Халькогениды водорода (также гидриды халькогенов или хальциды водорода ) — бинарные соединения водорода с атомами халькогенов (элементы 16-й группы: кислород , сера , селен , теллур , полоний и ливерморий ). Вода , первое химическое соединение в этом ряду, содержит один атом кислорода и два атома водорода и является наиболее распространённым соединением на поверхности Земли. [1]
Наиболее важный ряд, включая воду, имеет химическую формулу H2X , где X представляет любой халькоген. Поэтому они трехатомны . Они принимают изогнутую структуру и, как таковые, являются полярными молекулами . Вода является необходимым соединением для жизни на Земле сегодня, [2] покрывая 70,9% поверхности планеты. Другие халькогениды водорода, как правило, чрезвычайно токсичны и имеют сильные неприятные запахи, обычно напоминающие тухлые яйца или овощи. Сероводород является распространенным продуктом разложения в средах с низким содержанием кислорода и, как таковой, является одним из химических веществ, ответственных за запах метеоризма . Это также вулканический газ . Несмотря на его токсичность, организм человека намеренно вырабатывает его в небольших количествах для использования в качестве сигнальной молекулы .
Вода может растворять другие халькогениды водорода (по крайней мере, до теллурида водорода), образуя кислые растворы, известные как гидрохалькогеновые кислоты . Хотя это более слабые кислоты, чем галогенводородные кислоты , они следуют аналогичной тенденции увеличения силы кислоты с более тяжелыми халькогенами, а также образуются аналогичным образом (превращая воду в ион гидроксония H 3 O + , а растворенное вещество — в ион XH − ). Неизвестно, образует ли гидрид полония кислый раствор в воде, как его более легкие гомологи, или он ведет себя больше как гидрид металла (см. также астатид водорода ).
Некоторые свойства халькогенидов водорода следующие: [3]
_Celsius_vs_atomic_number.svg/1280px-Mp_and_bp_of_H2E_(E=O,S,Se,Te,Po)_Celsius_vs_atomic_number.svg.png)
Многие аномальные свойства воды по сравнению с остальными халькогенидами водорода можно объяснить значительными водородными связями между атомами водорода и кислорода. Некоторые из этих свойств — высокие температуры плавления и кипения (это жидкость при комнатной температуре), а также высокая диэлектрическая проницаемость и наблюдаемая ионная диссоциация. Водородные связи в воде также приводят к большим значениям тепла и энтропии испарения, поверхностного натяжения и вязкости. [5]
Другие халькогениды водорода являются высокотоксичными, зловонными газами. Сероводород широко распространен в природе, и его свойства по сравнению с водой показывают отсутствие каких-либо значительных водородных связей. [6] Поскольку они оба являются газами при СТП, водород можно просто сжечь в присутствии кислорода, чтобы образовать воду в сильно экзотермической реакции; такой тест можно использовать в начальной химии для проверки газов, образующихся в результате реакции, поскольку водород будет гореть с хлопком. Воду, сероводород и селеноводород можно получить, нагревая их составляющие элементы вместе выше 350 °C, но теллуроводород и гидрид полония невозможно получить этим методом из-за их термической нестабильности; теллуроводород разлагается во влаге, на свету и при температурах выше 0 °C. Гидрид полония нестабилен, и из-за интенсивной радиоактивности полония (приводящей к саморадиолизу при образовании) можно получить только следовые количества, обрабатывая разбавленную соляную кислоту магниевой фольгой с покрытием полонием . Его свойства несколько отличаются от свойств остальных халькогенидов водорода, поскольку полоний является металлом, а другие халькогены — нет, и, следовательно, это соединение является промежуточным между обычным халькогенидом водорода или галогенидом водорода , таким как хлористый водород , и гидридом металла, таким как станнан . Как и вода, первый из группы, гидрид полония также является жидкостью при комнатной температуре. Однако, в отличие от воды, сильные межмолекулярные притяжения, которые вызывают более высокую температуру кипения, являются ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями , эффектом больших электронных облаков полония. [3]
Дигидродихалькогениды имеют химическую формулу H2X2 и , как правило , менее стабильны, чем монохалькогениды, и обычно распадаются на монохалькогенид и соответствующий халькоген.
Наиболее важным из них является перекись водорода , H 2 O 2 , бледно-голубая, почти бесцветная жидкость, которая имеет меньшую летучесть, чем вода, и большую плотность и вязкость. Она важна химически, так как может окисляться или восстанавливаться в растворах с любым pH, может легко образовывать пероксометаллические комплексы и пероксокислотные комплексы, а также подвергаться многим протонным кислотно-основным реакциям. В своей менее концентрированной форме перекись водорода имеет некоторые основные бытовые применения, такие как дезинфицирующее средство или для обесцвечивания волос; гораздо более концентрированные растворы гораздо более опасны.
