Најважније из лекције
Хидриди су бинарна једињења водоника.
Јонски хидриди (метали 1. и 2. групе): чврсте супстанце, оксидациони број водоника је \(-1\) (нпр. \(\text{NaH}\), \(\text{CaH}_2\)).
Ковалентни хидриди (неметали и металоиди): гасови или течности, оксидациони број водоника је \(+1\) (нпр. \(\text{CH}_4\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HCl}\)).
Водонична веза: Узрокује аномално високе температуре кључања хидрида \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{HF}\) и \(\text{NH}_3\).
Реактивност: За синтезу хидрида неметала потребна је енергија активације, а реактивност халогена према водонику опада у смеру \(\text{F}_2 > \text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2\).
Јонски хидриди (метали 1. и 2. групе): чврсте супстанце, оксидациони број водоника је \(-1\) (нпр. \(\text{NaH}\), \(\text{CaH}_2\)).
Ковалентни хидриди (неметали и металоиди): гасови или течности, оксидациони број водоника је \(+1\) (нпр. \(\text{CH}_4\), \(\text{NH}_3\), \(\text{HCl}\)).
Водонична веза: Узрокује аномално високе температуре кључања хидрида \(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{HF}\) и \(\text{NH}_3\).
Реактивност: За синтезу хидрида неметала потребна је енергија активације, а реактивност халогена према водонику опада у смеру \(\text{F}_2 > \text{Cl}_2 > \text{Br}_2 > \text{I}_2\).
Водоник (\(\text{H}_2\)) је први елемент у Периодном систему елемената. Гради двоатомне неполарне молекуле повезане веома јаком \(\sigma_{s-s}\) једноструком ковалентном везом.
Водоник је најлакши гас (око 14 пута лакши од ваздуха), због чега га готово нема слободног у атмосфери.
Хидриди су бинарна једињења водоника са другим хемијским елементима.
Водоник у једињењима гради и ковалентне и јонске везе, при чему има два карактеристична оксидациона броја:
- \(-1\) - у јонским хидридима метала,
- \(+1\) - у ковалентним хидридима неметала.
Одредити оксидациони број водоника у једињењима \(\text{KH}\) и \(\text{H}_2\text{S}\).
У једињењу \(\text{KH}\) (калијум-хидрид), калијум је метал 1. групе (\(+1\)), па водоник има оксидациони број \(-1\) (\(\overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{H}}\)).
У једињењу \(\text{H}_2\text{S}\) (водоник-сулфид), сумпор је електронегативнији неметал (\(-2\)), па водоник има оксидациони број \(+1\) (\(\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{S}}\)).
У једињењу \(\text{H}_2\text{S}\) (водоник-сулфид), сумпор је електронегативнији неметал (\(-2\)), па водоник има оксидациони број \(+1\) (\(\overset{+1}{\text{H}}_2\overset{-2}{\text{S}}\)).
Са алкалним и земноалкалним металима (метали 1. и 2. групе, осим \(\text{Be}\) и \(\text{Mg}\)), водоник гради хидриде са типичном јонском везом и општим формулама \(\text{MH}\) и \(\text{MH}_2\).
Физичко-хемијска својства хидрида метала:
- На собној температури (СТП) су у чврстом агрегатном стању и беле боје.
- Многи су термички нестабилни и бурном реакцијом реагују са ваздухом или водом.
- Номенклатура: формира се додавањем речи -хидрид на назив метала (нпр. натријум-хидрид).
Добијају се директном синтезом из елемената при повишеној температури:
\[ 2\text{Li} + \text{H}_2 \longrightarrow 2\overset{+1}{\text{Li}}\overset{-1}{\text{H}} \quad (\text{литијум-хидрид}) \]
\[ 2\text{Na} + \text{H}_2 \longrightarrow 2\overset{+1}{\text{Na}}\overset{-1}{\text{H}} \quad (\text{натријум-хидрид}) \]
\[ \text{Ca} + \text{H}_2 \longrightarrow \overset{+2}{\text{Ca}}\overset{-1}{\text{H}}_2 \quad (\text{калцијум-хидрид}) \]
\[ \text{Ba} + \text{H}_2 \longrightarrow \overset{+2}{\text{Ba}}\overset{-1}{\text{H}}_2 \quad (\text{баријум-хидрид}) \]
Написати једначину хемијске реакције настајања калијум-хидрида из елемената и одредити оксидационе бројеве.
\[ 2\text{K} + \text{H}_2 \longrightarrow 2\overset{+1}{\text{K}}\overset{-1}{\text{H}} \]
Хидриди неметала и металоида су једињења са поларном или неполарном ковалентном везом. На СТП су углавном у гасовитом или течном агрегатном стању и имају релативно ниске температуре топљења и кључања.
За разлику од хидрида метала, многи хидриди неметала и металоида имају специфичне тривијалне или системске називе.
| 1. група | 2. група | 13. група | 14. група | 15. група | 16. група | 17. група |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(\text{LiH}\) | \(\text{BeH}_2\) | \(\text{B}_2\text{H}_6\) (диборан) |
\(\text{CH}_4\) (метан) |
\(\text{NH}_3\) (амонијак) |
\(\text{H}_2\text{O}\) (вода) |
\(\text{HF}\) (флуороводоник) |
| \(\text{NaH}\) | \(\text{MgH}_2\) | \(\text{AlH}_3\) | \(\text{SiH}_4\) (силан) |
\(\text{PH}_3\) (фосфин) |
\(\text{H}_2\text{S}\) (водоник-сулфид) |
\(\text{HCl}\) (хлороводоник) |
| \(\text{KH}\) | \(\text{CaH}_2\) | - | - | - | \(\text{H}_2\text{Se}\) (водоник-селенид) |
\(\text{HBr}\) (бромоводоник) |
| \(\text{RbH}\) | \(\text{SrH}_2\) | - | - | - | - | \(\text{HI}\) (јодоводоник) |
\(\text{BH}_3\) није стабилан молекул, већ се јавља као димер \(\text{B}_2\text{H}_6\) (диборан). Угљеник гради изузетно велики број различитих хидрида - угљоводонике.
