§ 24. Основания, их классификация и химические свойства

Сложные неорганические вещества, состоящие из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп ($-OH$).

• Общая химическая формула: $M(OH)_n$, где $M$ — атом металла, а индекс $n$ численно равен валентности металла и определяет число гидроксогрупп

Систематика гидроксидов металлов по химическим признакам и международной номенклатуре:

• 1. По растворимости в воде:
• Растворимые основания (щёлочи) — гидроксиды металлов IA-группы ($LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH$) и IIA-группы ($Ca(OH)_2, Sr(OH)_2, Ba(OH)_2$)
• Нерастворимые в воде основания — гидроксиды остальных металлов ($Cu(OH)_2, Mg(OH)_2, Fe(OH)_2, Fe(OH)_3, Mn(OH)_2, Al(OH)_3$)
• 2. По кислотности (числу гидроксильных групп в молекуле):
• Однокислотные (содержат одну группу $OH$): $NaOH, KOH, LiOH, CuOH$
• Двухкислотные (содержат две группы $OH$): $Ca(OH)_2, Mg(OH)_2, Fe(OH)_2, Cu(OH)_2, Mn(OH)_2$
• Трёхкислотные (содержат три группы $OH$): $Fe(OH)_3, Al(OH)_3$
• 3. Правило составления названий:

Слово «гидроксид» + наименование металла в родительном падеже + (римская цифра валентности металла, если она переменная):

• $NaOH$ — гидроксид натрия
• $Mg(OH)_2$ — гидроксид магния
• $CuOH$ — гидроксид меди(I)
• $Cu(OH)_2$ — гидроксид меди(II)
• $Fe(OH)_2$ — гидроксид железа(II), $Fe(OH)_3$ — гидроксид железа(III)

Химические превращения, отражающие реакционную способность гидроксидов:

• 1. Действие водных растворов щелочей на индикаторы:

Водные растворы щелочей мылкие на ощупь, разъедают кожу и ткани. В щелочной среде индикаторы меняют цвет: фенолфталеин становится ярко-малиновым, лакмус — синим, метилоранж — жёлтым (нерастворимые основания цвет индикаторов не меняют)

• 2. Взаимодействие с кислотами (реакция нейтрализации):

Реакция обмена между основанием и кислотой с образованием соли и воды; в реакцию вступают как растворимые, так и нерастворимые основания:

$$Ba(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Ba(NO_3)_2 + 2H_2O$$

$$Fe(OH)_2 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + 2H_2O$$

$$Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$$

• 3. Взаимодействие щелочей с кислотными оксидами:

Приводит к образованию соли и воды:

$$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$$

• 4. Взаимодействие щелочей с растворами солей:

Реакция обмена между растворимой солью и щёлочью протекает, если в результате образуется нерастворимый осадок или газ:

$$CuSO_4 + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + K_2SO_4$$

$$NH_4Cl + NaOH \rightarrow NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$$

Термический распад нерастворимых гидроксидов металлов при умеренном нагревании на соответствующий оксид металла и воду:

$$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O \quad (\text{голубой осадок чернеет})$$

$$Fe(OH)_2 \xrightarrow{t} FeO + H_2O$$

• Растворимые щёлочи ($NaOH, KOH$) при нагревании не разлагаются, они термически устойчивы и плавятся

Лабораторные способы синтеза щелочей и нерастворимых оснований:

• 1. Синтез щелочей:
• Взаимодействие щелочных или щёлочноземельных металлов с водой:

$$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$$

• Взаимодействие оксидов активных металлов с водой:

$$BaO + H_2O \rightarrow Ba(OH)_2$$

$$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$$

• 2. Синтез нерастворимых оснований:
• Реакция обмена между раствором соли соответствующего металла и раствором щёлочи:

$$2KOH + FeCl_2 \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + 2KCl$$

$$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$$

1. Определение оснований:

Основания — это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов металлов и одной или нескольких гидроксогрупп ($-OH$).

2. Классификация по двум признакам:

• По признаку 1: Растворимость в воде:
• Растворимые в воде основания (щёлочи) — гидроксиды металлов IA-группы (щелочные: $LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH$) и IIA-группы (щёлочноземельные: $Ca(OH)_2, Sr(OH)_2, Ba(OH)_2$). Они диссоциируют с образованием свободных гидроксид-ионов $OH^-$, мылкие на ощупь, окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет.
• Нерастворимые в воде основания — гидроксиды остальных металлов ($Cu(OH)_2, Fe(OH)_2, Fe(OH)_3, Mn(OH)_2, Al(OH)_3$ и др.).
• По признаку 2: Кислотность (число гидроксогрупп $OH$ в молекуле):
• Однокислотные — содержат одну гидроксогруппу: $NaOH, KOH, LiOH, CuOH$;
• Двухкислотные — содержат две гидроксогруппы: $Ca(OH)_2, Mg(OH)_2, Ba(OH)_2, Cu(OH)_2, Fe(OH)_2$;
• Трёхкислотные — содержат три гидроксогруппы: $Fe(OH)_3, Al(OH)_3$.

