Химия Инфо

Основания

Гидроксид натрия растворяется в воде, а гидроксид меди(II) образует голубой осадок. Оба вещества относятся к основаниям в школьной классификации неорганических соединений. Их объединяют состав и характерные реакции, но растворимость и поведение при нагревании различаются. Чтобы пользоваться этим классом веществ без ошибок, нужно различать гидроксид, щёлочь и основание в более широком смысле.

Состав и названия оснований

В школьной классификации основания — гидроксиды металлов, проявляющие основные свойства. В их составе есть катионы металла и гидроксид-ионы OH−. Щёлочи — основания, растворимые в воде.

Примеры оснований: NaOH, KOH, Ca(OH)2, Cu(OH)2, Fe(OH)2, Fe(OH)3. Общую формулу гидроксида можно записать так:

Me(OH)n.

Здесь Me обозначает металл, а n — число гидроксид-ионов на один катион металла в формульной единице. Поскольку заряд каждого OH− равен −1, для катиона Ca2+ нужны два таких иона, для Fe3+ — три. Формулы отражают электрическую нейтральность вещества. Кристаллические NaOH и Ca(OH)2 не состоят из отдельных молекул с нарисованными связями «металл — OH».

Название строят из слова «гидроксид» и названия металла: гидроксид натрия, гидроксид кальция. Для металлов с разными степенями окисления указывают её римской цифрой: Fe(OH)2 — гидроксид железа(II), Fe(OH)3 — гидроксид железа(III). Можно различать гидроксиды по числу групп OH в формуле, однако это число само по себе не показывает силу основания.

Al(OH)3 и Zn(OH)2 в школьной классификации выделяют отдельно: это амфотерные гидроксиды, способные взаимодействовать и с кислотами, и с сильными щелочами при подходящих условиях. Не каждый гидроксид металла следует без оговорок относить к обычным основаниям.

Растворимость и сила основания

NaOH и KOH хорошо растворяются в воде. Ca(OH)2 растворяется ограниченно, но его раствор имеет выраженные щелочные свойства; гидроксид кальция в школьном курсе также относят к щёлочам. Прозрачный раствор Ca(OH)2 называют известковой водой, а суспензию с избытком твёрдого вещества — известковым молоком.

Cu(OH)2 и гидроксиды железа практически нерастворимы в воде. Это означает очень малую растворимость, а не полное отсутствие растворённых частиц. Сведения для школьных задач находят в таблице растворимости.

Растворимость показывает, сколько вещества может перейти в раствор, а сила основания связана с его взаимодействием с протонами и, для растворённых гидроксидов, с образованием ионов в воде. Нельзя объявлять любое малорастворимое основание слабым только из-за его растворимости.

Растворённая часть гидроксида кальция представлена главным образом ионами Ca2+ и OH−; ограниченная растворимость не делает его аналогом слабого основания аммиака. При растворении NaOH образуются ионы:

NaOH → Na+ + OH−, водный раствор.

Более широкое определение основания — частица, способная принять протон H+. Поэтому основанием является и аммиак NH3, хотя он не гидроксид металла. В воде часть молекул аммиака принимает протон от воды:

NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH−.

Такой раствор имеет щелочную среду. Основной растворённой формой остаётся NH3; запись NH4OH не следует понимать как формулу отдельного устойчивого гидроксида, из молекул которого состоит аммиачная вода.

Как распознать щелочную среду

При 25 °C в обычных водных растворах щелочной среде соответствует pH больше 7. Индикаторы меняют окраску в определённых интервалах pH, а не обнаруживают конкретный металл.

ИндикаторНейтральная средаОбычная щелочная среда
ЛакмусФиолетовыйСиний
ФенолфталеинБесцветныйРозовый или малиновый в его рабочем интервале pH
Универсальный индикаторОбычно зелёный около pH 7Синий или фиолетовый; оттенок сверяют со шкалой

Цвет самого вещества — другой признак. Cu(OH)2 образует голубой осадок, Fe(OH)3 — красно-бурый, а осадок Fe(OH)2 обычно зеленоватый и буреет на воздухе вследствие окисления. Цвет осадка нельзя путать с цветом индикатора.

Химические свойства: три разобранных примера

1. Нейтрализация кислоты

Раствор гидроксида натрия реагирует с соляной кислотой:

NaOH + HCl → NaCl + H2O.

