カルコゲニド水素

カルコゲン化水素（カルコゲン水素化物またはカルコゲン化水素とも呼ばれる）は、水素とカルコゲン原子（第16族元素：酸素、硫黄、セレン、テルル、ポロニウム、リバモリウム）の二元化合物である。この系列の最初の化合物である水は、1つの酸素原子と2つの水素原子を含み、地球表面で最も一般的な化合物である。^[1]

水を含む最も重要な系列は、化学式H ₂ Xを持ち、Xは任意のカルコゲンを表す。したがって、これらは三原子である。これらは曲がった構造をとり、極性分子である。水は今日の地球上の生命にとって不可欠な化合物であり、^[2]地球の表面の70.9％を覆っている。その他の水素カルコゲン化物は通常、非常に有毒で、腐った卵や野菜に似た強い不快な臭いがする。硫化水素は、酸素の少ない環境での一般的な分解生成物であり、そのため、放屁の臭いの原因となる化学物質の1つである。これは火山ガスでもある。その毒性にもかかわらず、人体はシグナル分子として使用するために意図的に少量生成します。

水は他のカルコゲン化水素（少なくともテルル化水素まで）を溶解し、ヒドロカルコゲン酸として知られる酸性溶液を形成する。これらはハロゲン化水素酸よりも弱い酸であるが、重いカルコゲンほど酸の強さが増すという同様の傾向を示し、同様の方法で形成される（水をヒドロニウムイオン H ₃ O ⁺に、溶質を XH ^{−イオンに変える）。ポロニウム水素化物が、より軽い同族体のように水中で酸性溶液を形成するのか、それとも金属水素化物のように挙動するのかは不明である（}アスタチン化水素も参照）。

水素カルコゲニドのいくつかの特性は以下の通りである: ^[3]

他の水素カルコゲニドと比較して水が示す異常な特性の多くは、水素原子と酸素原子の間の水素結合が強いことに起因していると考えられる。これらの特性には、高い融点と沸点（室温では液体）、高い誘電率、観察可能なイオン解離などがある。水中の水素結合は、蒸発熱とエントロピー、表面張力、粘度の大きな値にもつながる。^[5]

その他の水素カルコゲン化物は、非常に有毒で悪臭のするガスです。硫化水素は自然界に広く存在し、水と比較した特性から、有意な水素結合がないことがわかります。^{[6]どちらも標準温度では気体であるため、水素は酸素の存在下で簡単に燃焼して、非常に}発熱的な反応で水になります。水素はポンと燃えるため、このようなテストは初心者の化学で反応によって生成されるガスをテストするために使用できます。水、硫化水素、セレン化水素は、それらの構成元素を一緒に 350 °C 以上に加熱することで生成できますが、テルル化水素と水素化ポロニウムは熱不安定性のため、この方法では生成できません。テルル化水素は、湿気、光、および 0 °C を超える温度で分解します。ポロニウム水素化物は不安定で、ポロニウムの放射能が強いため（生成時に自己放射線分解を起こす）、希塩酸をポロニウムメッキしたマグネシウム箔で処理しても痕跡量しか得られない。ポロニウムは金属であるのに対し、他のカルコゲンは金属ではないため、その特性は他のカルコゲン化水素とは多少異なり、したがってこの化合物は、塩化水素などの通常のカルコゲン化水素またはハロゲン化水素と、スズなどの金属水素化物の中間である。グループの最初の物質である水と同様に、ポロニウム水素化物も室温では液体である。しかし、水とは異なり、沸点が高くなる原因となる強い分子間引力は、ポロニウムの大きな電子雲の影響であるファンデルワールス相互作用である。 ^[3]

二水素二カルコゲニドは化学式 H ₂ X ₂を持ち、一般的に一カルコゲニドよりも安定性が低く、通常は一カルコゲニドと関連するカルコゲンに分解します。

最も重要なのは過酸化水素（H ₂ O _{2 ）}で、淡い青色でほぼ無色の液体で、水よりも揮発性が低く、密度と粘度が高い。化学的に重要な理由は、あらゆる pH の溶液で酸化または還元され、過酸化金属錯体や過酸化酸錯体を容易に形成し、多くのプロトン酸/塩基反応を起こすことができるからである。低濃度の過酸化水素は、消毒剤や髪の脱色など、家庭での主要な用途があるが、より高濃度の溶液ははるかに危険である。

二カルコゲン化水素のいくつかの特性は次のとおりです。

ジカルコゲニドの別の構造異性体、すなわち両方の水素原子が同じカルコゲン原子に結合し、そのカルコゲン原子がもう一方のカルコゲン原子にも結合している構造異性体が計算的に調べられている。これらのH ₂ X ⁺ –X ^–構造はイリドである。この異性体である過酸化水素オキシウォーターは実験的に合成されていない。二硫化水素の類似異性体であるチオスルホキシドは質量分析実験によって検出されている。^[9]