Тренд у групи: Са порастом периоде (односно порастом релативне молекулске масе), температуре кључања хидрида у оквиру исте групе правилно расту због јачања интермолекулских дисперзионих сила.
Аномалија (\(\text{H}_2\text{O}\), \(\text{HF}\), \(\text{NH}_3\)): Хидриди најлакших неметала друге периоде (\(\text{O}\), \(\text{F}\), \(\text{N}\)) имају знатно више температуре топљења и кључања него што се очекује на основу њихове масе.
Узрок ове појаве је грађење јаких водоничних веза између молекула услед велике разлике у електронегативности између водоника и малих, изразито електронегативних атома (\(\text{F}\), \(\text{O}\), \(\text{N}\)).
Зашто вода (\(\text{H}_2\text{O}\)) кључа на \(100\ ^\circ\text{C}\), док водоник-сулфид (\(\text{H}_2\text{S}\)), иако веће молекулске масе, кључа на \(-60\ ^\circ\text{C}\)?
Молекули воде граде чврсту мрежу водоничних веза захваљујући високој електронегативности кисеоника. Код \(\text{H}_2\text{S}\) нема водоничних веза јер сумпор има знатно мању електронегативност и већи атомски радијус.
Реакције спајања водоника са неметалима захтевају савладавање енергије активације (потребно је загревање, излагање светлости или присуство катализатора).
Тренд реактивности халогена са водоником (опада од \(\text{F}\) ка \(\text{I}\)):
- Са флуором реагује експлозивно чак и у мраку и на ниској температури: \[ \text{H}_2 + \text{F}_2 \longrightarrow 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{F}} \]
- Са хлором реагује експлозивно само уз присуство светлости (\(h\nu\)): \[ \text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Cl}} \]
- Са бромом и јодом реакција захтева загревање (\(t^\circ\)): \[ \text{H}_2 + \text{Br}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{Br}} \] \[ \text{H}_2 + \text{I}_2 \xrightarrow{t^\circ} 2\overset{+1}{\text{H}}\overset{-1}{\text{I}} \]
Индустријска синтеза амонијака из елемената је повратна (равнотежна) реакција која се одвија уз повишену температуру, притисак и катализатор:
\[ 3\text{H}_2 + \text{N}_2 \rightleftharpoons 2\overset{-3}{\text{N}}\overset{+1}{\text{H}}_3 \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити оксидационе бројеве свих елемената у следећим једињењима: \(\text{NaH}\), \(\text{HCl}\), \(\text{CaH}_2\) и \(\text{CH}_4\).
- \(\text{NaH}\): Натријум је \(\overset{+1}{\text{Na}}\), водоник је \(\overset{-1}{\text{H}}\) (хидрид метала).
- \(\text{HCl}\): Водоник је \(\overset{+1}{\text{H}}\), хлор је \(\overset{-1}{\text{Cl}}\).
- \(\text{CaH}_2\): Калцијум је \(\overset{+2}{\text{Ca}}\), водоник је \(\overset{-1}{\text{H}}\).
- \(\text{CH}_4\): Водоник је \(\overset{+1}{\text{H}}\), угљеник је \(\overset{-4}{\text{C}}\).
Задатак 2 (средњи): Написати једначине реакција добијања:
а) баријум-хидрида директном синтезом из елемената,
б) хлороводоника уз дејство светлости.
а) баријум-хидрида директном синтезом из елемената,
б) хлороводоника уз дејство светлости.
а) \(\text{Ba} + \text{H}_2 \longrightarrow \text{BaH}_2\)
б) \(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{HCl}\)
б) \(\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \xrightarrow{h\nu} 2\text{HCl}\)
Задатак 3 (средњи): Поређати следеће хидриде према растућој температури кључања и образложити поредак: \(\text{H}_2\text{S}\), \(\text{H}_2\text{Se}\), \(\text{H}_2\text{O}\).
Поредак: \(\text{H}_2\text{S} < \text{H}_2\text{Se} < \text{H}_2\text{O}\)
Образложење: Између \(\text{H}_2\text{S}\) и \(\text{H}_2\text{Se}\) температура кључања расте са порастом релативне молекулске масе. Међутим, \(\text{H}_2\text{O}\) има највишу температуру кључања (\(100\ ^\circ\text{C}\)) због формирања јаких интермолекулских водоничних веза.
Образложење: Између \(\text{H}_2\text{S}\) и \(\text{H}_2\text{Se}\) температура кључања расте са порастом релативне молекулске масе. Међутим, \(\text{H}_2\text{O}\) има највишу температуру кључања (\(100\ ^\circ\text{C}\)) због формирања јаких интермолекулских водоничних веза.
Задатак 4 (тежак): Како се мењају услови синтезе халогеноводоника полазећи од флуора ка јоду и шта тај тренд говори о њиховој реактивности?
Флуор реагује са водоником тренутно и експлозивно чак и у мраку, за хлор је неопходна светлост (\(h\nu\)), док бром и јод захтевају константно загревање (\(t^\circ\)). Овај тренд показује да реактивност халогених елемената правилно опада дуж 17. групе (од \(\text{F}\) према \(\text{I}\)) са порастом њиховог атомског броја.
