Hidridek

Nem tévesztendő össze a következővel: hidridion (a hidrogén anionja).

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. Pl.: palládium-hidrid
• Komplex hidridek: jellemzően fém-tetrahidrido-borátok, -aluminátok

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 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.

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.

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.

diazán (hidrazin) dioxidán (hidrogén-peroxid)

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.

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.

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

Jellemzően fehér vagy színtelen kristályos anyagok.

Rendszerint az eredeti fémnél tömörebb, sűrűbb anyagok.

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

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.

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

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

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).

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

A hidridek gyakran „polimerizálódnak”:

• boránok: B_xH_y, ahol x maximum ~25
• szénhidrogének: C_xH_y, ahol x-nek elvileg nincs felső határa
• szilánok: Si_xH_y, ahol x maximum ~8
• germánok: Ge_xH_y, ahol x maximum ~5

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.

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

• 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.

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 lantanoidák, aktinoidák, 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.

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

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.

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

EH₃ + H^- → EH−4

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)

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

1. ↑ A szerves kémia alapjai)
2. ↑ Bokor Mónika Zsuzsanna Hogyan tárolható a hidrogén?. [2007. augusztus 20-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2009. május 17.)
3. ↑ http://www.sg.hu/cikkek/35125/a_hidrogentarolas_fejlesztesen_dolgozik_a_general_motors

• Kis kémiai szótár

• Hidridek
• A hidrogén és a hidridek^{[halott link]}
• Garaguly József: Hidrogén abszorpció-deszorpció vizsgálata amorf ötvözetekben, in-situ ellenállásmérésekkel
• Az anyagtudomány új kémiai módszerei. – Szalay Roland: Prekurzorok^{[halott link]}
• https://web.archive.org/web/20061201010504/http://www.inc.bme.hu/hu/subjects/sztlen/eavazlat/h2_mod2.pdf