Υδρίδιο του μαγνησίου

Το υδρίδιο του μαγνησίου είναι η ανόργανη δυαδική χημική ένωση με χημικό τύπο MgH₂, δηλαδή η ένωση μαγνησίου και υδρογόνου. Κατά βάρος περιέχει 7,66% υδρογόνο και γι' αυτό μελετάται ως ένα δυνητικό μέσο αποθήκευσης υδρογόνου.

Δομή και δεσμολογία

Στη θερμοκρασία δωματίου (T = 20 °C και P = 1 atm) σχηματίζεται το β-MgH₂, που έχει δομή ρουτιλίου. Υπάρχουν ακόμη δυο υψηλής πίεσης δομές, το α-MgH₂, με δομή α-PbO₂ (διοξειδίου του μολύβδου) και γ-MgH₂. Επιπλέον, έχει χαρακτηριστεί μια άλλη μη στοιχειομετρική δομή MgH(2-δ), αλλά φαίνεται να υπάρχει μόνο για πολύ μικρά σωμάτια (τα σχετικά ογκώδη σωμάτια MgH₂ είναι ουσιαστικά στοιχειομετρικά, εφόσον μπορούν να φιλοξενούν μόνο πολύ μικρές συγκεντρώσεις κενών υδρογόνου).

Η δεσμολογία στη δομή ρουτιλίου περιγράφεται μερικές φορές σαν να είναι ομοιοπολικής φύσης, παρά ως καθαρά ιονικής. Χρήση προσδιορισμού πυκνότητας με σύγχροτρο περίθλασης ακτίνων Χ δηλώνει, όμως, ότι το ιόν μαγνησίου (Mg²⁺) είναι πλήρως ιονισμένο και σφαιρικό στο σχήμα και ότι το ιόν υδριδίου (H^-) είναι επίμηκες. Έχουν επιβεβαιωθεί οι ακόλουθοι μοριακοί τύποι για το υδρίδιο του μαγνησίου: MgH, MgH₂, Mg₂H, Mg₂H₂, Mg₂H₃ και Mg₂H₄, από τα δονητικά φάσματά τους σε μήτρες που απομονώθηκαν από δείγματα θερμοκρασίας μικρότερης από 10 Κ (δηλ. μικρότερης από -263 °C), σχηματισμένων από ακολουθία εκτομών μαγνησίου με ακτίνες λέιζερ παρουσία υδρογόνου. Το μόριο Mg₂H₄ έχει μια δομή γέφυρας ανάλογη με το διμερές υδρίδιο του αργιλίου, με μοριακό τύπο Al₂H₆.

Παραγωγή

Το 1951 αναφέρθηκε η πρώτη παραγωγή του με ολική σύνθεση, δηλαδή με απευθείας υδρογόνωση μεταλλικού μαγνησίου σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία (P = 200 atm, T = 500 °C) και με χρήση ιωδιούχου μαγνησίου (MgI₂) ως καταλύτη:

$\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\underset{Mg{I}_2}{\overset{500^{o}C,200atm}{\to }}\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Ερευνάται η δυνατότητα παραγωγής υδριδίου του μαγνησίου σε χαμηλή θερμοκρασία, με την επίδραση υδρογόνου σε νανοκρυστάλλους μαγνησίου σε σφαιρόμυλους.

Άλλες μέθοδοι παραγωγής υδριδίου του μαγνησίου περιλαμβάνουν:

1. Με υδρογόνωση συμπλόκου μαγνησίου - ανθρακενίου (C₁₄H₁₀) κάτω από ήπιες συνθήκες:

$\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{C_{14}{H}_{10}}{\to }\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

2. Με αντίδραση διαιθυλομαγνησίου (Et₂Mg) με λιθιοαργιλιοϋδρίδιο (LiAlH₄):

$\mathrm{2}\mathrm{E}{\mathrm{t}}_{\mathrm{2}}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{A}\mathrm{l}{\mathrm{H}}_{\mathrm{4}}\stackrel{}{\to }\mathrm{E}\mathrm{t}\mathrm{L}\mathrm{i}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{E}{\mathrm{t}}_{\mathrm{3}}\mathrm{A}\mathrm{l}$

• όπου Et αιθύλιο.

3. Με αντίδραση φαινυλοσιλανίου (PhSiH₃) και διβουτυλομαγνησίου (Bu₂Mg), διαλυμένα σε διαιθυλαιθέρα (Et₂O) ή σε κάποιο υγρό υδρογονάνθρακα, παρουσία τετραϋδροφουρανίου (THF) ή τετραμεθυλαιθυλενοδιαμίνης (TMEDA) ως συναρμωτή:

$\mathrm{2}\mathrm{P}\mathrm{h}\mathrm{S}\mathrm{i}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{B}{\mathrm{u}}_{\mathrm{2}}\mathrm{M}\mathrm{g}\underset{|E{t}_{2}O|\acute{\eta }RH}{\overset{THF\acute{\eta }TMEDA}{\to }}\mathrm{2}\mathrm{P}\mathrm{h}\mathrm{S}\mathrm{i}\mathrm{B}{\mathrm{u}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Αντιδράσεις

Το υδρίδιο του μαγνησίου αντιδρά έντονα με το νερό παράγοντας υδρογόνο και υδροξείδιο του μαγνησίου:

$\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\stackrel{}{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{2}}$

Επίσης, με θέρμανση στους 300 °C, διασπάται, παράγοντας υδρογόνο υπό πίεση 1 bar. Η υψηλή θερμοκρασία που απαιτείται φαίνεται σαν ένα εμπόδιο στη χρήση του υδριδίου του μαγνησίου σαν ένα (πρακτικά) αντιστρεπτό μέσο αποθήκευσης υδρογόνου:

$\mathrm{M}\mathrm{g}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\stackrel{300^{o}C}{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\uparrow }\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{g}$

Δυνητική χρήση ως μέσο αποθήκευσης υδρογόνου

Το δυναμικό του ως ένα αντιστρεπτό μέσο αποθήκευσης υδρογόνου έχει οδηγήσει σε ενδιαφέρον (έρευνας) βελτίωσης της κινητικής των αντιδράσεων υδρογόνωσης (του μαγνησίου) και αφυδρογόνωσης (του υδριδίου του). Αυτό εν μέρει έχει επιτευχθεί με τη μείωση των μεγεθών των αντίστοιχων στερεών σωματίων με τη χρήση σφαιρόμυλου. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η υπό έρευνα παραγωγή ενός αντλήσιμου πολτού του υδριδίου του μαγνησίου ώστε να είναι ασφαλές στο χειρισμό και να απελευθερώνει το υδρογόνο του με την αντίδραση (του υδριδίου) με το νερό και ξαναμετατρέποντας το ενδιάμεσα παραγόμενο υδροξείδιο του μαγνησίου σε υδρίδιο του μαγνησίου. Μια εφαρμογή (υποψήφια ακόμη για εξέταση) για μια πατέντα στις ΗΠΑ (US 2010/0163434 A1) έχει ήδη ετοιμαστεί εκτιμώντας ότι ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να χρησιμοποιήσει ακτινοβολία λέιζερ για να βοηθήσει την προσρόφηση (πρόσθετου) αέριου υδρογόνου από υδρίδιο του μαγνησίου.