Wodorki
Wodorki to związki pierwiastków z wodorem.
Wzór wodorku pierwiastka X to XH n lub H n X. Wartościowość pierwiastka X rośnie wraz z numerem grupy do 4 grupy głównej (14) i następnie spada do z wzrostem numeru grupy, poniżej zamieszczona jest tabela:
| Grupa | 1 | 2 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| wartościowość | 1 | 2 | 3 | 4 | 3 | 2 | 1 |
| Wodorek | XH | XH 2 | XH 3 | XH 4 | XH 3 | H 2 X | HX |
| Przykład | NaH | BaH 2 | GaH 3 | SiH 4 | AsH 3 | H 2 S | HI |
W bloku d również występują wodorki metali, ale jak to w bloku d - nie ma reguły co do wartościowości, zwykle jest najniższa wartościowość na której dany atom tworzy tlenki. W związku z pośrednią elektroujemnością wodoru, która wynosi około 2.1 w skali Paulinga charakterystyka, reaktywność i nazewnictwo połączeń pierwiastków z wodorem zależy od polaryzacji wiązań wodór - pierwiastek. Jeżeli atom centralny (zwykle atom metalu, czasem półmetalu) jest mniej elektroujemny, wiązanie jest spolaryzowane w stronę wodoru, wówczas ładunek ujemny jest na atomie na wodoru (stopień utlenienia -I) Związki te reagują chętnie z związkami posiadającymi wodór o ładunku dodatnim (stopień utlenienia +I) w reakcji tzw. synproporcjonacji z utworzeniem wodoru cząsteczkowego (H 2 , stopień utlenienia 0). Wodorki 16 i 17 grupy z uwagi na wysoką elektroujemność atomu centralnego charakteryzują się dużym ładunkiem ujemnym na atomie centralnym i tym samym dodatnim ładunkiem na atomach wodoru. Skutkuje to kwaśnością tych atomów wodoru- w końcu są pierwiastki tworzące kwasy nieorganiczne. Wodorki azotu i fosforu również posiadają wiązanie spolaryzowane w stronę atomu centralnego, jednak w przeciwieństwie do grupy 16 i 17, wiązanie to jest zbyt słabo spolaryzowane aby mogło się rozpaść w wodzie. Związki te posiadają wolną parę elektronową, co wraz z dość dużą trwałością wiązania H-X, co umożliwia wykazywanie właściwości zasadowych dla tych wodorków. Jedyny wodorek grupy 14, który ma ładunek dodatni na atomie centralnym -metan CH 4 nie ma ani właściwości kwasowych ani zasadowych.
Zgodnie z zaleceniami UIPAC, o ile się jeszcze nie zmieniły, w wzorze związku jako pierwszy atom występuje atom o mniejszej elektroujemności, nazwę rozpatrujemy jako pochodną atomu o mniejszej elektroujemności (wpierw ten bardziej elektroujemny).
Kilka przykładów:
CaH 2 - mamy wodór i wapń (elektroujemność odpowiednio 2,1 i 1), wodór jest bardziej elektroujemny, w związku z czym jest to wodorek wapnia. Sprawdźmy jeszcze wapń - jest w drugiej grupie więc wzór wodorku się zgadza.
BH 3 - wodór i bor (2,1 i 2) czyli wodorek boru
CH 4 - wodór i węgiel (2,1 i 2,5) - węglik wodoru
SiH 4 - wodór i krzem (2,1 i 1,8) - wodorek krzemu
PH 3 - wodór i fosfor (2,1 i 2, 1) - fosforek wodoru z uwagi na podobną reaktywność do amoniaku (azotku wodoru, NH 3 )
H 2 S - siarczek wodoru, siarkowodór.
Zobaczmy w drugą stronę:
Selenek wodoru - Selen jest w 16 grupie, więc wzór to XH 2 , H 2 Se
Zwyczajowy zapis związków z wodorem 14 i 15 grupy jest inny niż wynikający z reguł IUPAC - najpierw piszemy symbol atomu centralnego, choć zgodnie z regułami często powinno być na odwrót. Zapis ten wynika z chęci odróżnienia od wodorków o właściwościach kwasowych (kwasów beztlenowych) od całej reszty.
