Основания и щёлочи: свойства и получение
Мыло скользит в руках из-за щелочной среды, известковый раствор используют в строительстве, а гидроксид натрия нужен при изготовлении бумаги и моющих средств. Эти вещества относятся к основаниям. В школьной химии основания встречаются в цепочках превращений, качественных реакциях и задачах на составление уравнений. Чтобы не путаться в формулах, важно различать все основания и их растворимую часть, щёлочи.
У оснований есть общий признак: они содержат металл и одну или несколько гидроксогрупп OH. Однако растворимость и химическая активность у них разная. Гидроксид натрия NaOH хорошо растворяется в воде, а гидроксид меди(II) Cu(OH)2 выпадает голубым осадком. Класс вещества определяют по составу, а дальнейшие свойства уточняют по таблице растворимости и условиям реакции.
Основания представляют собой сложные вещества, состоящие из катионов металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH−. Растворимые в воде основания называют щёлочами.
Что называют основаниями
В водном растворе растворимое основание распадается на катионы металла и гидроксид-ионы. Например, NaOH → Na+ + OH−, а Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH−. Именно гидроксид-ионы обусловливают общие свойства щелочных растворов: они меняют окраску индикаторов, нейтрализуют кислоты и реагируют с кислотными оксидами.
Не всякое соединение с группой OH является основанием. В этиловом спирте C2H5OH гидроксогруппа связана с органическим остатком, а не с металлом. В серной кислоте H2SO4 тоже есть кислород и водород, но гидроксид-ионов при диссоциации она не образует. Поэтому по одной части формулы судить о классе вещества нельзя: нужно видеть весь состав.
В школьном курсе к основаниям обычно относят гидроксиды металлов: KOH, Ca(OH)2, Fe(OH)3, Al(OH)3. Гидроксиды алюминия, цинка и некоторых других металлов называют амфотерными: они способны реагировать и с кислотами, и с избытком сильной щёлочи. В простых заданиях их часто рассматривают отдельно, хотя формально они тоже содержат металл и OH-группы.
Формулы и названия оснований
Формулу основания составляют по заряду катиона металла и заряду гидроксид-иона, равному −1. У натрия заряд +1, поэтому одной группе OH соответствует NaOH. Ион кальция имеет заряд +2, значит формула гидроксида кальция, Ca(OH)2. Для железа(III) с зарядом +3 получается Fe(OH)3.
Скобки в формуле нужны, когда гидроксогруппа повторяется. Запись CaOH2 неверна: индекс 2 должен относиться к целой группе OH, а не только к водороду. Правильная формула Ca(OH)2 показывает, что в веществе два атома кислорода и два атома водорода, входящие в две гидроксогруппы.
Названия строят из слова «гидроксид» и названия металла в родительном падеже: NaOH, гидроксид натрия; Ca(OH)2, гидроксид кальция. Если металл проявляет разные степени окисления, её указывают в скобках: Fe(OH)2, гидроксид железа(II), а Fe(OH)3, гидроксид железа(III). Степень окисления можно найти по числу OH-групп, поскольку каждая из них имеет заряд −1.
Число гидроксогрупп в формуле основания равно заряду катиона металла. У одновалентных металлов это одна группа OH, у двухвалентных, две, у трёхвалентных, три.
Щёлочи и нерастворимые основания
Щёлочи являются основаниями, которые растворяются в воде. К ним относят гидроксиды щелочных металлов LiOH, NaOH, KOH и гидроксиды некоторых щёлочноземельных металлов, прежде всего Ba(OH)2, Sr(OH)2 и Ca(OH)2. Растворимость гидроксида кальция невелика, но его раствор называют известковой водой, а взвесь, известковым молоком.
Большинство гидроксидов металлов в воде не растворяется. Fe(OH)2 образует зеленоватый осадок, Fe(OH)3, бурый, Cu(OH)2, голубой. Цвет осадка помогает распознавать катионы в качественных реакциях, но в уравнении важнее указать стрелку вниз и правильно записать формулу вещества.
В работе с растворами щёлочей соблюдают осторожность. Концентрированные NaOH и KOH разъедают кожу и ткани, поэтому их не берут руками и не пробуют на вкус. При разбавлении щёлочи раствор нагревается, а попадание раствора на кожу требует немедленного промывания водой и обращения к учителю или медицинскому работнику по правилам лаборатории.
Химические свойства
Растворы щёлочей действуют на индикаторы. Лакмус в щелочной среде синеет, метилоранж становится жёлтым, а фенолфталеин приобретает малиновую окраску. Эти изменения позволяют установить среду раствора, но не называют конкретное вещество: одинаково вести себя могут разные щёлочи.
Самая характерная реакция основания с кислотой называется нейтрализацией. Продуктами становятся соль и вода: NaOH + HCl → NaCl + H2O. Её сокращённое ионное уравнение имеет вид H+ + OH− → H2O. Нерастворимые основания тоже взаимодействуют с кислотами, например Cu(OH)2 + 2HCl → CuCl2 + 2H2O. При этом голубой осадок гидроксида меди растворяется.
Щёлочи реагируют с кислотными оксидами. Углекислый газ при пропускании через раствор гидроксида натрия даёт карбонат натрия: CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O. Если углекислого газа избыток, образуется гидрокарбонат: CO2 + NaOH → NaHCO3. Поэтому количество реагентов в условии задачи влияет на продукт.
Раствор щёлочи может вступать в реакцию обмена с солью, если в результате появляется осадок, газ или слабый электролит. При смешивании растворов сульфата меди(II) и гидроксида натрия образуется нерастворимый гидроксид меди(II): CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4. Реакцию не записывают как идущую до конца, если все предполагаемые продукты остаются растворимыми сильными электролитами.
Получение оснований
Активные основные оксиды при взаимодействии с водой образуют щёлочи. Оксид натрия реагирует по уравнению Na2O + H2O → 2NaOH, оксид кальция, CaO + H2O → Ca(OH)2. Последний процесс называют гашением извести. Реакция идёт с выделением тепла, поэтому в опытах соблюдают меры безопасности.
Гидроксиды получают и реакцией обмена между раствором соли и щёлочью. Для этого выбирают такую соль, чтобы образующийся гидроксид был нерастворим: FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3↓ + 3NaCl. Таким способом в лаборатории получают осадки гидроксидов железа, меди и других металлов.
Щелочные металлы также способны реагировать с водой. Например, 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑. Реакция идёт бурно, поэтому её не проводят самостоятельно. В промышленности гидроксид натрия получают главным образом электролизом раствора хлорида натрия. В школьных задачах обычно достаточно знать уравнения взаимодействия основного оксида с водой и обмена соли со щёлочью.
Как решать задания
Сначала определите класс каждого вещества. Если перед вами кислота и основание, ожидайте соль и воду. Если щёлочь реагирует с кислотным оксидом, продуктом будет соль, а иногда также вода. При реакции раствора щёлочи с солью проверьте таблицу растворимости: образование осадка служит признаком того, что обмен идёт до конца.
- NaOH и KOH: щёлочи, хорошо растворимые основания.
- Ca(OH)2 и Ba(OH)2: растворимые гидроксиды щёлочноземельных металлов.
- Cu(OH)2 и Fe(OH)3: нерастворимые основания.
- Al(OH)3 и Zn(OH)2: амфотерные гидроксиды.
Основания связывают между собой основные оксиды, соли и кислоты. Формула с группой OH помогает распознать гидроксид, а таблица растворимости показывает, будет ли он щёлочью или осадком. Для полного представления о классе неорганических веществ полезно сравнить основания с кислотами: их взаимодействие лежит в основе реакций нейтрализации.