氧族元素的氫化物

水，硫化氢和硒化氢，3个典型的氧族元素氫化物

氧族元素的氫化物是二元氢化物（英语：Binary compounds of hydrogen），为氧族元素原子：氧、硫、硒、碲和钋，和氢原子形成的化合物。水是最早發現的这类化合物， 有一个氧原子和二个氢原子，也是地球表面最常见的氧族元素氫化物。[1]

含有一個氧族元素的雙氫化合物

氧族元素最主要的氫化物（包括水在內）其化學式為H2X，X代表氧族元素。這些化合物是三原子化合物，其構型是角形分子構型，具有极性。水是地球生物中必需要的物質[2]，在地球表面有70.9%是水。其他的氧族雙氫化合物多半有劇毒性，有類似蛋或蔬菜腐壞的惡臭。硫化氫是在缺氧環境下分解的常見產物，有類似屁的氣味，硫化氫也是火山气体。雖然硫化氫有毒性，不過人體仍會產生少量的硫化氫，作為细胞信号传送用。

水可以溶解其他的氧族雙氫化合物（至少可以溶解到分子量小於等於碲化氫的化合物），形成酸性溶液，這種溶液的酸性比卤化氢要弱，不過有類似的趨勢，其酸性都隨氧族元素原子量增加而變大，在水中的形式也類似（將水變成水合氢离子H3O+，溶質變成XH−離子）。目前還不知道钋化氫和水是否會形成酸性溶液，或是類似金屬氫化物的物質（參見砹化氫）。

化合物 水溶液 化学式 幾何 pKa 模型
水 水 H2O 13.995
硫化氫 氫硫酸 H2S 7.0
硒化氫 氫硒酸 H2Se 3.89
碲化氫 氫碲酸 H2Te 2.6
钋化氢 氫钋酸 H2Po ?
𫟷化氫 氫𫟷酸 H2Lv ?

以下是這些化合物的一些特性[3]：

性质 H2O H2S H2Se H2Te H2Po
熔點（°C） 0.0 −85.6 −65.7 −51 −35.3
沸點（°C） 100.0 −60.3 −41.3 −4 36.1
−285.9 +20.1 +73.0 +99.6 ?
氣態分子的鍵角（H–X–H） 104.45° 92.1° 91° 90° 90.9°（預測）[4]
解離常數（HX−, K1） 1.8 × 10−16 1.3 × 10−7 1.3 × 10−4 2.3 × 10−3 ?
解離常數（X2−, K2） 0 7.1 × 10−15 1 × 10−11 1.6 × 10−11 ?

含有二個氧族元素的雙氫化合物

這類的化合物化學式為H2X2，比較不穩定，容易分解為氧族元素以及氧族元素的雙氫化合物。例如：2 H2O2→2 H2O+O2。

這類化合物中最重要的是過氧化氫H2O2，淺藍色，幾近無色的液體，其揮發性比水低，但密度及粘度比水高。過氧化氫是重要的化合物，可以在不同酸鹼值下氧化或是還原其他物質，可以形成過氧金屬錯合物和過氧酸錯合物，也參與許多蛋白質的酸／鹼反應。低濃度的過氧化氫會用在家庭中，例如作為消毒劑或是頭髮漂白。不過高濃度溶液（英语：High-test peroxide）就有高度危險性。

化合物 化學式 鍵長 模型
过氧化氢
H2O2
二硫化氫
H2S2
二硒化氫[5]
H2Se2
—
二碲化氫[6]
H2Te2
—

以下是一些相關的性質：

性质 H2O2 H2S2 H2Se2 H2Te2
熔點（°C） -0.43 −89.6 ? ?
沸點（°C） 150.2 （分解） 70.7 ? ?

含有三个或以上的氧族元素的氢化物

所有直链型氧族元素氢化物都有一个通式 H2Xn。

比 H2O2 有更多氧原子的氢的氧化物（英语：Hydrogen polyoxide）都不稳定。[7] 过三氧化氢，含有三个氧原子， 在几个反应中是一个短暂的不稳定中间体。 之后的两个氢的氧化物：过四氧化氢（英语：Hydrogen tetroxide）和过五氧化氢（英语：Hydrogen pentoxide）也被合成了，有着高反应性。 过三氧化氢有一个假想异构体，其中两个氢原子连接在三氧链的中心氧上，而不是在每个末端连接一个氢原子。（结构：O–-(OH22+)-O–） [8]

从 H2S 和 H2S2之后，很多多硫化氢，通式H2Sn (n = 3–8) 已被发现并且是稳定的。[9] 它们具有无支链的硫链，反映了硫对串联的倾向。 从 H2S2开始， 所有的多硫化氢在常温下都是液体。 H2S2 是无色的，而其它多硫化氢是黄色的。随着 n 增加，它的颜色也越黄，密度、沸点和黏度也随着增加。 它们的物理性质如下表：[10]

化合物 20 °C 下的密度 (g•cm−3) 蒸气压 (mmHg) 沸点 (°C)
H2S 1.363 (g•dm−3) 1740 (kPa, 21 °C) -60
H2S2 1.334 87.7 70
H2S3 1.491 1.4 170
H2S4 1.582 0.035 240
H2S5 1.644 0.0012 285
H2S6 1.688 ? ?
H2S7 1.721 ? ?
H2S8 1.747 ? ?