Istnieją różne systemy nazewnictwa wodorków, opisany powyżej jest obecnie zalecany, ale stosunkowo często stosuje się inne reguły:
dla wodorków kwasowych nazwę tworzymy przez zlepek nazwy atomu i końcówki wodór, np. siarkowodór, jodowodór, tlenowodór.
Wodorki 14, 15 i 16 grupy czasem nazywa się przez dodatek końcówki -an do nazwy związku np. PH 3 - fosfan, SiH 4 -silan, H 2 O -oksan. System ten, choć popularny na zachodzie (o czym należy pamiętać czytając angielskojęzyczne materiały), w kraju kwitnącej lipy zwanym Polską raczej się nie przyjmie z uwagi na podobieństwo końcówek do nazw soli tlenowych (H 2 S to raczej nie siarczan, no chyba, że sufluran).
Część wodorków ma nazwy zwyczajowe, szczególnie popularne to NH 3 -amoniak, CH 4 -metan.
Wodorki metali są ciałami stałym, wodorki niemetali i półmetali - zwykle gazami (głównym wyjątkiem jest woda)
wodorki otrzymywanie :
- synteza bezpośrednia
\[S + H_{2} \rightarrow \ H_{2}S\]
\[2Na\ + H_{2} \rightarrow 2NaH\]
\[N2 + 3H_{2} \rightarrow \ NH_{3}\]
- redukcja tlenku:
\[CO\ + 3H_{2} \rightarrow CH_{4}\ + H_{2}O\]
\[2NO_{2}\ + 7H_{2}\ \rightarrow \ 2NH_{3}\ + 4H_{2}O\]
-rozkład soli (wodorków V i VI grupy - odpowiednio słabych zasad i słabych kwasów):
\[\left( NH_{4} \right)HS\ \rightarrow NH3\ + H_{2}S\]
\[\left( NH_{4} \right)_{2}CO_{3} \rightarrow 2NH_{3}\ + H_{2}O\ + CO_{2}\]
Wodorki 15 grupy, takie jak fosfina i amoniak posiadają dość wyraźne właściwości zasadowe i stosunkowo słabe kwasowe, wynikają one z dość słabo spolaryzowanego wiązania heteroatom- wodór i obecności wolnej pary elektronowej. Otrzymane przez przyłączenie jonu H + kationy to NH 4 + - kation amonowy oraz PH 4 + -kation fosfanowy. Kationy te są jednowartościowe i mogą zastępować kationy metali w solach. Analogiczne reakcje występują w związkach otrzymanych przez zamianie atomów wodoru na atom o podobne elektroujemności (np. węgiel lub drugi azot / fosfor). Oderwanie wodoru od tych wodorków jest niemożliwe w środowisku wodnym, ale stosunkowo łatwe w środowisku bezwodnym np. wrzucając metal aktywny lub jego wodorek do skroplonego amoniaku. Zachodzi wówczas reakcja:
\[2NH_{3}\ + \ 2Na \rightarrow \ 2NaNH_{2}\ + \ H_{2}\]
analogiczna do reakcji sodu z wodą
\[2H_{2}O\ + \ 2Na \rightarrow \ 2NaOH\ + \ H_{2}\]
anion powstały z amoniaku ( \(NH_{2}^{-}\) ) zwany jest amidkiem
Reakcje z wodorkami przedstawione są w tabeli:
