СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСТАВЛЕНИЕ НАЗВАНИЙ ОСНОВАНИЙ
В неорганической химии основания образуют важнейший класс химических соединений, противоположный по свойствам классу кислот.
Основания — это сложные вещества, состоящие из атомов металла (или катиона аммония NH₄⁺) и одной или нескольких гидроксогрупп OH.
Их общую формулу записывают как M(OH)ₙ, где M — металл, а индекс n обозначает число гидроксогрупп, которое численно совпадает с валентностью металла. Поскольку гидроксогруппа OH всегда одновалентна (имеет заряд -1), валентность металла строго определяет число присоединенных гидроксильных групп.
Все основания классифицируют по двум фундаментальным признакам:
- По кислотности (числу гидроксильных групп OH в молекуле):
- Однокислотные: содержат одну группу OH — гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH, гидроксид лития LiOH;
- Двухкислотные: содержат две группы OH — гидроксид кальция Ca(OH)₂, гидроксид магния Mg(OH)₂, гидроксид бария Ba(OH)₂, гидроксид меди(II) Cu(OH)₂;
- Трёхкислотные: содержат три группы OH — гидроксид железа(III) Fe(OH)₃, гидроксид алюминия Al(OH)₃.
- По растворимости в воде:
- Растворимые основания (щёлочи): гидроксиды щелочных металлов IA-группы (LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH) и щелочноземельных металлов IIA-группы (Ca(OH)₂, Sr(OH)₂, Ba(OH)₂). Они легко диссоциируют в воде с образованием подвижных гидроксид-ионов;
- Нерастворимые основания: гидроксиды большинства остальных металлов — Cu(OH)₂, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Mn(OH)₂. В воде они практически не растворяются и выпадают в виде характерных студенистых осадков.
Правило международной номенклатуры (ИЮПАК):
Название основания строится очень просто:
слово «гидроксид» + название металла в родительном падеже + валентность римской цифрой в скобках (указывается только для металлов с переменной валентностью):
- NaOH — гидроксид натрия (у натрия постоянная валентность I);
- Mg(OH)₂ — гидроксид магния (постоянная валентность II);
- CuOH — гидроксид меди(I) (валентность меди I);
- Cu(OH)₂ — гидроксид меди(II) (валентность меди II);
- Fe(OH)₂ — гидроксид железа(II);
- Fe(OH)₃ — гидроксид железа(III).
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЩЕЛОЧЕЙ
Водные растворы щелочей обладают общими характерными признаками: они мылкие на ощупь и чрезвычайно едкие — глубоко разъедают кожу, шерсть, бумагу и живую органическую ткань (отсюда исторические названия: гидроксид натрия NaOH — «едкий натр», гидроксид калия KOH — «едкий кали»). Работать с ними необходимо с особой осторожностью в защитных очках.
Все специфические химические свойства щелочей обусловлены наличием в их водных растворах подвижных гидроксид-ионов OH⁻:
- Действие на индикаторы:
Свободные гидроксогруппы вызывают резкое изменение цвета кислотно-основных индикаторов:
- Фенолфталеин из бесцветного мгновенно становится ярко-малиновым (это самый чувствительный и наглядный индикатор на щёлочь);
- Лакмус меняет окраску на синюю;
- Метилоранж приобретает отчетливый жёлтый цвет.
Нерастворимые основания из-за ничтожной концентрации ионов в воде окраску индикаторов не изменяют.
- Взаимодействие с кислотными оксидами:
Щёлочи активно связывают кислотные оксиды, образуя соль соответствующей кислоты и воду:
Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O
Этот процесс лежит в основе помутнения известковой воды при пропускании углекислого газа.
Аналогично протекает связывание серного ангидрида гидроксидом натрия:
2NaOH + SO₃ = Na₂SO₄ + H₂O
- Взаимодействие с растворами солей (реакции ионного обмена):
Щёлочи вступают в реакцию обмена с растворимыми солями других металлов только тогда, когда в результате реакции выпадает нерастворимый осадок гидроксида или выделяется газ:
CuSO₄ + 2KOH = Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄
При сливании голубого раствора медного купороса с раствором щелочи выпадает объемистый ярко-голубой осадок гидроксида меди(II).
Если же к раствору соли аммония добавить щелочь и подогреть, выделяется летучий газ аммиак с резким запахом:
NH₄Cl + NaOH = NaCl + NH₃↑ + H₂O
РЕАКЦИЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ: УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МОСТ МЕЖДУ КИСЛОТАМИ И ОСНОВАНИЯМИ
Главнейшим химическим свойством, объединяющим абсолютно все основания (как растворимые щелочи, так и нерастворимые в воде осадки), является способность взаимодействовать с кислотами.
Реакция нейтрализации — это реакция между кислотой и основанием, в результате которой кислотные и основные свойства взаимно нейтрализуются с образованием соли и слабодиссоциирующего вещества — воды.
