Основные классы неорганических соединений. Основания

ЛЕКЦИЯ 8.

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ. ОСНОВАНИЯ.

Определение понятия «основание». Номенклатура оснований: Русская; Международная. Классификация оснований: По числу гидроксогрупп: Однокислотные; Двухкислотные; Многокислотные. По растворимости в воде: Растворимые; Малорастворимые; Нерастворимые. Способы получения оснований. Химические свойства оснований; Амфотерные гидроокиси. Физические свойства оснований; Окраска оснований. Применение оснований. Правила безопасного обращения со щелочами.

Определение понятия «основание».

Основанием называется соединение, образующее в водном растворе из отрицательных ионов только одни ионы гидроксила.

Основаниями называются электролиты, при диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы.

Общие свойства оснований (окрашивание индикатора, взаимодействие с кислотами и солями) обусловлены наличием в их растворах ионов гидроксила. В растворах всех оснований содержатся анионы гидроксила и катионы различных металлов

Когда в растворе имеется избыток ионов водорода , то говорят, что раствор имеет кислую реакцию, а при наличии избытка ионов гидроксила реакция среды щелочная.

Номенклатура оснований.

В настоящее время существует две номенклатуры оснований.

Русская.

Согласно русской номенклатуре названия оснований образуются путём добавления к названию соответствующего основного окисла приставки «гидро» или слова «гидрат». Так, – гидроокись натрия, – гидроокись кальция, – гидрат закиси железа, – гидроокись железа.

Помимо этих названий, для некоторых наиболее важных оснований применяются и другие, в основном традиционные русские названия. Например, гидроксид натрия называют едкий натр; гидроксид калия – едкое кали; гидроксид кальция – гашеная известь; гидроксид бария – едкий барит.

Международная.

По международной номенклатуре основания называются гидроксидами; названия оснований составляются из слова гидроксид и названия металла. Например, – гидроксид натрия, – гидроксид калия, – гидроксид кальция.

В тех случаях, когда элемент имеет разную степень окисления (т. е. образует несколько оснований), указывают её в скобках римской цифрой: – гидроксид железа (II), – гидроксид железа (III).

При графическом изображении формул оснований следует иметь в виду, что атом кислорода одной валентной связью соединён с атомом водорода, а другой – с атомом металла, например:

Классификация оснований.

Основания классифицируют по их растворимости в воде и силе. Большинство оснований нерастворимо в воде. Хорошо растворимы в воде гидроокиси щелочных и щелочноземельных элементов.

Основания, хорошо растворимые в воде, называются щелочами. К ним относятся: .

Сила основания определяется концентрацией ионов гидроксила, поэтому все щелочи – сильные основания. Особое место занимает раствор аммиака в воде, обнаруживающий свойства слабого основания (гидратированные молекулы аммиака мало распадаются на ионы).

По числу гидроксогрупп гидроксиды делятся на:

Количество гидроксильных групп в молекуле основания определяет его кислотность.

Однокислотные: и др.; Двухкислотные: и др.; Многокислотные: и др. По растворимости в воде основания делятся на: Растворимые: и др.; Малорастворимые: и др.; Нерастворимые (твёрдые вещества различно окрашенные): .

Рассмотренная выше классификация может быть представлена в виде схемы.

Способы получения оснований.

Способы получения веществ в промышленности часто отличаются от лабораторных, поскольку требуется проведение экономически более выгодных процессов и из дешёвого сырья. В разделах, посвящённых получению конкретных веществ, приводятся соответствующие способы получения как в лабораторных условиях, так и в промышленности.

Щелочные и щелочноземельные металлы при комнатной температуре взаимодействуют с водой, образуя основания (щелочи)

Только окислы щелочных и щелочноземельных металлов взаимодействуют с водой, большинство основных окислов непосредственно не реагирует с водой

Для получения нерастворимых в воде оснований используют взаимодействие солей со щелочами

Получить растворимое основание (щелочь) по этому способу можно в том случае, если одновременно образуется нерастворимая соль. Старый способ получения гидроксида натрия («каустицирование соды») был основан на следующей реакции:

Реакция эта обратима, поскольку гашеная известь малорастворима, и получается раствор гидроксида натрия ограниченной концентрации, не превышающей .

Электролизом водных растворов солей натрия или калия в технике получают щелочи. Например, при электролизе водного раствора хлорида натрия на катоде выделяется водород, на аноде – хлор, а в катодном пространстве в растворе накапливается гидроксид натрия. Схематически процессы, происходящие при электролизе, можно представить следующим образом:

Катод (-)  Анод (+)

 

В катодном пространстве концентрируется в растворе едкий натр (упаривая такой раствор, можно получить в кристаллическом состоянии едкий натр).

