Гидрид-ион

Рис.1.Деформационная поляризация атома водорода под действием приближающегося электрона и модель гидрид-иона H^-

Гидрид-ион, отрицательно заряженный ион водорода, H^- — физическая система, состоящая из одного протона и двух электронов. Два электрона создают электронную оболочку гидрид-иона, электронная конфигурация которой 1s². Иначе говоря, ядро гидрид-иона окружает двухэлектронное облако с антипараллельными спинами электронов. Образование гидрид-иона описывается физической моделью ударной ионизации атома водорода электроном. Ионизация обусловлена захватом атомом водорода дополнительного электрона с образованием отрицательно заряженного иона водорода и высвобождением энергии:

[math]\displaystyle{ \mathsf{H + e^- \rightarrow H^-, \ \Delta H_{298}^0 = -66,9 kJ/mol} }[/math]

Электрон, обладая отрицательным элементарным электрическим зарядом (q = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл), создаёт электрическое поле с напряжённостью

[math]\displaystyle{ \mathsf{E = \frac{q}{R^2}} }[/math]

Напряжённость электрического поля на расстоянии R от заряда около 10 Å составляет десятки миллионов вольт на сантиметр. Это электрическое поле приводит к деформационной поляризации нейтрального атома водорода, попадающего в электрическое поле электрона. Центр электронной оболочки атома водорода смещается относительно ядра на некоторое расстояние L в противоположную сторону к приближающемуся электрону. Приближающийся электрон как бы вытесняет из атома водорода находящийся в нём электрон. Деформация приводит к появлению в атоме водорода наведённого дипольного момента μ.

[math]\displaystyle{ \mathsf{\mu = \alpha _eE = Lq } }[/math]

Величина смещения центра электронной оболочки атома водорода L обратно пропорциональна квадрату расстояния атома водорода к приближающемуся электрону R:

[math]\displaystyle{ \mathsf{L = \frac{\alpha _e}{R^2} } }[/math]

Поскольку электронная поляризуемость атома водорода α_e = 0,66Å, то

[math]\displaystyle{ \mathsf{L = \frac{0,6}{R^2} } }[/math] (рис.1)

Сближение атома водорода и электрона возможно до тех пор, пока центры областей плотностей вероятности нахождения обоих электронов не станут равноудалёнными от ядра объединённой системы — отрицательно заряженного иона водорода. Такое состояние системы имеет место при

[math]\displaystyle{ \mathsf{r_e = L = R = \sqrt[3]{0,66} = 0,871 A} }[/math]

где r_e — орбитальный радиус двухэлектронной оболочки гидрид-иона H^-.

Ионные структуры, содержащие в своём составе гидрид-ион H^-, известны. Соединения этого типа образуются прямым взаимодействием наиболее активных металлов (Na, Ca и др.) с водородом при нагревании. По своему характеру они являются типичными солями. Все гидриды щелочных металлов (гидрид лития, гидрид натрия, гидрид калия, гидрид цезия) образуют кристаллическую структуру с кубической сингонией. Их расплавы высоко электропроводны, при электролизе расплавленных гидридов водород выделяется на аноде.

Гидрид-ион H^- является промежуточным звеном при гидрировании органических соединений по кратным связям, дегидрировании углеводородов, в реакциях Чичибабина, Соммле и др. Гидрид-ион H^- образуется также при бомбардировке молекул воды электронами.

Гидрид-ион H^- является донором электронной пары в донорно-акцепторном механизме образования ковалентной химической связи, например

[math]\displaystyle{ \mathsf{H^+ + H^- \rightarrow H_2} }[/math]

Присоединение гидрид-иона к молекуле BH₃ приводит к образованию сложного (комплексного) иона BH₄^- :

[math]\displaystyle{ \mathsf{BH_3 + H^- \rightarrow [BH_4]^-} }[/math]

См. также

• Реакция Чичибабина
• Реакция Соммле
• Нуклеофил
• Диборан
• Атом водорода
• Ионизация