В реакции между щёлочью и кислотой гидроксид-ионы основания соединяются с катионами водорода кислоты, образуя молекулы нейтральной воды:
Ba(OH)₂ + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + 2H₂O
NaOH + HCl = NaCl + H₂O
За ходом нейтрализации следят по изменению цвета индикатора (лабораторный опыт 19): если к малиновому раствору гидроксида натрия с фенолфталеином по каплям приливать соляную кислоту, в момент полной нейтрализации раствор мгновенно обесцвечивается.
Растворение нерастворимых оснований в кислотах:
Нерастворимые гидроксиды точно так же вступают в реакцию нейтрализации. При добавлении сильной кислоты осадок полностью растворяется с переходом в прозрачный раствор соли (лабораторный опыт 20):
Fe(OH)₂ + 2HCl = FeCl₂ + 2H₂O
Cu(OH)₂↓ + H₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O
Свежеосажденный голубой гидроксид меди(II) под действием серной кислоты мгновенно исчезает, образуя прозрачный синий раствор сульфата меди(II).
СВОЙСТВА НЕРАСТВОРИМЫХ ОСНОВАНИЙ: ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ
В отличие от химически стойких щелочей, нерастворимые гидроксиды металлов обладают важной термической особенностью: они термодинамически неустойчивы при нагревании.
При умеренном прокаливании нерастворимое основание теряет химически связанную воду и разлагается на соответствующий оксид металла и водяной пар:
Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O
Если в пробирке слегка нагреть свежеприготовленный голубой студенистый осадок гидроксида меди(II), он прямо на глазах темнеет и превращается в черный порошок оксида меди(II) (лабораторный опыт 21).
Точно так же ведет себя гидроксид железа(II), окисляясь и переходя в оксид:
Fe(OH)₂ —(t)→ FeO + H₂O
А бурый осадок гидроксида железа(III) при сильном прокаливании дает красно-коричневый порошок оксида железа(III):
2Fe(OH)₃ —(t)→ Fe₂O₃ + 3H₂O
Щёлочи при нагревании плавятся без разложения на оксид и воду (исключение составляет лишь гидроксид лития LiOH).
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОСНОВАНИЙ В ЛАБОРАТОРИИ
Способ получения основания напрямую зависит от того, является ли оно растворимым (щёлочью) или нерастворимым осадком:
- Получение щелочей:
- Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой: активные металлы бурно вытесняют водород из воды при комнатной температуре:
2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑
Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑
- Взаимодействие основных оксидов активных металлов с водой:
BaO + H₂O = Ba(OH)₂
CaO + H₂O = Ca(OH)₂ (техническое гашение извести).
- Получение нерастворимых оснований:
Поскольку оксиды нерастворимых металлов (CuO, FeO) не реагируют с водой, получить нерастворимые гидроксиды прямой гидратацией невозможно.
Их получают исключительно реакцией ионного обмена между раствором соли соответствующего металла и раствором щелочи:
2KOH + FeCl₂ = Fe(OH)₂↓ + 2KCl (выпадает зеленовато-белый осадок гидроксида железа(II));
2NaOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ (выпадает голубой осадок гидроксида меди(II));
3NaOH + FeCl₃ = Fe(OH)₃↓ + 3NaCl (выпадает бурый осадок гидроксида железа(III)).
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Основания: сложные вещества общей формулы M(OH)ₙ (катион металла + n одновалентных гидроксид-ионов OH⁻).
- Кислотность оснований: число групп OH (однокислотные — NaOH, двухкислотные — Ca(OH)₂, трёхкислотные — Fe(OH)₃).
- Растворимость:
- Щёлочи (растворимые): металлы IA-группы (Li, Na, K, Rb, Cs) и щелочноземельные металлы IIA-группы (Ca, Sr, Ba).
- Нерастворимые основания: Cu(OH)₂, Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, Mn(OH)₂ и др.
- Номенклатура: «гидроксид» + название металла в род. падеже + (валентность), например: Cu(OH)₂ — гидроксид меди(II).
- Свойства щелочей:
- Мылкие на ощупь, разъедают кожу и ткани.
- Изменяют окраску индикаторов: фенолфталеин — малиновый, лакмус — синий, метилоранж — жёлтый.
- Реагируют с кислотными оксидами: Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O.
- Реагируют с растворами солей с выпадением осадка: CuSO₄ + 2NaOH = Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄.
- Реакция нейтрализации (общая для всех оснований): Основание + Кислота = Соль + Вода (Ba(OH)₂ + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + 2H₂O; Cu(OH)₂↓ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O).
- Термическое разложение нерастворимых оснований: при нагревании осадков выделяется вода и образуется оксид металла: Cu(OH)₂ —(t)→ CuO + H₂O (голубой осадок чернеет). Щёлочи при нагревании не разлагаются!
- Получение оснований:
- Щёлочи: активный металл + H₂O (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑) или оксид активного металла + H₂O (CaO + H₂O = Ca(OH)₂).
- Нерастворимые основания: раствор соли металла + раствор щёлочи (FeCl₂ + 2KOH = Fe(OH)₂↓ + 2KCl).