金属氢化物

金属元素和氢元素组成的化合物

金属氢化物(metal 氢化物 )是由某些金属元素( 碱金属 元素、除铍(Be)以外的 碱土金属 元素、部分d区元素和部分f区元素)与 氢 组成的化合物。此类化合物 化学性质 活泼,储量少,但具有很高的使用价值。常见的金属氢化物有、 氢化钠 、 氢化钾 、 氢化钙 、 一氢化铜 、 氢化铝锂 、 氢化锂 。

定义

总体定义

氢化物 可分成 离子型氢化物 、 共价型氢化物 和金属型氢化物三类。金属氢化物分属于离子型氢化物和金属型氢化物两类。

离子型金属

氢气 同碱金属及多数碱土金属在较高的温度下直接化合时,氢原子获得一个 电子 ,成为H离子,生成离子型金属氢化物。常见的离子型金属氢化物有LiH、 NaH 、KH、CaH、BaH等。

离子型金属氢化物需要在较高的温度下才能生成,因为反应H====HΔH>0需要吸收热量。而 卤族元素 单质 的相应反应X====XΔH<0是 放热反应 ,因此 离子型氢化物 远不如相应的 卤化物 存在得普遍。

离子型金属氢化物都是白色或灰白色 晶体 ,其中LiH和BaH热稳定性较高,分别在688.7℃和1200℃时熔融而不分解,其他离子型金属氢化物均在熔化前分解成相应的单质。熔融态的离子型金属氢化物导电。它们的很多性质与盐类相似,因此有时被称为盐型 氢化物 。

离子型金属氢化物可与水发生剧烈反应放出 氢气 。而在非水性 溶剂 (如 乙醚 )中,离子型氢化物能与一些 缺电子化合物 结合生成 复合氢化物 。离子型金属氢化物和复合氢化物均具有强还原性,在高温下可还原金属 氯化物 、 氧化物 和 含氧酸盐 ,也可以还原出HO中的H,还可以将CO还原为CO。

金属型金属

大多数d区元素和f区元素能形成金属型氢化物,而VIB族仅有Cr能形成氢化物。VIII族Pd在适当 压强 下可与氢形成稳定的松散相,其化合物组成为PdH( x <1)。Ni只有在高压下才形成金属氢化物。Pt在任何条件下都不能形成 氢化物 ,氢只能在Pt表面形成 化学 吸附 氢化物。常见的金属型金属氢化物有CrH、NiH、CuH、ZnH、PdH等。

金属型金属氢化物基本上保留着金属的外观特征,有金属光泽,具有导电性,且导电性随氢含量的增多而降低。金属型金属氢化物的另一性质是在温度稍有提高时,H 原子 通过固体迅速扩散。普通 氢气 通过Pd-Ag合金管扩散制得超纯氢气即利用了这一特性。

用途

金属氢化物尤其是离子型金属氢化物被广泛用于 无机化合物 和 有机合成 中作 还原剂 和 氢负离子 的来源,或在野外用作生氢剂,使用方便但价格昂贵。

另外,研究证明,某些金属具有很强的捕捉氢的能力,在一定的温度和压力条件下,这些金属能够大量“吸收”氢气,反应生成金属氢化物,同时放出热量。其后,将这些金属氢化物加热,它们又会分解,将储存在其中的氢释放出来。这些会“吸收” 氢气 的金属,称为储氢合金。

储氢合金的储氢能力很强。单位体积储氢的密度,是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍,也即相当于储存了1000个 大气压 的高压氢气。

由于储氢合金都是固体,既不用储存高压氢气所需的大而笨重的钢瓶,又不需存放液态氢那样极低的温度条件,需要储氢时使合金与氢反应生成金属氢化物并放出热量,需要用氢时通过加热或 减压病 使储存于其中的氢释放出来,如同 蓄电池 的充、放电,因此使用储氢合金不愧是一种极其简便易行的理想储氢方法。

目前研究发展中的储氢合金主要有钛系储氢合金、 锆 系储氢合金、铁系储氢合金及 稀土 系储氢合金。

储氢合金不但有储氢的本领,而且还有将储氢过程中的 化学能 转换成 机械能 或 热能 的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热,在放氢时吸热,利用这种放热-吸热循环,可进行热的储存和传输,制造制冷或采暖设备。

储氢合金还可以用于提纯和回收 氢气 ,它可将氢气提纯到很高的纯度。例如,普通氢气通过Pd-Ag合金管扩散后可得超纯氢气。采用储氢合金,可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。

储氢合金的飞速发展,给氢气的利用开辟了广阔的道路。

反应过程

金属氢化物体系较多,不同种类的金属氢化物因组成元素及 晶体结构 的不同,其控制步骤可能是不同的。如对于Mg2Fe合金而言,其大量存在的自由Fe元素可作为一种 催化剂 ,使其表面反应 速率 加快,再加上其表面和体积间比例关系的改变,将使得控制步骤主要为氢原子的扩散或 氢化物 成核 及长大过程。即使是同一种金属合金,其控制机理也存在争议。以最常见的LaNi5合金为例,通过实验测定了 氢气 与LaNi5在两相最初阶段的吸氢 动力学 特性,通过分析认为吸氢反应的控制机理应为两相界面处的化学反应过程。LaNi5的吸氢反应的控制机理为氢在灰层的内扩散过程。其控制机理应该为游离的氢气分子 吸附 与分解过程。