Здесь гидроксид-ионы связываются с ионами водорода в воду. Нерастворимое основание также может реагировать с кислотой. Голубой осадок Cu(OH)2 растворяется при достаточном количестве соляной кислоты:

Cu(OH)2 + 2HCl → CuCl2 + 2H2O.

Две группы OH требуют двух кислотных протонов: коэффициент перед HCl равен 2. Значит, отсутствие растворимости в чистой воде не означает отсутствия реакции с кислотой.

2. Получение осадка из растворимой соли

В водном растворе ионы меди(II) соединяются с гидроксид-ионами:

CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl.

Cu2+ + 2OH− → Cu(OH)2↓.

Причина протекания реакции обмена — образование малорастворимого гидроксида. Если оба возможных продукта растворимы и не образуются газ или слабый электролит, механической перестановки ионов недостаточно.

3. Углекислый газ и известковая вода

При ограниченном количестве CO2 известковая вода мутнеет из-за образования карбоната кальция:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O.

При дальнейшем поступлении CO2 в присутствии воды осадок может раствориться с образованием растворимого гидрокарбоната:

CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2, водный раствор.

Следовательно, конечный результат зависит от соотношения веществ. Аналогично щёлочь NaOH при отношении NaOH : CO2 = 2 : 1 может дать Na2CO3, а при отношении 1 : 1 — NaHCO3.

Нагревание, получение и применение

Многие нерастворимые гидроксиды разлагаются при нагревании. Например, голубой Cu(OH)2 превращается в чёрный CuO:

Cu(OH)2 → CuO + H2O, нагревание.

Однако правило «любое основание при нагревании даёт оксид и воду» неверно: NaOH и KOH при обычном школьном нагревании так не разлагаются. Получать основания тоже можно разными способами: осаждением из соли или взаимодействием подходящего основного оксида с водой. Последний путь подходит, например, для CaO, но не для всех оксидов металлов.

CaO + H2O → Ca(OH)2.

Эта реакция сопровождается заметным выделением теплоты. Гидроксид кальция применяют в строительстве и водоподготовке, NaOH — в производстве мыла, бумаги и других химических продуктов. Щёлочи едкие: в лаборатории работают в защитных очках по указаниям учителя, не пробуют вещества и не проверяют «мылкость» пальцами. При попадании раствора на тело сразу сообщают учителю и начинают промывание водой; кислоту для нейтрализации на коже не используют.

Свойства основания определяют по его составу, растворимости и условиям реакции. Число групп OH не заменяет проверку растворимости, а наличие группы OH в любой формуле ещё не означает принадлежности к основаниям.

Проверьте себя

  1. Составьте формулу гидроксида железа(III) из ионов Fe3+ и OH−.
  2. Какие из веществ NaOH, Cu(OH)2, Ca(OH)2 относят к щёлочам в школьном курсе?
  3. Сколько молей HCl нужно для полной нейтрализации 0,5 моль Cu(OH)2?
  4. Почему известковая вода сначала мутнеет при поступлении CO2, а при его избытке может снова стать прозрачной?
  5. Почему водный раствор аммиака имеет щелочную среду, хотя в формуле NH3 нет OH?

Ответы с объяснениями

  1. Fe(OH)3. Заряд +3 одного катиона компенсируют три иона с зарядом −1. Скобки показывают, что индекс 3 относится ко всей группе OH.

  2. NaOH и Ca(OH)2. Гидроксид кальция малорастворим, но его раствор щелочной, и в школьной классификации его относят к щёлочам. Cu(OH)2 практически нерастворим и к щёлочам не относится.

  3. По уравнению на один моль Cu(OH)2 требуется два моля HCl:

    n(HCl) = 2 · 0,5 = 1 моль.

  4. Сначала возникает осадок CaCO3. Избыток CO2 в присутствии воды переводит его в раствор в виде гидрокарбоната кальция. Результат зависит от количества углекислого газа.

  5. Молекулы NH3 частично принимают протон от воды, образуя NH4+ и OH−. Наличие гидроксид-ионов объясняет щелочную среду; формула отдельного «NH4OH» для этого объяснения не нужна.

Связанные темы

Кислоты, соли, амфотерные гидроксиды и оксиды, безопасность в лаборатории.

Источники

Общее определение основания: IUPAC, Brønsted base. Растворимость, диссоциация гидроксидов и равновесие аммиака: OpenStax, Relative Strengths of Acids and Bases. Цвета осадков: Royal Society of Chemistry, Qualitative tests.