stabilitásuk egy oszlopon belül lefelé haladva csökken, reakciókészségük pedig nő.

Vízzel (protonforrással) heves reakcióba lépnek. Hidrolízis közben hidrogén képződik:

H + H+ = H2

CaH2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + 2 H2

Redukálószerek.

Előállítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Elemek közötti reakció magasabb hőmérsékleten (pl. 300°C)

Felhasználás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • LiH, CaH2: szállítható hidrogénforrások alapja
  • LiH, NaH, KH: szupravezetők alapanyaga
  • MgH2/Ni: potenciális H2-raktározó kémiai áramforrások elektródjában

Kovalens hidridek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jellemzően a p-mező elemeinek hidridjei tartoznak ide.

IV. A V. A VI. A VII. A
CH4 NH3 H2O (HF)x
SiH4 PH3 H2S HCl
GeH4 AsH3 H2Se HBr
SnH4 SbH3 H2Te HI

A IV-VII. főcsoportok elemei (C, N, O, F...) a hidrogénnel kovalens kötésű, sztöchiometrikus összetételű hidrideket képeznek (szénhidrogének, ammónia, víz, HF...). Ezen oszlopok nemfémes elemeinek, valamint a kisebb rendszámú félfémeknek a hidridjei stabilak, azonban különösen a fémek hidridjei bomlékonyabb, instabil vegyületek. A nemfémek hidridjeiben a hidrogén elektronegativitása a kisebb, relatív parciális töltése pozitív. A IV. csoportban a szimmetrikus molekulaszerkezet miatt a hidridek apolárosak lesznek. Mivel ezek a hidridek molekularácsos vegyületek, és a molekulák közötti kötőerők nem túl erősek, olvadás- és forráspontjuk viszonylag alacsony (gázok vagy folyadékok).

Fizikai tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A kovalens hidridek forráspontja: oszlopon belül a rendszámmal nő, kivéve a 2. periódus hidridjeit (HF, H2O, NH3), ahol hidrogénkötés is van.

Kémiai tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A hidridek gyakran „polimerizálódnak”:

  • boránok: BxHy, ahol x maximum ~25
  • szénhidrogének: CxHy, ahol x-nek elvileg nincs felső határa
  • szilánok: SixHy, ahol x maximum ~8
  • germánok: GexHy, ahol x maximum ~5

Reakciók[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A halogének hidridjei erősen polárosak. Vízben jól oldódnak, kiváló protondonorok, erős savak:

HX + H2O → H3O+ + X

A kalkogének hidridjei valamivel kevésbé polárosak. Vízben jól oldódnak, gyenge savak:

H2S + H2O → H3O+ + HS

Az ammónia vízben jól oldódik, gyenge bázis:

NH3 + H2O → NH4+ + OH

A szén hidridjei vízben rosszul oldódnak, magasabb hőmérsékleten, katalizátor jelenlétében reakcióba lépnek:

CH4 + H2O → CO + 3 H2
CH4 + 2 H2O → CO2 + 4 H2

A borán reakciója:

B2H6 + 6 H2O = H3BO3 + 6 H2

A boránok oxigén jelenlétébe hevesen, nagy hőfelszabadulás mellett elégnek.

Előállítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

2 BF3 + 6 NaH = B2H6 + 6 NaF (180°C)

MCl4 + LiAlH4 = MH4 + LiCl + AlCl3 M = Si, Ge (éterben)

P4 + 3 KOH + 3 H2O = PH3 + 3 KH2PO2

Felhasználás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Nagytiszta prekurzorgázok CVD-re (fémbevonatok)
  • Amorf és epitaxiális Si-, Ge-, Si-Ge- stb. rétegek, dielektrikumok leválasztásához,
  • III-V félvezetőrétegek (pl. GaN, InP) előállításához,
  • Dópoláshoz (pl. vezetőképesség, optikai tulajdonságok jelentős módosítása kis mennyiségű adalék hozzáadásával) és ion-implantációhoz
  • Integrált áramkörök, optoelektronikai eszközök gyártásában.

Interszticiális hidridek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az interszticiális (fémes, fémszerű) hidridek jellemzően a d- és f-mező elemeinek hidridjei.

III. B IV. B V. B VI. B VII. B VIII. B I. B II. B
ScH2 TiH2 VH
VH2
CrH x x CuH ZnH
YH2
YH3
ZrH2 NbH
NbH2
x x PdHx (x<1) x x
LaH2
LaH3
HfH2 TaH x x x x x

Fémes hidrideket az átmenetifémek képeznek. Ezek a hidridek rendelkeznek a fémekre jellemző tulajdonságokkal: nagy hővezető képesség, elektromos vezetőképesség, szilárdság, fémes fényű felület és néhány esetben elfogadható mechanikai tulajdonságok. Jellemző rájuk, hogy széles hidrogéntartalom tartományban homogén anyagként viselkednek.

A fémszerű hidridek (pl. a lantanidák, aktinidák, a króm, a mangán, a vas- és a platinacsoport esetében) átmeneti jellegűek a sók és a hidrogénnek fémben való oldata között.

