Основания – это сложные соединения, в состав которых входят катионы металла (или аммоний-катиона NH4+) и одна или несколько гидроксильных групп ОН–. Основания имеют общую формулу Ме(ОН)х, где х – валентность металла.
С позиций теории электролитической диссоциации основаними считаются электролиты, диссоциация которых дает единственный вид отрицательно заряженных ионов – гидроксид-анионы ОН–. Одновременно образуются катионы металла (или аммоний-катионы NH4+) и положительно заряженные остатки основания – так называемые гидроксокатионы. Например, при ступенчатой диссоциации гидроксида железа (ІІІ):
Fe(ОН)3?(Fe(OH)2)+ + OH–,
(Fe(OH)2)+?(Fe(OH)2+ + OH–,
FeOH+?Fe3+ + OH–.
Остатком основания называется положительно заряженный ион, который образуется в результате отщепления от молекулы основания одной или нескольких гидроксильных групп ОН–.
При диссоциации основания Fe(ОН)3 образуются такие остатки оснований: дигидроксожелеза(ІІІ)-катион (Fe(OH)2)+, гидроксожелеза(ІІІ)-катион (Fe(OH)2+, железа(ІІІ)-катион Fe3+.
Номенклатура оснований. После слова «гидроксид» приводят название метала с указанием его валентности (или название аммоний-катиона NH4+). Например, Fe(OH)2 – гидроксид железа (ІІ), Fe(OH)3 – гидроксид железа (ІІІ), NH4OH – гидроксид аммония. Если металл проявляет постоянную валентность, ее не указывают: Ва(ОН)2 – гидроксид бария, Al(ОН)3 – гидроксид алюминия. Применяются и тривиальные названия, например, для гидроксида кальция: твердый Ca(OH)2 – гашеная известь, водная суспензия Ca(OH)2 – известковое молоко, прозрачный раствор Ca(OH)2 – известковая вода. Щелочи NaOH и KOH часто называют едким натром и едким кали, раствор Ba(OH)2 – баритовой водой. Гидроксид аммония NH4OH (правильнее его формулу записывать в виде NH3.H2O) называется аммиачной водой, или нашатырным спиртом (обычно 10% раствор).
Классификация оснований проводится по разным признакам.
По растворимости в воде основания подразделяются на две группы (рис. 11.5):
растворимые, которые называются щелочами. К ним относятся гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов: KOH, NaOH, LiOH, CsOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2), а также гидроксид аммония NH4OH;
нерастворимые основания – это гидроксиды всех р- и d-металлов, а также двух s-металлов: Mg(OH)2 и Be(OH)2.
Рисунок 11.5 – Классификация оснований по растворимости в воде
По способности к диссоциации основания подразделяются на:
сильные электролиты, к которым относятся щелочи, за исключением NH4OH;
слабые электролиты – нерастворимые в воде основания и NH4OH.
По кислотности основания подразделяются на:
однокислотные, содержащие одну гидроксильную группу (KOH, NaOH, LiOH, CsOH, NH4OH);
двухкислотные основания с двумя гидроксогруппами (Mg(OH)2, Cu(OH)2);
трехкислотные, например, Fe(OH)3, Al(OH)3;
многокислотные встречаются очень редко: Mn(OH)4, Ti(OH)4.
Физические свойства оснований. При обычных условиях основания – твердые вещества, за исключением жидкого гидроксида аммония NH4OH. Растворимые в воде основания имеют характерный вкус, мылкие на ощупь и очень едкие. Они разъедают кожу и бумагу. Плотность, температуры кипения и плавления оснований изменяются в широких пределах. Все щелочи белого цвета, другие основания могут быть окрашены в разные цвета (рис. 11.6).
Рисунок 11.6 – Цвет некоторых оснований: а) Ca(OH)2; б) Cu(OH)2; в) Fe(OH)3; г) Ni(OH)2; д) Со(ОН)2
Химические свойства оснований. Щелочи проявляют химическую активность, а нерастворимые основания в химическом отношении малоактивны (табл. 11.3).
Таблица 11.3 – Химические свойства оснований
Действие на индикатор
Основания содержат гидроксильные группы OH–, изменяющие окраску индикаторов
Лакмус – синий,
Метиловый оранжевый – желтый
Фенолфталеин – малиновый
Отношение к кислотам
Основания вступают с кислотами в реакцию нейтрализации. Но в случае очень слабых оснований и очень слабых кислот взаимодействие происходит не всегда
КОН + НСl КСl + Н2О,
Cu(OH)2 + H2SO4 CuSO4 + 2H2O,
но:
Cu(OH)2 + HCN реакция не идет
Взаимодействие с кислотными оксидами
Щелочи взаимодействуют с большинством кислотных оксидов за небольшим исключением
6КОН + Р2О5 2К3РО4 + 3Н2О,
Са(ОН)2 + СО2 СаСО3 + Н2О.