但是，它们很容易被氧化，并且都是热不稳定的，容易歧化成硫和硫化氢： [10]

H2Sn → H2S + n − 1/8 S8

碱可以催化这个反应。[10]

它们也会和亚硫酸盐和氰化物 反应，形成硫代硫酸盐和硫氰酸盐。[10]

三硫化氢的另一种假想，已用电脑模拟的异构体，其中两个氢原子连接在三硫链的中心硫上，而不是在每个末端都连接一个。（结构：S–-(SH22+)-S–）[8]硫代亚硫酸的两个氧原子被硫取代后，会形成四硫化氢的异构体 ((HS)2S+–S–)，已被电脑模拟。[11] 硫代硫酸的三个氧原子被硫取代会产生五硫化氢的异构体，已通过电脑模拟出来了。[12]

更高价的钋氢化物可能存在。[13]

参见

參考資料

  1. ^ CIA – The world factbook. Central Intelligence Agency. [18 August 2016]. （原始内容存档于2010-01-05）. 
  2. ^ About the International Decade for Action 'Water for Life' 2005-2015. [2019-12-04]. （原始内容存档于2019-09-08）. 
  3. ^ Greenwood and Earnshaw, pp. 766–7
  4. ^ Sumathi, K.; Balasubramanian, K. Electronic states and potential energy surfaces of H2Te, H2Po, and their positive ions. Journal of Chemical Physics. 1990, 92 (11): 6604–6619. Bibcode:1990JChPh..92.6604S. doi:10.1063/1.458298. 
  5. ^ Goldbach, Andreas; Saboungi, Marie-Louise; Johnson, J. A.; Cook, Andrew R.; Meisel, Dan. Oxidation of Aqueous Polyselenide Solutions. A Mechanistic Pulse Radiolysis Study. J. Phys. Chem. A. 2000, 104 (17): 4011–4016. Bibcode:2000JPCA..104.4011G. doi:10.1021/jp994361g. 
  6. ^ Hop, Cornelis E. C. A.; Medina, Marco A. H2Te2 Is Stable in the Gas Phase. Journal of the American Chemical Society. 1994, 1994 (116): 3163–4. doi:10.1021/ja00086a072. 
  7. ^ Greenwood and Earnshaw, pp. 633–8
  8. ^ 8.0 8.1 Dobado, J. A.; Martínez-García, Henar; Molina, José; Sundberg, Markku R. Chemical Bonding in Hypervalent Molecules Revised. 2. Application of the Atoms in Molecules Theory to Y2XZ and Y2XZ2 (Y = H, F, CH3; X = O, S, Se; Z = O, S) Compounds. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121 (13): 3156–3164. doi:10.1021/ja9828206. 
  9. ^ R. Steudel "Inorganic Polysulfanes H2S2 with n > 1" in Elemental Sulfur and Sulfur-Rich Compounds II (Topics in Current Chemistry) 2003, Volume 231, pp 99-125. doi:10.1007/b13182
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 Greenwood and Earnshaw, p. 683
  11. ^ Laitinen, Risto S.; Pakkanen, Tapani A.; Steudel, Ralf. Ab initio study of hypervalent sulfur hydrides as model intermediates in the interconversion reactions of compounds containing sulfur–sulfur bonds. J. Am. Chem. Soc. 1987, 109 (3): 710–714. doi:10.1021/ja00237a012. 
  12. ^ Nishimoto, Akiko; Zhang, Daisy Y. Hypervalency in sulfur? Ab initio and DFT studies of the structures of thiosulfate and related sulfur oxyanions. Sulfur Letters. 2003, 26 (5/6): 171–180. doi:10.1080/02786110310001622767. 
  13. ^ Liu, Yunxian; Duan, Defang; Tian, Fubo; Li, Da; Sha, Xiaojing; Zhao, Zhonglong; Zhang, Huadi; Wu, Gang; Yu, Hongyu; Liu, Bingbing; Cui, Tian. Phase diagram and superconductivity of polonium hydrides under high pressure. 2015. arXiv:1503.08587 可免费查阅 [cond-mat.supr-con].