3. Способ образования названий оснований:

Название основания строится по схеме:

$$\text{«гидроксид»} + \text{название металла в родительном падеже} + \text{(валентность металла римскими цифрами, если она переменная)}$$

Примеры:

• $NaOH$ — гидроксид натрия (у натрия постоянная валентность I, указывать не требуется);
• $Mg(OH)_2$ — гидроксид магния (у магния постоянная валентность II);
• $CuOH$ — гидроксид меди(I) (медь проявляет переменную валентность);
• $Cu(OH)_2$ — гидроксид меди(II);
• $Fe(OH)_2$ — гидроксид железа(II);
• $Fe(OH)_3$ — гидроксид железа(III).

Щёлочи обладают четырьмя ключевыми химическими свойствами:

1. Действие на индикаторы:

В водных растворах щелочей за счёт присутствия гидроксид-ионов $OH^-$:

• Бесцветный фенолфталеин мгновенно становится насыщенно малиновым;
• Фиолетовый лакмус окрашивается в синий цвет;
• Оранжевый метилоранж становится жёлтым.

Условие протекания: наличие водного раствора щёлочи (присутствие гидратированных ионов $OH^-$).

2. Взаимодействие с кислотами (реакция нейтрализации):

Щёлочи бурно взаимодействуют с любыми кислотами с образованием растворимой или нерастворимой соли и молекул воды:

$$Ba(OH)_2 + 2HNO_3 \rightarrow Ba(NO_3)_2 + 2H_2O$$

$$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$$

Условие протекания: реакция нейтрализации протекает всегда самопроизвольно с выделением тепла ($Q > 0$).

3. Взаимодействие с кислотными оксидами:

Растворы щелочей связывают кислотные оксиды с образованием средней или кислой соли и воды:

$$Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O \quad (\text{помутнение известковой воды})$$

$$2NaOH + SO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$$

Условие протекания: реакция происходит при пропускании кислотного оксида через раствор щёлочи либо при их нагревании.

4. Взаимодействие с растворами солей (реакция ионного обмена):

Щёлочи реагируют с солями металлов, образуя новое основание и новую соль:

$$CuSO_4 + 2KOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + K_2SO_4$$

$$NH_4Cl + NaOH \rightarrow NaCl + NH_3\uparrow + H_2O$$

Условия протекания:

• Оба исходных вещества должны быть растворимы в воде;
• В результате реакции обязательно должен образоваться нерастворимый осадок ($Cu(OH)_2\downarrow, Fe(OH)_2\downarrow, Fe(OH)_3\downarrow$) либо выделиться газ ($NH_3\uparrow$).

Сравнение проводится по 4 фундаментальным критериям:

| Критерий сравнения | Щёлочи (растворимые основания) | Нерастворимые основания |

|---|---|---|

| 1. Растворимость в воде и мылкость | Хорошо растворимы в воде, водные растворы мылкие на ощупь, разъедают кожу | Практически не растворяются в воде, выпадают в виде рыхлых или студенистых цветных осадков |

| 2. Действие на индикаторы | Изменяют окраску: фенолфталеин $\rightarrow$ малиновый, лакмус $\rightarrow$ синий, метилоранж $\rightarrow$ жёлтый | Не изменяют окраску индикаторов из-за отсутствия свободных ионов $OH^-$ в растворе |

| 3. Взаимодействие с кислотами | Реагируют быстро с выделением тепла (нейтрализация): $KOH + HNO_3 \rightarrow KNO_3 + H_2O$ | Реагируют легко, при этом нерастворимый осадок полностью растворяется: $Cu(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + 2H_2O$ |

| 4. Взаимодействие с кислотными оксидами и солями | Активно реагируют: образуют соли с кислотными оксидами ($CO_2, SO_3$) и осаждают нерастворимые гидроксиды из солей | В обычных условиях с кислотными оксидами и солями не реагируют |

| 5. Отношение к нагреванию | Термически устойчивы, плавятся без разложения при высоких температурах (исключение: $LiOH$) | Легко разлагаются при слабом нагревании на основный оксид металла и воду: $Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$ |