氢化物——定义、类型、用途、例子

氢与另一种元素结合的任何一组化合物都称为氢化物。根据所涉及的化学连接类型，可以区分三种基本类型的氢化物：盐水（离子）、金属和共价。根据结构，可以识别氢化物的第四种形式，二聚（聚合）氢化物（参见硼烷）。铝、铜和氢化铍等非导体以固态、液态和气态形式存在。它们都是热不稳定的，如果与空气或湿气接触，其中一些会爆炸。

什么是氢化物？

Hydride is the formal name for the anion of hydrogen, H^–. The phrase is used in a broad sense. At one extreme, any compounds containing covalently bound H atoms are referred to be hydrides: water is an oxygen hydride, ammonia is a nitrogen hydride, and so on. 

氢化物是具有氢共价键合到电负性较小的元素的分子和离子。在这种情况下，与酸的质子性质相反，H 核具有亲核特性。氢化物阴离子极为罕见。

氢与其他元素的键范围从极端到轻微共价。一些氢化物，例如硼氢化物，不符合标准的电子计数原理，它们的键合用多中心键来解释，而间隙氢化物通常需要金属键合。氢化物可以采用单分子、低聚物或聚合物、离子固体、化学吸附单分子层、块状金属（间隙）或其他材料的形式。虽然大多数氢化物作为路易斯碱或还原剂作出反应，但一些金属氢化物作为氢原子供体起作用，因此作为酸起作用。

氢化物的种类

氢化物分为三类或组。类别由与氢形成键的元素决定，或简单地由化学键决定。Ionic氢化物、共价氢化物和金属氢化物是氢化物的三种类型。

Ionic或盐水氢化物

当氢分子与高正电性 s-block 成分结合时，它们会产生（碱金属和碱土金属）。

Ionic hydrides are crystalline, non-conducting, and non-volatile in solid form. They do, however, conduct electricity when they are liquid. When ionic hydrides are electrolyzed, hydrogen gas is liberated at the anode. Because saline or ionic hydrides do not dissolve in common solvents, they are usually used as bases or reducing reagents in chemical synthesis. 

NIH is an example.

纯净时，这些化合物是白色结晶固体，然而，由于微量金属杂质，它们通常是灰色的。根据结构研究，这些化合物含有氢化物阴离子 H ^- ，其结晶半径随金属特性而变化，但介于氟离子 F ^-的中间。由于盐水氢化物与水剧烈反应，释放出大量气态氢，因此它们可用作轻便的便携式氢源。

铍和镁都是碱土金属，也可以产生化学计量的 MH ₂氢化物。另一方面，这些氢化物在性质上更具共价字符。虽然纯BeH ₂难以分离，但其结构被认为是具有桥接氢原子的聚合物。氢化钠NaH和氢化钙CaH ₂是二元盐水氢化物的另外两个例子。氢化铝锂 LiAlH ₄和硼氢化钠 NaBH ₄都是用作还原剂的商业化合物，并且是复合盐水氢化物（在氧化还原反应中提供电子的物质）的例子。

共价氢化物

当氢与其他相关的电负性元素（如 Si、C 等）结合时会产生硅烷。 CH ₄和NH ₃是两个最常见的例子。共价氢化物通常是氢与非金属反应时产生的化合物。这些化学物质具有共价键，可以是挥发性的或非挥发性的。共价氢化物既是液体又是气体。

The majority of nonmetal hydrides are volatile compounds with weak van der Waals intermolecular interactions that hold them together in condensed form. Unless their properties are adjusted by hydrogen bonding, covalent hydrides are liquids or gases with low melting and boiling points (as in water). Covalent hydrides can be made from the periodic elements boron (B), aluminium (Al), and gallium (Ga). Boron undergoes a complex succession of hydrides.