A hidrogénatom illetve proton az átmenetifém rácsában, hézagaiban oldódik.

Változó sztöchiometriájú, ötvözetszerű fémes hidridek, a hidrogénatom elektronja π-orbitálon delokalizált

A hidridképződéskor a rács kitágul, sűrűség csökken.

A hidrogén-fém arány függ:

  • a fém minőségétől (a periódusban balról jobbra csökken)
  • a hőmérséklettől (általában növekvő hőmérséklettel csökken, kivétel a Pt, Fe, Ni: a hőmérséklet növekedésével egy ideig nő, majd csökken (a rács tágulása és a hidrogénatom kinetikus energiája verseng)

A hidrogéntartalom növekedésével legtöbbjük - de nem mind – fázisátalakuláson (hidrid képződés) megy keresztül.

A hidridképző fémek esetén kis hidrogéntartalomnál még csak oldott állapotban van jelen hidrogén. Ennek mennyisége a fémet körülvevő gázban lévő H2 parciális nyomásának növekedésével folyamatosan nő. Amikor az oldott hidrogén mennyisége elér egy, a hőmérséklettől is függő küszöbértéket, a fém-hidrogén szilárd oldatban megindul a hidrid kristályok képződése, ami elsőrendű fázisátalakulás. Mint minden elsőrendű fázisátalakulás, ez is nukleációval járó folyamat. Új kristályszerkezet, új szimmetriaviszonyok alakulnak ki, állandó sztöchiometriával. Az új fázis kialakulása törésszerű változást okoz az entrópiában és a térfogatban, a nyomástól függetlenné válik a hidrogéntartalom.

A hagyományos kristályos hidrogéntároló anyagokban kis hidrogéntartalmak esetén a hidrogén kis mérete miatt a rácsot alkotó fém atomok közötti intersztíciós helyeket foglalja el.

A BeH2, AlH3 (diagonálszabály) molekulaszerkezete átmenet az ionos és a kovalens kötés közt. A berillium, magnézium, az alumínium a hidrogénnel nem reagál, a közvetve nyert hidridek polimerizálódnak, pl. az (AlH3)2 fehér, kristályos massza, melyet redukálószerként használnak.

Polimerszerű szerkezet. A kötés poláris, hidridhidat képez.

Protondonorokkal H2-t fejleszt.

Előállítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Az elemekből megfelelő nyomáson
  • AlCl3 + Li[AlH4] → AlH3

Felhasználás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Elterjedtek a palládium, a platina és néhány egyéb átmenetifém hidridjei.

  • H2-tisztítás, -tárolás (üzemanyagcellákhoz), katalizátorok
  • Fém-hidridekkel kisebb helyen lehet tárolni a hidrogént, mint nagy nyomáson gáz alakjában vagy alacsony hőmérsékleten folyadék formájában.

Komplex hidridek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

M[EH4]n , E = B, Al, vagy Ga; n = Mn+ a kation töltése

Kémiai és termikus stabilitásuk kicsi:

Erélyes redukálószerek.

Szerkezeti sajátságok: a komplex hidridekben megjelennek az ionos és a kovalens tulajdonságok is

ionos kovalens (atomrácsos)
LiBH4 Be(BH4)2
NaBH4 Al(BH4)3
KBH4 Ti(BH4)3
Th(BH4)4 U(BH4)4

Előállítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

EH3 + H-EH4

Na + Al + 2 H2 = NaAlH4 (THF/140°C/350 atm/3 h; 99%-os hozam)

Na2B4O7 + 7 SiO2 + 16 Na + 8 H2 = 4 NaBH4 + 7 Na2SiO3 (mérsékelt nyomás/450-500°C)

Felhasználás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az üzemanyagtárolás területén talán a komplex hidridek rendelkeznek a legnagyobb lehetőségekkel arra, hogy egyszerre nyújtsanak nagy tömeg% hidrogént és kívánatos kibocsátási/elnyelési kinetikát [2] A palládium, a nikkel, a cirkónium felhasználásával is végeztek ígéretes kutatásokat.

A fémhidridek képesek szerkezetükben lekötni és eltárolni, majd hőnek kitéve kiereszteni a hidrogént. Ezután egy üzemanyagcella rendszerben a hidrogént oxigénnel vegyítve elektromosság termelődik. A GM és a Sandia, az Egyesült Államok Nemzeti Nukleárisbiztonsági Minisztériumának laboratóriuma, egy négyéves, 10 milliárd dolláros program keretein belül fogja kifejleszteni és tesztelni azokat a tartályokat, melyek egy összetett hidridben, a nátrium alumínium hidridben, röviden nátrium alanátban tárolják a hidrogént.[3]

LiBH4, NaBH4, LiAlH4: sokoldalú redukálószerek

NaBH4 (LiBH4): fémbevonatok (pl. Ni) árammentes leválasztása

Zr(BH4)4, Hf(BH4)4: CVD alapanyaga

NaAlH4, Na3AlH6: hidrogén-raktározás üzemanyagcellák számára

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Kis kémiai szótár

Külső hivatkozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]