|
Wodorek metalu Z H |
Wodorek metalu/półmetalu A H oraz SiH 4 |
Wodorek NH 3 , PH 3 |
Wodorek kwasowy H R | |
|---|---|---|---|---|
| Woda |
Wodorotlenek + wodór Z (OH) n + H 2 |
Wodorotlenek + wodór A (OH) n + H 2 |
Dysocjacja NH 4 + OH - |
Dysocjacja H + + R - |
| Tlenek zasadowy ( Z O) | X |
Sól (obecność H 2 O) ZA (OH) n + H 2 |
X |
Sól + woda KR +H 2 O |
| Mocny tlenek kwasowy ( K O) |
Sól (obecność H 2 O) ZK O + H 2 |
Sól (obecność H 2 O) AK O + H 2 |
Sól (obecność H 2 O) NH 4 K O |
X |
|
Tlenek amfoteryczny ( A O) |
Związek amfoteryczny (obecność H 2 O) ZA (OH) n + H 2 |
X /redoks |
Kompleks A(NH 3 ) n OH Lub A (OH) n |
Sól AR + H 2 O |
| Kwas HR |
Sól ZR +H 2 |
Sól AR +H 2 |
Sól (obecność H 2 O) NH 4 R |
X |
|
Zasada - Wodorotlenki I i II grupy Z (OH) n |
X |
Sól (obecność H 2 O) ZA (OH) n + H 2 |
X |
Sól ZR +H 2 O |
| Wodorotlenki amfoteryczne A (OH) n |
Związek amfoteryczny (obecność H 2 O) ZA (OH) n + H 2 |
X |
Kompleks A(NH 3 ) n OH |
Sól AR + H 2 O |
Prz
|
Wodorek metalu Ca H 2 |
Wodorek metalu Al H 3 |
Wodorek zasadowy NH 3 , |
Wodorek kwasowy H Cl | |
|---|---|---|---|---|
| Woda |
Wodorotlenek + wodór Ca (OH) 2 + H 2 |
Wodorotlenek + wodór Al (OH) 3 + H 2 |
Dysocjacja NH 4 + OH - |
Dysocjacja H + + Cl - |
| Tlenek zasadowy ( Na 2 O) | X |
Sól (obecność H 2 O) NaAl (OH) 4 + H 2 |
NaOH + NaNH 2 |
Sól + woda NaCl +H 2 O |
| Mocny tlenek kwasowy ( N 2 O 5 ) |
Sól (obecność H 2 O) Ca ( N O 3 ) 2 + H 2 |
Sól (obecność H 2 O) Al ( N O 3 ) 3 + H 2 |
Sól (obecność H 2 O) NH 4 N O 3 |
X |
|
Tlenek amfoteryczny ( Cu O) |
Związek amfoteryczny (obecność H 2 O) CaCu (OH) 4 + H 2 |
X ? |
kompleks Cu(NH 3 ) 4 (OH) 2 |
Sól CuCl 2 + H 2 O |
| Kwas H 2 SO 4 |
Sól CaSO 4 +H 2 |
Sól Al 2 ( SO 4 ) 3 +H 2 |
Sól ( NH 4 ) 2 SO 4 |
X |
|
Zasada - Wodorotlenki I i II grupy Mg (OH) 2 |
Sól (obecność H 2 O) ZA (OH) n + H 2 |
X |
Sól MgCl 2 + H 2 O + H 2 |
|
| Wodorotlenki amfoteryczne Fe (OH) 3 |
Związek amfoteryczny (obecność H 2 O) Ca 3 [Fe (OH) 6 ] 2 + H 2 |
X |
kompleks Cu(NH 3 ) 4 (OH) 2 |
Sól CuCl 2 + H 2 O + H 2 |
|
Wodorek metalu Na H |
X | X | NaNH 2 +H 2 |
Sól NaCl + H 2 |
|
Wodorek metalu Be H 2 |
X | X | Be ( NH 2 ) 2 + H 2 | BeCl 3 + H 2 |
|
Wodorek NH 3 , PH 3 |
Ca ( NH 2 ) 2 +H 2 | Al ( NH 2 ) 3 + H 2 | X | NH 4 Cl |
| Wodorek kwasowy H 2 Se | CaSe + H 2 | Al 2 Se 3 + H 2 | ( NH 4 ) 2 Se | X |