§ 24. Основания, их классификация и химические свойства

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:

1. 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.

1. 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⁻:

1. 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.

1. 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

1. 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:

1. 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).

1. 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)).