§ 21. Вода. Основания

Важнейшее бинарное неорганическое соединение водорода с кислородом состава $\\text{H}_2\text{O}$ (оксид водорода), образующее гидросферу планеты и являющееся универсальной колыбелью и средой биологической жизни на Земле.

• Химически несвязанная вода покрывает 70,8% площади поверхности земного шара (Мировой океан занимает 96,5% объёма всей гидросферы, материковые льды и ледники — 1,7%, пресные воды рек, озёр и болот — 1,7%, влага атмосферы — 0,1%)
• Химически связанная вода входит в состав кристаллогидратов минералов (гипс $\text{CaSO}_4 \cdot 2\\text{H}_2\text{O}$, глауберова соль $\text{Na}_2\text{SO}_4 \cdot 10\\text{H}_2\text{O}$) и живых организмов

Непрерывный замкнутый планетарный биогеохимический процесс непрерывного перемещения и обновления влаги между океаном, сушей, атмосферой и литосферой под действием солнечной энергии и силы тяжести.

• Включает ключевые звенья: испарение воды с поверхности морей и суши $\rightarrow$ перенос влаги воздушными массами $\rightarrow$ конденсация водяных паров в облака $\rightarrow$ выпадение осадков (дождь, снег) $\rightarrow$ поверхностный сток рек и просачивание в грунтовые подземные воды обратно в Мировой океан

Комплекс фундаментальных свойств индивидуального химического вещества $\\text{H}_2\text{O}$.

• 1. Физические свойства:
• Бесцветная, прозрачная жидкость без вкуса и запаха; в чистом виде получается дистилляцией (дистиллированная вода)
• Плотность при 4 °C максимальна и составляет ровно $1\text{ г/мл} = 1\text{ г/см}^3 = 1000\text{ кг/м}^3$
• Термическая аномалия: при охлаждении от 4 °C до 0 °C вода не сжимается, а расширяется, поэтому лёд имеет меньшую плотность ($\approx 0{,}92\text{ г/см}^3$) и плавает на поверхности, предохраняя водоёмы от промерзания до дна
• Температура кипения $100\ ^\circ\text{C}$, температура замерзания $0\ ^\circ\text{C}$ при нормальном атмосферном давлении
• 2. Химические свойства:
• Взаимодействие с оксидами неметаллов (кислотными оксидами) с образованием кислот:

$$\text{SO}_2 + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow \\text{H}_2\text{SO}_3 \quad (\text{сернистая кислота})$$

$$\text{SO}_3 + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow \\text{H}_2\text{SO}_4 \quad (\text{серная кислота, кислотные дожди})$$

$$\text{P}_2\text{O}_5 + 3\\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\\text{H}_3\text{PO}_4$$

• Взаимодействие с оксидами активных металлов (основными оксидами) с образованием оснований (щелочей):

$$\text{CaO} + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + Q \quad (\text{гашение извести})$$

$$\text{Na}_2\text{O} + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH}$$

• Взаимодействие с активными щелочными металлами с выделением водорода:

$$2\text{Na} + 2\\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{NaOH} + \\text{H}_2\uparrow$$

Класс сложных неорганических химических веществ, состоящих из атомов металлов и одной или нескольких гидроксогрупп ($-\text{OH}$).

• Общая химическая формула: $\text{Me}(\text{OH})_n$, где $n$ — валентность металла и число одновалентных гидроксильных групп
• Примеры формул: $\text{NaOH}$ (гидроксид натрия), $\text{Ca(OH)}_2$ (гидроксид кальция), $\text{Fe(OH)}_3$ (гидроксид железа(III))
• По растворимости в воде делятся на две основные группы: растворимые (щёлочи) и нерастворимые основания

Растворимые в воде основания, образованные щелочными металлами (элементы IA-группы: $\text{Li}$, $\text{Na}$, $\text{K}$, $\text{Rb}$, $\text{Cs}$) и щёлочноземельными металлами (элементы IIA-группы: $\text{Ca}$, $\text{Sr}$, $\text{Ba}$).

