Водородные соединения, гидриды и их производные

Комплексная цель модуля: знать строение водородных соединений элементов подгруппы углерода, оценивать изменение длины связи Э-Н, прочность связи, термодинамическая стабильность гидридов; описывать физические свойства водородных соединений; давать характеристику химическим свойствам, как водородных соединений, так и их производным (с уравнениями реакций).

Содержание модуля

Водородные соединения элементов подгруппы углерода

Гидриды состава ЭН₂ не характерны.

Углерод, кремний и германий (в меньшей степени) образуют с водородом соединения, относящиеся к типу ковалентных гидридов. Углеводороды являются наиболее стабильными, так как перекрывание малых по размеру валентных орбиталей максимально, различие в электроотрицательностях углерода и водорода невелико, поэтому образуются прочные ковалентные связи С? Н.

При переходе к Si, Ge, Sn и Pb ионный вклад в связь Э? Н увеличивается, длина связи возрастает, прочность связи уменьшается, термодинамическая стабильность гидридов олова и особенно свинца очень мала.

Прямой синтез метана (простейшего углеводорода) можно осуществить только в присутствии катализатора, например мелкодисперсного никеля. Бесконечное разнообразие соединений — углеводородов или веществ, содержащих углеводородные радикалы — объясняется способностью углерода к образованию бесконечных линейных и разветвленных цепочек (?С?С?, >С=С< и? C?C?) замыканию их в циклы с одинарными или кратными связями между атомами углерода как в гомоатомных, так и в гетероатомных соединениях (ароматические соединения с делокализованными р-связями).

Сам метан не реагирует с водой, кислотами и щелочами, с кислородом взаимодействует только при поджигании. Ненасыщенные углеводороды являются более реакционноспособными, чем углеводороды ряда метана. Их примеси могут служить причиной самовоспламенения болотного газа (метана) в природных условиях.

Смесь водородных соединений кремния — кремневодороды гомологического ряда Si_nH_2n+2 или силаны — образуются при действии разбавленной соляной кислоты на силициды магния, кальция, лития. Реакция сопровождается вспышками и образованием белого дыма. Вспышки обусловлены самовоспламенением высших силанов на воздухе, а белый дым — это диоксид кремния. Простейшим водородным соединением является моносилан, применительно к нему уравнения реакций выглядят следующим образом:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄,.

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ + 2H₂O.

По составу (SiH₄, Si₂H₆, Si₃H₈ до Si₆H₁₄) и физическим свойствам силаны проявляют сходство с соответствующими углеводородами. В обычных условиях SiH₄ и Si₂H₆ газообразны, Si₃H₈ — жидкость, Si₄H₁₀ и др. — твердые вещества. Поскольку связи Si? H и Si? Si слабее, чем С? Н и С? С, кремневодороды менее устойчивы и более реакционноспособны, чем углеводороды. Все силаны обладают резким запахом и весьма ядовиты.

Силаны проявляют сильные восстановительные свойства. С галогенами при комнатной температуре они взаимодействуют со взрывом, очень медленно взаимодействуют с парами воды:

SiH₄ + Cl₂ = HCl + SiH₃Cl;

SiH₄ + 2H₂O = SiO₂ +4H₂.

Германий и олово с водородом непосредственно не взаимодействуют, их водородные соединения получают косвенным путем. Гидриды Э (+4) выделяются при действии разбавленных кислот на некоторые германиды и станниды:

Mg₂Э + 4HCl = 2MgCl₂ + ЭH_4.

Существует гомологический ряд германоводородов Ge_nH_2n+2 вплоть до декагермана.

В ряду SiH₄ (силан) — GeH₄ (герман) — SnH₄ (станнан) — PbH₄ (плюмбан) устойчивость соединений понижается. Последний настолько неустойчив, что о его существовании судят только по косвенным признакам.