Однако:
SiO2 + NaOH реакция не идет
Взаимодействие с амфотерными металлами, оксидами и гидроксидами
Это свойство характерно для щелочей. При сплавлении твердых щелочей с амфотерными двух-, трех- и четырехвалентными металлами выделяется Н2 и образуются средние соли (соответственно Na2MeІІO2, NaMeІІІO2, Na2MeІVO3). При взаимо-действии с растворами щелочей – комплексные соли общего состава Na2[МеІІ(OH)4],
Рисунок 11I.7 – Взаимодействие Al c раствором NaOH
2NaOH(тв) + Zn Na2ZnO2 + H2?,
2NaOH(тв) + ZnO Na2ZnO2 + Н2О,
2NaOH(тв) + Zn(OН)2 Na2ZnO2 + Н2О,
2NaOH + Zn + 2Н2О Na2[Zn(OH)4] + H2?,
2NaOH + ZnO + Н2О Na2[Zn(OH)4],
2NaOH + Zn(OН)2 Na2[Zn(OH)4],
6NaOH(тв) + 2Al 2NaAlO2 + 2Na2O + Н2?,
2NaOH(тв) + Al2O3 2NaAlO2 + Н2О,
NaOH(тв) + Al(OН)3 NaAlO2 + 2Н2О,
2NaOH + 2Al+ 6Н2О 2Na[Al(OH)4] + 3H2?,
2NaOH + Al2O3 + 3Н2О 2Na[Al(OH)4],
6NaOH + Al2O3 + 3Н2О 2Na3[Al(OH)6],
NaOH + Al(OН)3 Na[Al(OH)4],
3NaOH + Al(OН)3 Na3[Al(OH)6],
4NaOH(тв) + SnO2 2Na2SnO3 + 2Н2О,
2NaOH + SnO2 + 2Н2О Na2[Sn(OH)6]
Na[МеІІІ(OH)4], Na3[МеІІІ(OH)6], Na2[МеІV(OH)6]. Например, реакции амфотерных металлов Al и Zn с раствором щелочи (рис. 11.7, 11.8).
Аналогичные продукты получаются при взаимодействии амфотерных оксидов и оснований со щелочами при сплавлении или в растворах
Реакции с растворами солей
Это свойство характерно для щелочей при условии необратимости реакции (образование осадка, газа или слабого электролита).
Некоторые слабые основания тоже могут вступать в такие реакции, если в результате образуется продукт, имеющий меньшую растворимость
CuSO4 + 2NaOH Cu(OH)2? + Na2SO4,
FeCl2 + 2KOH Fe(OH)2? + 2KCl,
однако NaOH + KCl реакция не идет
Пример взаимодействия слабого основания с солью:
Cu(OH)2 + Na2S CuS? + 2NaOH,
3NH4OH + AlCl3 Al(OН)3? + NH4Cl
С кислыми солями щелочи образуют средние соли
NaHCO3+ NaOH Na2CO3 + Н2О,
С основными солями щелочи образуют нерастворимые основания
Al(OH)Cl2+ 2NaOH Al(OH)3? + 2NaCl,
Al(OH) 2Cl+ NaOH Al(OH)3? + NaCl
Отношение к нагреванию
Гидроксиды щелочных металлов устойчивы к действию высоких температур, слабые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду
NaOH(твердый) NaOH(жидкий расплав),
Cu(OH)2 CuO + Н2О,
2Fe(OH)3 Fe2O3 + 3Н2О
Гидроксид аммония разлагается при небольшой температуре
NH4OH NH3? + Н2О
Взаимодействие с некоторыми неметаллами (только щелочи!)
При взаимодействии галогенов Cl2, Br2 и I2 с холодными растворами щелочей образуется смесь двух солей – галогенида и гипогалогенита (например, хлорида и гипохлорита); с горячими растворами щелочей – смесь галогенида и галогената (например, хлорида и хлората). Фтор F2 со щелочами реагирует с выделением О2 – см. уравнение реакции
2NaOH + Cl2 NaCl + NaClO + H2O,
6NaOH + 3Cl2 NaCl + NaClO3 + 3H2O,
4NaOH + 2F2 4NaF + O2 + 2H2O
При длительном кипячении серы с концентрированным раствором щелочи образуется смесь двух солей – сульфида и сульфита (реже – сульфата)
6KOH + 3S 2K2S + K2SO3 + 3H2O,
8KOH + 4S 3K2S + K2SO4 + 4H2O
Растворение фосфора в щелочи дает соль гипофосфит и газ фосфин
3NaOH + 3P 3NaH2PO2 + PH3?
При растворении кремния в щелочах образуются силикат и водород
2KOH + Si + H2O K2SiO3 + 2H2?
Рисунок 11.8 – Поэтапное взаимодействие Zn с раствором щелочи КОН и сгорание выделившегося водорода
Амфотерные основания. К ним относятся гидроксиды Ве(ОН)2, Zn(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3, Pb(OH)2, Pb(OH)4 и др.
Амфотерные основания – это гидраты амфотерных оксидов, способные проявлять основные свойства при взаимодействии с кислотами и кислотные свойства – при взаимодействии со щелочами.
