ما هو الهيدريدات

الهيدريد في الكيمياء هو أي فئة من المركبات الكيميائية التي يجتمع فيها الهيدروجين مع عنصر آخر، وهنالك عدة تصنيفات للهيدريدات.

هنالك ثلاثة أنواع أساسية من الهيدريدات: المالحة (الأيونية)، المعدنية والتساهمية، ويمكن تمييزها على أساس نوع الرابطة الكيميائية المتواجدة بين الهيدروجين والعنصر الآخر. هنالك نوع رابع إضافي من الهيدريدات يسمى بالهدريد الثنائي (بوليمري)، حيث يمكن تحديدها أيضًا على أساس شكل الهيكل أو البناء الخاص بها. الألومنيوم وربما النحاس وهيدرات البريليوم هي مواد غير موصلة توجد في أشكال صلبة أو سائلة أو غازية، جميعها غير مستقرة حرارياً، وبعضها ينفجر عند ملامسته للهواء أو الرطوبة.

الفئات الرئيسة للهيدريدات

هيدريد أيوني ملحي (saline ionic)

تعرف الهيدريدات المالحة أو الأيونية بوجود الهيدروجين على أنه أيون سالب الشحنة (⁻H)، حيث تعتبر الهيدريدات المالحة عمومًا تلك الخاصة بالمعادن القلوية (المجموعة الأولى) والفلزات القلوية الترابية (المجموعة الثانية) مع استثناء محتمل لهيدريد البريليوم (BeH₂)، هيدريد المغنيسيوم (MgH₂) كلها ذات لون أبيض.

درجة الانصهار عالية للمواد الصلبة، مثلا درجة انصهار الليثيوم هيدريد (LiH) تساوي 953 كلفن، ودرجة انصهار الصوديوم هيدريد (NaH) تساوي 1073 كلفن، كما تدخل هذه المعادن في تفاعل مباشر مع الهيدروجين عند درجات حرارة مرتفعة (300-700) درجة مئوية، لإنتاج هيدرات ذات الصيغ العامة (MH و MH2).

هذه المركبات عبارة عن مواد صلبة بلورية بيضاء عندما تكون نقية، ولكنها عادة ما تكون رمادية بسبب وجود شوائب في المعدن. تظهر الدراسات الهيكلية أن هذه المركبات تحتوي على أنيون هيدريد (⁻H)، بنصف قطر بلوري يعتمد على هوية ونوع المعدن، ولكنه متوسط ​​بالنسبة إلى أيون الفلوريد (⁻F) ويساوي 1.33 أنجستروم، وبالنسبة إلى أيون الكلوريد (⁻Cl) ويساوي 1.84 أنجستروم، وهذا الرقم أصغر إلى حد ما من نصف القطر المحسوب لأيون الهيدروجين (⁻H) الحر البالغ من القيمة 2.08 أنجستروم، كما أنه لم يتم ملاحظة هذه القيمة تجريبياً، والتي ربما يمكن أن تعزى إلى عاملين رئيسيين:

• بسبب انتشار السحابة الإلكترونية لأيون الهيدروجين (⁻H) وقابليتها للضغط بسهولة.

• من المحتمل أن يكون هناك بعض الصفات التساهمية لرابطة المعدن مع الهيدروجين.

كما تتفاعل الهيدريدات المالحة على الفور مع المذيبات البروتونية مثل (H2O و NH3 و EtOH)، مما يدل على أن أيون الهيدروجين السالب عبارة عن قاعدة قوية للغاية، كما ويستخدم كعوامل لإزالة البروتون من (NaH و KH). إلى جانب أن أيون الهيدريد في الهيدريدات المالحة يعد قاعدة قوية، وتتفاعل هذه الهيدرات بشكل فوري وسريع مع أيون الهيدروجين (+H) من الماء لإنتاج غاز الهيدروجين وأيون الهيدروكسيد في المحلول. حسب المعادلة الآتية:

⁻H⁻ + H₂O → H₂ + OH

يزيد تفاعل هيدريدات المجموعة الأولى مع زيادة العدد الذري وزيادة الحجم الأيوني للمعدن، ونظرًا لأن الهيدريدات المالحة تتفاعل بقوة مع الماء، فإن ذلك التفاعل ينتج كميات كبيرة من غاز الهيدروجين، فإن هذه الخاصية تجعلها مفيدة كمصادر خفيفة ومحمولة للهيدروجين.