• В водных растворах диссоциируют с образованием свободных гидроксид-ионов $\text{OH}^-$, создавая ярко выраженную щелочную среду
• Растворы щелочей мылкие на ощупь и изменяют окраску индикаторов
• К щёлочам относятся: $\text{LiOH}$, $\text{NaOH}$, $\text{KOH}$, $\text{RbOH}$, $\text{CsOH}$, $\text{Ca(OH)}_2$, $\text{Sr(OH)}_2$, $\text{Ba(OH)}_2$

Качественная цветная реакция индикаторов на присутствие гидроксид-ионов в щелочном растворе:

• Фенолфталеин: в нейтральной среде бесцветен, в растворах щелочей мгновенно приобретает насыщенный малиновый цвет («Фенолфталеиновый в щелочах малиновый»)
• Лакмус: фиолетовый в нейтральной среде, в щелочной среде окрашивается в синий цвет
• Метиловый оранжевый: оранжевый в нейтральной среде, в щелочной среде становится жёлтым

Твёрдые белые гигроскопичные гидроксиды щелочных металлов, в первую очередь гидроксид натрия $\text{NaOH}$ (едкий натр, каустическая сода) и гидроксид калия $\text{KOH}$ (едкое кали).

• Растворяются в воде с колоссальным выделением тепла
• Названы «едкими» из-за исключительной химической агрессивности: разрушают и разъедают кожу, шерсть, бумагу, шелк и вызывают тяжёлые химические ожоги
• Применяются в крупнотоннажном производстве твёрдого и жидкого мыла, бумаги, картона, искусственных волокон и для очистки трубопроводов

Тонкий рыхлый белый порошок гидроксида кальция $\text{Ca(OH)}_2$, образующийся в результате экзотермического процесса гашения негашёной извести водой:

$$\text{CaO} + \\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ca(OH)}_2 + Q$$

• Широко применяется в строительстве (приготовление связующих кладочных растворов и штукатурки), побелке стволов деревьев в сельском хозяйстве и производстве дезинфицирующей хлорной извести

Прозрачный профильтрованный насыщенный водный раствор гидроксида кальция $\text{Ca(OH)}_2$.

• Является эталонным качественным реактивом на углекислый газ $\text{CO}_2$: при пропускании газа через известковую воду происходит помутнение из-за выпадения мелкодисперсного осадка карбоната кальция:

$$\text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + \\text{H}_2\text{O}$$

1. Определение:

Основаниями называют сложные неорганические вещества, состоящие из атомов металлов и одной или нескольких гидроксогрупп ($-\text{OH}$).

2. Анализ списка и классификация:

Сначала исключаем вещества, не относящиеся к классу оснований:

• $\\text{H}_2\text{S}$ (сероводородная кислота) — класс кислот;
• $\text{NiO}$ (оксид никеля(II)) — класс оксидов.

Распределяем основания по растворимости в воде с помощью таблицы растворимости:

• а) Щёлочи (растворимые и малорастворимые основания щелочных и щёлочноземельных металлов):
• $\text{LiOH}$ — гидроксид лития (растворим — «Р»);
• $\text{Sr(OH)}_2$ — гидроксид стронция (растворим — «Р»);
• $\text{KOH}$ — гидроксид калия (растворим — «Р»);
• $\text{RbOH}$ — гидроксид рубидия (растворим — «Р»).

• б) Нерастворимые в воде основания:
• $\text{Fe(OH)}_2$ — гидроксид железа(II) (нерастворим — «Н»);
• $\text{Cu(OH)}_2$ — гидроксид меди(II) (нерастворим — «Н»);
• $\text{Cr(OH)}_2$ — гидроксид хрома(II) (нерастворим — «Н»).

1. Классификация оснований по растворимости:

По способности растворяться в воде при комнатной температуре основания подразделяют на две группы:

• Растворимые в воде основания (щёлочи):
• Образованы щелочными металлами IA-подгруппы ($\text{LiOH}$, $\text{NaOH}$, $\text{KOH}$, $\text{RbOH}$, $\text{CsOH}$) и щелочноземельными металлами IIA-подгруппы ($\text{Ca(OH)}_2$, $\text{Sr(OH)}_2$, $\text{Ba(OH)}_2$).
• Мылкие на ощупь, полностью диссоциируют с образованием ионов $\text{OH}^-$, окрашивают фенолфталеин в ярко-малиновый цвет.
• Нерастворимые в воде основания:
• Образованы подавляющим большинством остальных металлов периодической системы ($\text{Cu(OH)}_2$, $\text{Fe(OH)}_2$, $\text{Fe(OH)}_3$, $\text{Cr(OH)}_2$, $\text{Mg(OH)}_2$, $\text{Zn(OH)}_2$ и др.).
• Не растворяются в воде, не дают окрашивания с индикаторами и термически разлагаются при нагревании на соответствующий оксид металла и воду.

2. Источник данных о растворимости:

Официальным и достоверным источником информации о растворимости оснований, кислот и солей является «Таблица растворимости кислот, солей и оснований в воде», традиционно напечатанная на форзаце учебника химии или размещённая в кабинете химии в виде настенной справочной таблицы.