Некоторые свойства дихалькогенидов водорода приведены ниже:
Альтернативный структурный изомер дихалькогенидов, в котором оба атома водорода связаны с одним и тем же атомом халькогена, который также связан с другим атомом халькогена, был исследован вычислительно. Эти структуры H 2 X + –X – являются илидами . Эта изомерная форма перекиси водорода, оксивода, не была синтезирована экспериментально. Аналогичный изомер дисульфида водорода, тиосульфоксид , был обнаружен с помощью экспериментов по масс-спектрометрии . [9]
Два разных атома халькогена могут совместно использовать дихалькогенид, как в тиопероксиде водорода (H 2 SO); более известные соединения со схожим описанием включают серную кислоту (H 2 SO 4 ).
Все халькогениды водорода с прямой цепью следуют формуле H 2 X n .
Полиоксиды водорода с более высоким содержанием , чем H 2 O 2 , нестабильны. [10] Триоксидан с тремя атомами кислорода является транзитным нестабильным промежуточным соединением в нескольких реакциях. Следующие два в ряду кислорода, тетраоксидан и пентаоксидан , также были синтезированы и оказались высокореакционноспособными. Альтернативный структурный изомер триоксидана, в котором два атома водорода присоединены к центральному кислороду трехатомной цепи кислорода, а не по одному на каждом конце, был исследован вычислительным путем. [11]
Помимо H 2 S и H 2 S 2 , многие высшие полисульфаны H 2 S n ( n = 3–8) известны как стабильные соединения. [12] Они имеют неразветвленные цепи серы, отражающие тенденцию серы к катенации. Начиная с H 2 S 2 , все известные полисульфаны являются жидкостями при комнатной температуре. H 2 S 2 бесцветен, в то время как другие полисульфаны желтые; цвет становится насыщеннее с увеличением n , как и плотность, вязкость и температура кипения. Таблица физических свойств приведена ниже. [13]
Однако они легко окисляются и все они термически нестабильны, легко диспропорционируя на серу и сероводород, причем в этой реакции щелочь выступает в качестве катализатора: [13]
Они также реагируют с сульфитом и цианидом, образуя тиосульфат и тиоцианат соответственно. [13]
Альтернативный структурный изомер трисульфида, в котором два атома водорода присоединены к центральной сере трехсерной цепи, а не по одному на каждом конце, был исследован вычислительно. [11] Тиосернистая кислота , разветвленный изомер тетрасульфида, в котором четвертый атом серы связан с центральной серой линейной дигидрогентрисульфидной структуры ( ( HS) 2S + −S− ) , также была исследована вычислительно. [14] Тиосерная кислота , в которой два атома серы ответвляются от центральной линейной дигидрогентрисульфидной структуры, также была исследована вычислительно. [15]
Могут существовать и более высокие гидриды полония. [16]
Некоторые моноводородные халькогенидные соединения существуют, а другие были изучены теоретически. Как радикальные соединения , они довольно нестабильны. Два самых простых — гидроксил (HO) и гидропероксил (HO 2 ). Известно также соединение озонид водорода (HO 3 ) [17] вместе с некоторыми его солями озонидов щелочных металлов (различные MO 3 ). [18] Соответствующим серным аналогом для гидроксила является сульфанил (HS) и HS 2 для гидропероксила.
Один или оба атома протия в воде могут быть заменены изотопом дейтерием , давая соответственно полутяжелую воду и тяжелую воду , причем последняя является одним из самых известных соединений дейтерия. Из-за большой разницы в плотности между дейтерием и обычным протием тяжелая вода проявляет много аномальных свойств. Радиоизотоп тритий также может образовывать тритированную воду примерно таким же образом. Другим известным халькогенидом дейтерия является дисульфид дейтерия . Теллурид дейтерия (D 2 Te) имеет немного более высокую термическую стабильность, чем теллурид протия, и использовался экспериментально для методов химического осаждения тонких пленок на основе теллурида. [19]
Водород имеет много общих свойств с галогенами ; замена водорода галогенами может привести к образованию халькогенгалогенидных соединений, таких как дифторид кислорода и дихлормонооксид , а также соединений, которые невозможны с водородом, таких как диоксид хлора .
Одним из наиболее известных ионов халькогенидов водорода является гидроксид- ион и связанная с ним гидроксильная функциональная группа. Первый присутствует в гидроксидах щелочных металлов , щелочноземельных металлов и редкоземельных металлов , образующихся при взаимодействии соответствующего металла с водой. Гидроксильная группа обычно встречается в органической химии, например, в спиртах . Связанная с ним бисульфидная /сульфгидрильная группа встречается в солях гидросульфидов и тиолах соответственно.
Ион гидроксония (H 3 O + ) присутствует в водных кислых растворах, включая сами гидрохалькогеновые кислоты, а также в чистой воде вместе с гидроксидом.