أمثلة أخرى للهيدرات الملحية الثنائية:

• هيدريد الصوديوم NaH.

• هيدريد الكالسيوم CaH_2.

• ألومنيوم ليثيوم هيدريد LiAlH_4.

• بوروهيدريد الصوديوم NaBH_4.

 هيدريد معدني أو فلزي (metallic)

ذرات الهيدروجين صغيرة بما فيه الكفاية لشغل التداخل في ثقوب في البناء الشبكي الخاص بالمعدن (metal lattice)، ويتم امتصاص H2 بواسطة مجموعة متنوعة من المعادن (وكذلك السبائك)، وذلك يؤدي إلى تكوين معادن الهيدريدات التي تتواجد فيها ذرات الهيدروجين في التجاويف، وهذا هو سبب تسمية الهيدريدات بالمعدنية (أو الخلالية)، حيث يجب أن تعوض الرابطة المعدنية-الهيدروجينية بسبب التفكك من الرابطة H – H في H2.

هنالك خاصية مثيرة للاهتمام لهذه الهيدرات المعدنية، الا وهي قدرتها على إطلاق الهيدروجين عند التسخين، وهذا يؤدي إلى استخدامها كـ “أوعية تخزين الهيدروجين”.

تشكل المعادن الانتقالية الداخلية مجموعة كبيرة ومتنوعة من المركبات مع الهيدروجين، بدءًا من المركبات المتكافئة إلى المركبات غير المتكافئة، وهي عبارة عن أنظمة معقدة للغاية، علما أن المركبات المتكافئة لها تركيبة محددة، في حين أن المركبات غير المتكافئة لها تركيبة متغيرة.

تمتلك الهيدريدات المعدنية بعض خصائص المعادن، مثل اللمعان والتوصيل الكهربائي القوي، ومع ذلك، فإنها تميل إلى أن تكون لها خصائص فيزيائية متغيرة، حيث يكون بعضها أكثر هشاشة والبعض الآخر أكثر قساوة من المعادن التي صنعت منها.

تتشكل الهيدريدات المعدنية عن طريق تسخين غاز الهيدروجين بالمعادن أو سبائكها.، حيث إنأكثر المركبات التي تمت دراستها بدقة هي تلك المركبات الخاصة بالمعادن الانتقالية الأكثر حساسية للكهرباء وهي (عائلات سكانديوم والتيتانيوم والفاناديوم). في عائلة التيتانيوم يشكل التيتانيوم (Ti)، والزركونيوم (Zr)، والهافنيوم (Hf) هيدرات تكون غير متجانسة عندما تمتص الهيدروجين وتطلق الحرارة.

تحتوي هذه الهيدريدات على تفاعل كيميائي مشابه للمعدن بدقة، حيث تكون مستقرة في الهواء عند درجة الحرارة المحيطة ولكنها تفاعلية عند تسخينها في الهواء أو مع المركبات الحمضية، ولديهم أيضًا مظهر المعدن نفسه، ويظهر على شكل مواد صلبة سوداء رمادية، ويكون المعدن في حالة تأكسد مع رقم تأكسد يساوي +3، ويكون الترابط أيونيًا في الغالب. وهذه الهيدريدات تستخدم كعوامل مختزلة.

تعتمد بطاريات هيدريد النيكل والمعدن على سبائك تخزين الهيدروجين، كما أن البلاديوم فريد من نوعه في قدرته على امتصاص كميات كبيرة بشكل عكسي من H2 أو D2 (لكن ليس غازات أخرى).

هيدريد تساهمي Covalent

الهيدريدات التساهمية، وهي التي تحدث عندما تكّون ذرة الهيدروجين وواحد أو أكثر من غير الفلزات مركبات، حيث يحدث هذا عندما يرتبط الهيدروجين تساهميًا بعنصر أكثر حساسية للكهرباء من خلال مشاركة أزواج الإلكترونات بينهما، ومن الممكن أن تكون هذه الهيدريدات متطايرة أو غير متطايرة، حيث إن المتطاير يعني القدرة على التبخر في درجات حرارة منخفضة أو درجة الحرارة العادية، وأحد الأمثلة على الهيدريد التساهمي هو عندما يرتبط الهيدروجين بالكلور ويشكل حمض الهيدروكلوريك (HCl). كما في التفاعل الآتي:

H2(g)+Cl2(g)→2HCl(g)

تصبح هيدرات اللافلزات في الجدول الدوري أكثر كهرسلبية كلما انتقلت من المجموعة الثالثة، وهي محموعة البورون إلى المجموعة السابعة وهي مجموعة الهالوجينات، وهذا يعني أنها تصبح أقل قدرة على فقد الإلكترون، وترغب في الاحتفاظ به وذلك لأن مدارها الإلكتروني يصبح ممتلئًا، بدلاً من التبرع بـ H−، فإنهم بدلاً من ذلك سيتبرعون بـ H+ لأنهم أكثر حمضية.

لنأخذ أمثلة الآن بشكل موسع:

• هيدريد البورون (Boron Hydrides): يمكن أن يشكل البورون العديد من الأنواع المختلفة من الهيدريدات؛ واحد من هذه الهيدريدات هو البوران (BH3)، الذي يتفاعل بعنف مع الهواء ويتأكسد بسهولة. يظهر البوران على شكل مادة غازية، ويمكن أن يشكل B2H6 بواسطة جزيئين بوران مدمجين مع بعضهما البعض. البوران ليس مركبًا مستقرًا لأنه لا يتبع قاعدة الثمانية بشكل كامل؛ وذلك لأنه يحتوي فقط على ستة إلكترونات تكافؤ بينما يجب أن تكون أكثر.

• هيدرات النيتروجين (Nitrogen Hydrides): الأمونيا هي عبارة عن هيدريد نيتروجين مهم، وممكن وجوده بسبب تفاعل النيتروجين والماء في عملية تسمى عملية هابر بوش. المعادلة الكيميائية لهذا التفاعل هي:

N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)

ولإنتاج الأمونيا فإنه يجب أن يكون هناك محفز لتسريع التفاعل، ودرجة حرارة عالية وضغط مرتفع. الأمونيا هي مادة كاشفة تستخدم في العديد من تجارب الكيمياء وتستخدم أيضا كسماد، كما يمكن أن تتفاعل الأمونيا مع حامض الكبريتيك لإنتاج كبريتات الأمونيوم، والتي تعد أيضًا سمادًا مهمًا.

تشمل هيدرات النيتروجين الأخرى كلوريد الأمونيوم والهيدرازين وهيدروكسيل أمين، ويستخدم كلوريد الأمونيوم على نطاق واسع في بطاريات الخلايا الجافة والمعادن النظيفة.

أنواع الهيدريدات

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الهيدريدات:

• الهيدريدات الأيونية: تتكون هذه الهيدريدات من فلز متصل بأنيون الهيدريد. مثال على ذلك هيدريد الصوديوم (NaH).

• الهيدريدات التساهمية: تتكون هذه الهيدريدات من عنصر غير فلزي متصل بأنيون الهيدريد. مثال على ذلك الهيدرازين (N2H4).

• الهيدريدات المعدنية: تتكون هذه الهيدريدات من معدن متصل بأنيون الهيدريد. مثال على ذلك هيدريد الليثيوم (LiH).

خصائص الهيدريدات

تختلف خصائص الهيدريدات اعتمادًا على نوع الهيدريد. بشكل عام ، الهيدريدات الأيونية هي مواد صلبة بلورية ذات نقاط انصهار عالية. الهيدريدات التساهمية هي غازات أو سوائل ذات نقاط انصهار منخفضة. الهيدريدات المعدنية هي مواد صلبة بلورية ذات نقاط انصهار عالية.

استخدامات الهيدريدات

تستخدم الهيدريدات في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك:

• تخزين الهيدروجين: يمكن استخدام الهيدريدات لتخزين الهيدروجين ، وهو مصدر طاقة نظيف.

• الاختزال: يمكن استخدام الهيدريدات كعوامل اختزال في التفاعلات الكيميائية.

• الاصطناع الكيميائي: يمكن استخدام الهيدريدات في تصنيع المركبات الكيميائية.

مخاطر الهيدريدات

يمكن أن تكون بعض الهيدريدات خطرة ، خاصة الهيدريدات الأيونية. يمكن أن تكون هذه الهيدريدات قابلة للاشتعال و / أو متفجرة. من المهم اتباع احتياطات السلامة عند التعامل مع الهيدريدات.