2 つの異なるカルコゲン原子が、チオ過酸化水素(H ₂ SO)のように、ジカルコゲン化物を共有することは可能です。同様の説明を持つよりよく知られた化合物には、硫酸(H ₂ SO ₄ ) があります。

すべての直鎖水素カルコゲニドは、化学式 H ₂ X _nに従います。

H ₂ O ₂より高次の多酸化水素は安定ではない。^[10] 3つの酸素原子を持つトリオキシダンは、いくつかの反応において一時的に不安定な中間体となる。酸素系列の次の2つであるテトラオキシダンとペンタオキシダンも合成されており、非常に反応性が高いことがわかっている。トリオキシダンの別の構造異性体、つまり3酸素鎖の中央の酸素に2つの水素原子が結合しているものが計算的に調べられている。^[11]

H ₂ SとH ₂ S ₂以外にも、多くの高級ポリスルファンH ₂ S _n ( n = 3–8)が安定な化合物として知られています。^{[12]これら}は硫黄の連鎖化傾向を反映して、分岐のない硫黄鎖を特徴としています。H 2 S ₂をはじめ、既知のポリスルファンはすべて室温で液体です。H ₂ S _2は無色ですが、他のポリスルファンは黄色です。nが増加すると色が濃くなり、密度、粘度、沸点も増加します。物理的特性の表を以下に示します。^[13]

しかし、これらは容易に酸化され、熱的に不安定で、硫黄と硫化水素に容易に不均化します。この反応ではアルカリが触媒として作用します。^[13]

8 H ₂ S _n → 8 H ₂ S + ( n − 1) S ₈

また、亜硫酸塩やシアン化物と反応して、それぞれチオ硫酸塩やチオシアン酸塩を生成する。^[13]

三硫化物の別の構造異性体、すなわち、3硫黄鎖の両端に1つずつではなく、中心の硫黄に2つの水素原子が結合している構造異性体が計算的に調べられている。^{[11]四硫化物の分岐異性体であるチオ} 亜硫酸も計算的に調べられており、4番目の硫黄が線状二水素三硫化物構造（(HS) ₂ S ⁺ −S ⁻）の中心の硫黄に結合している。^[14]線状二水素三硫化物構造の中心から2つの硫黄原子が分岐しているチオ硫酸も計算的に研究されている。 ^[15]

より高次のポロニウム水素化物が存在する可能性がある。^[16]

いくつかの一水素カルコゲニド化合物は実際に存在し、他のものは理論的に研究されています。ラジカル化合物であるため、これらは非常に不安定です。最も単純な2つは、ヒドロキシル（HO）とヒドロペルオキシル（HO ₂）です。水素オゾニド（HO ₃）化合物も知られており、^[17]そのアルカリ金属 オゾニド塩のいくつかは（さまざまなMO ₃）です。^[18]ヒドロキシルの硫黄類似体はスルファニル（HS）であり、ヒドロペルオキシルの硫黄類似体はHS _2です。

水中のプロチウム原子の1つまたは両方を同位体重 水素で置換すると、それぞれ半重水と重水が生成され、後者は最も有名な重水素化合物の1つです。重水素と通常のプロチウムの密度の差が大きいため、重水は多くの異常な特性を示します。放射性同位体トリチウムも、ほぼ同じようにトリチウム水を形成できます。もう1つの注目すべき重水素カルコゲニドは二硫化重水素です。テルル化重水素（D ₂ Te）はテルル化プロチウムよりも熱安定性がわずかに高く、テルル化物ベースの薄膜の化学堆積法に実験的に使用されています。^[19]

水素はハロゲンと多くの特性を共有しており、水素をハロゲンで置き換えると、二フッ化酸素や一酸化二塩素などのカルコゲンハロゲン化物化合物や、二酸化塩素など水素では生成できない化合物が生成されます。

最もよく知られている水素カルコゲニドイオンの 1 つは、水酸化物イオンと、それに関連するヒドロキシ官能基です。前者は、それぞれの金属と水との反応によって形成されるアルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属の水酸化物に存在します。ヒドロキシ基は、アルコール内などの有機化学でよく見られます。関連する二硫化物/ スルフヒドリル基は、それぞれ水硫化物塩とチオールに存在します。

ヒドロニウム(H ₃ O ^{+ ) イオン}は、水酸化物とともに純水だけでなく、ヒドロカルコゲン酸自体を含む酸性水溶液にも存在します。

• グリーンウッド、ノーマン N. ; アーンショウ、アラン (1997)。元素の化学(第 2 版)。バターワース-ハイネマン。ISBN 978-0-08-037941-8。