随着元素周期表从第 13 族移动到第 17 族，非金属氢化合物在性质上变得更酸性和更少氢化。也就是说，随着年龄的增长，他们提供 H 的能力会降低^，而更倾向于贡献 H ⁺ 。碳具有元素周期表中第 14 族中任何元素中最全面的氢化合物类别。第 14 族中的所有其他元素形成的氢化物既不是良好的 H ⁺供体也不是良好的 H ⁺供体。

每个卤素与氢产生一个二元化合物 HX。在室温和压力下，这些化合物是气体，由于分子间氢键，氟化氢的沸点最高。卤化氢，如第 16 族，是水溶液中的质子供体。然而，作为一类，这些分子是强得多的酸。 HX 化合物的酸强度随着组内向下移动而增加，其中 HF 是最弱的酸，HI 是最强大的质子供体。除 HF 外，所有的卤化氢都溶于水生成强酸。 HF 和其他 HX 化合物之间的质子供体能力差异可归因于许多变量，其中一个是氢和氟之间形成的强键。

金属氢化物

A metal hydride is a hydrogen compound that reacts with another metal element to form a bond. The link is generally covalent, however, hydrides can also be produced using ionic bonds. These are typically generated by transition metals and are non-stoichiometric, hard, and have high melting and boiling points.

氢化物等金属合金具有一些类似金属的特性，例如光泽和高导电性。它们具有不同的物理特性，有些比制造它们的金属更易碎，而另一些则更硬。在自然界中，这些物质被认为是盐和合金之间的中间体。金属氢化物主要由质子（正氢离子）和漂浮在电子海中的金属原子组成。氢化物的光泽和电导率与电子迁移率的相对自由度有关。

金属氢化物是通过将氢气与金属或金属合金结合而产生的。含有最具正电性的过渡金属的化合物受到了最多的关注（钪、钛和钒族）。例如，钛、锆和铪在吸收氢并释放热量时会产生非化学计量的氢化物。这些氢化物与细碎金属具有相同的化学反应性，在室温下保持稳定，但在空气中或与酸性化学物质加热时变得具有反应性。它们也具有金属的外观，为灰黑色固体。该金属似乎处于+3氧化态，主要具有离子键合。在一些过程中，例如冶金，这些氢化物被用作还原剂。

该结构还可用于识别氢化物的第四种形式，即二聚（聚合）氢化物。铝，也许还有铜和铍的氢化物是固态、液态或气态的非导体。它们都是热不稳定的，其中一些在接触空气或湿气时会爆炸。

氢化物的用途

• 在化学合成中，氢化物如硼氢化钠、DIBAL 和超氢化物通常用作还原剂。氢化物与亲电核反应，该核通常是不饱和碳。
• 在有机合成中，氢化物如氢化钠和氢化钾被用作强碱。当氢化物与弱布朗斯台德酸结合时，会产生 H ₂ 。
• 干燥剂或干燥剂（例如氢化钙）用于去除有机溶剂中的痕量水。当氢化物与水结合时，会产生氢和氢氧化物盐。然后可以将干燥的溶剂从溶剂罐中真空转移或蒸馏出来。
• 氢化物在镍氢电池等蓄电池技术中发挥着至关重要的作用。已经研究了各种金属氢化物用作燃料电池驱动的电动汽车和氢经济的其他组成部分的氢储存。
• 氢化物配合物在广泛的均相和多相催化循环中充当催化剂和中间体。用于氢化、加氢甲酰化、氢化硅烷化和加氢脱硫的催化剂都是重要的例子。

示例问题

问题1：什么是氢化物？

回答：

Hydrides are molecules and ions that have hydrogen covalently bonded to a less electronegative element.

问题2：第四类氢化物是什么？

回答：

On the basis of structure, a fourth form of hydride, dimeric hydride, is identified. Aluminum and perhaps copper and beryllium hydrides are solid, liquid, or gaseous nonconductors. All of them are thermally unstable, and some of them explode when they come into touch with air or moisture.

问题3：大多数非金属氢化物的性质是什么？

回答：

The majority of nonmetal hydrides are volatile compounds with weak van der Waals intermolecular interactions that hold them together in condensed form. Unless their characteristics are changed by hydrogen bonding, covalent hydrides are liquids or gases with low melting and boiling points.

问题4：盐水氢化物是如何形成的？

回答：

When a hydrogen molecule reacts with highly electropositive s-block elements, they are formed.

问题 5：金属氢化物有哪些特性？

回答：

Metallic alloylike hydrides have some metal-like properties, such as lustre and high electrical conductivity. They do, however, have a wide range of physical properties, with some being more brittle than the metals from which they are made and others being harder. In nature, such compounds are considered intermediates between salts and alloys.