Все амфотерные гидроксиды являются слабыми основаниями. Совокупность кислотных и основных свойств объясняется возможностью амфотерных оснований диссоциировать как по типу основания, так и по типу кислоты. Например:
слабое основание: Zn(OH)2?Zn2+ + 2OH–;
слабая кислота: Zn(OH)2?2H+ + ZnO22–.
В химическом отношении амфотерные гидроксиды ведут себя как слабые основания. Кроме того, для них характерны специфические свойства (табл. 11.4).
Таблица 11.4 – Химические особенности амфотерных гидроксидов
Основные свойства – взаимодействие с сильными кислотами с образованием средних солей
Zn(OH)2 + 2HCl ZnCl2 + 2Н2О;
2Al(OH)3 +3H2SO4 Al2(SO4)3 + 6Н2О
Кислотные свойства – взаимодействие со щелочами: а) при нагревании и сплавлении твердых веществ образуются средние соли;
б) в водных растворах образуются комплексные соли
а) Zn(OH)2 + 2KOH K2ZnO2 + 2Н2О;
б) Zn(OH)2 + 2KOH K2[Zn(OH)4]
Получение оснований. Основные способы получения оснований приведены в табл. 11.5.
Таблица 11.5 – Получение оснований
Обменное взаимодействие солей со щелочами
Этим способом получают нерастворимые основания, кроме гидроксидов ртути (II) и серебра (I), которые разлагаются в момент образования.
Для получения амфотерних оснований используют NH4OH, потому что при действии щелочи образуются комплексные соли
CuCl2 + Ba(OH)2 2Cu(OH)2?+ BaCl2,
однако:
Hg(NO3)2 + 2NaOH HgO?+ 2NaNO3 + H2O,
2AgNO3 + 2NaOH Ag2O?+ 2NaNO3 + H2O,
Получение амфотерного основания:
AlCl3 + 3NH4OH Al(OH)3?+ 3NH4Cl,
поскольку
AlCl3 + 4NaOH Na[Al(OH)4] + 3NaCl
Взаимодействие активных металлов с водой
По этому способу получают щелочи
2Na + 2H2O 2NaOH + H2,
Ca + 2H2O Ca(OH)2 + H2
Гидролиз бинарных соединений
Растворимых основных оксидов
Na2O + H2O 2NaOH,
BaO + H2O Ba(OH)2
Пероксидов щелочных и щелочноземельных металлов
Na2O2 + 2H2O 2NaOH + H2O2,
BaO2 + 2H2O Ba(OH)2 + H2O2
Растворимых гидридов
NaH + H2O NaOH + H2
Других бинарных соединений – растворимых карбидов, силицидов, нитридов или фосфидов
Al4C3 + 12H2O 4Al(OH)3?+ 3CH4,
Na2C2 + 2H2O 2NaOH + C2H2,
Mg2Si + 4H2O 2Mg(OH)2?+ SiH4,
Na3N + 3H2O 3NaOH + NH3,
Ba3P2 + 6H2O 3Ba(OH)2 + 2PH3
Гидролиз солей, образованных очень слабыми кислотами
Условие таких реакций – образование осадка, газа или слабого электролита
NaFeO2 + 2H2O NaOH + Fe(OH)3?,
KCrO2 + 2H2O NaOH + Cr(OH)3?,
NaNO2 + H2O NaOH + HNO2,
Na2S + 2H2O t NaOH + H2S?
5. Электролиз водных растворов солей активных металлов
Электролитическим способом получают щелочи
2NaCl + 2H2O H2+2NaOH + Cl2
Получение гидроксида аммония
Гидроксид аммония можно получить несколькими способами – см. уравнения реакций
NH4NO3 + NaOH NH4OH + NaNO3,
(NH4)2CO3 + H2O 2NH4OH + CO2,
NH3 + H2O NH4OH
Контрольные вопросы
Что называется основанием и остатком основания? Приведите примеры.
На какие типы и по каким признакам подразделяются основания? Приведите примеры.
Какие основания называются амфотерными?
В каких реакциях проявляются основные свойства амфотерных гидроксидов, а в каких – кислотные?
Какие химические реакции характерны для щелочей?
Как можно получить нерастворимые основания?
Опишите основные способы получения щелочей.
Задания для самостоятельной работы
Предложенные задания имеют по четыре варианта ответов, из которых правильным может быть один или несколько.
Какие составные части входят в состав оснований:
а) катион металла и кислотный остаток; б) кислотный остаток и гидроксильные группы; в) катионы металла и гидроксильные группы; г) катионы водорода и кислотный остаток?
Выберите ответ, который относится к щелочам:
а) простые вещества; б) бинарные соединения; в) нерастворимые в воде вещества; г) хорошо растворимые в воде вещества.
К какому типу реакций относится взаимодействие между щелочью и солью:
Из какой соли при действии на нее раствором щелочи не образуется основание:
а) Fe(NO3)3; б) AgNO3; в) Fe(NO3)2; г) Hg(NO3)2?
В какой реакции проявляются основные свойства амфотерных гидроксидов:
а) разложение при нагревании с образованием оксида; б) взаимодействие с кислотой и образование средней соли; в) взаимодействие со щелочью и образование комплексной соли; г) окрашивание лакмуса в красный цвет?