Химические свойства оснований.

Общие химические свойства оснований обусловлены присутствием в их растворах иона гидроксила и проявляются отношением гидроокисей к кислотам, ангидридам кислот и солям. Общим свойством гидроокисей является также изменение окраски индикаторов:

В нейтральной среде (вода):

красного лакмуса в фиолетовый цвет; обесцвечивание раствора фенолфталеина; метилового-оранжевого в оранжевый.

В щелочной среде:

красного лакмуса в синий цвет; бесцветного раствора фенолфталеина в малиновый; метилового-оранжевого в жёлтый.

Все основания, растворимые и нерастворимые в воде, реагируют с кислотами; такое взаимодействие называется реакцией нейтрализации

Суть реакции нейтрализации сводится к взаимодействию ионов и , которое приводит к образованию слабого электролита – воды. Однако запись уравнения реакции нейтрализации в сокращённой ионной форме для приведённых примеров различна, поскольку плохо растворимые вещества (в данном случае основание ) следует писать в молекулярной форме.

Щелочи реагируют с ангидридами кислот

Эта реакция происходит при пропускании двуокиси серы в раствор гидроксида натрия: она имеет практическое значение для получения солей и поглощения двуокиси серы, вредного для живых организмов газа.

Аналогичная реакция протекает при сплавлении твёрдого гидроксида натрия и двуокиси кремния, так получают растворимое стекло

Щелочи реагируют с амфотерными окислами и гидроксидами (см. подпункт 5.1.2. пункт 5.1 главы 5. Химические свойства оснований):

Растворы щелочей взаимодействуют с растворами солей с образованием новой соли и нового основания

Нерастворимые в воде основания при нагревании легко разлагаются на основной окисел и воду

Амфотерные гидроокиси.

Амфотерными называются такие гидроокиси, которые при диссоциации в растворе образуют одновременно катионы водорода и анионы гидроксила. Если окислы амфотерны, то их гидраты также обладают амфотерными свойствами. К амфотерным гидроксидам относятся, например, и др.

Все амфотерные гидроокиси мало растворимы в воде. В зависимости от условий они могут проявлять свойства как оснований, так и кислот, процесс диссоциации можно представить следующим образом:

  основание  ортоалю-  метаалю-

  миниевая  миниевая

  кислота  кислота

В настоящее время растворение амфотерных гидроксидов в щелочных растворах обычно рассматривается как процесс образования гидроксосолей (гидроксокомплексов). Экспериментально доказано существование гидроксокомплексов многих металлов: , , и т. д. Наиболее прочны гидроксокомплексы алюминия, а из них – .

Такой подход не меняет сделанных выводов: у амфотерного гидроксида, например у и ему подобных, в кислой среде равновесие смещается в сторону образования солей алюминия, в щелочной – в сторону образования гидроксокомплексов. Очевидно, в водном растворе существует равновесие, которое более точно описывается уравнением:

При взаимодействии с кислотами амфотерные гидроокиси проявляют основные свойства:

При взаимодействии со щелочами амфотерные гидроокиси проявляют кислотные свойства

  гексагидроксо-

  алюминат (III)

  натрия

  тетрагидроксо-

  цинкат (II)

  натрия

Физические свойства оснований.

Все основания являются твёрдыми веществами. Наиболее термически устойчивыми являются гидроксиды щелочных металлов. Например, температура плавления , температура кипения , плавится при и кипит при .

Большинство оснований при нагревании легко дегидратируются

Растворы щелочей мыльные на ощупь.

С точки зрения теории электролитической диссоциации все общие щелочные свойства растворов (мыльностъ на ощупь, изменение цвета индикаторов, взаимодействие с кислотами, кислотными оксидами, солями) обусловлены гидроксид-ионами .

Окраска оснований.

Большинство оснований – вещества белого цвета. Но существуют гидроксиды металлов, которые имеют отличающуюся окраску.

Цвет основания	Примеры
Белый
Жёлтый
Светло-розовый (при соприкосновении с кислородом воздуха окраска становится коричневой)
Красно-коричневый
Белого с зеленоватым оттенком (при соприкосновении с кислородом воздуха окраска становится темнее)
Светло-зелёный
Синий

Применение оснований.

Гидроксид кальция.

Техническое название гидроксида кальция – гашёная известь или пушонка. Взвесь (суспензия) гидроксида кальция в воде называют известковым молоком, а прозрачный раствор этого вещества носит название известковой воды.

Гашёную известь с древних времён использовали в строительстве для приготовления скрепляющей смеси — известкового раствора.

При смешивании гашёной извести, песка и воды образуется медленно застывающая масса, которую в настоящее время (с некоторыми добавками) используют для оштукатуривания стен.

При застывании известкового раствора гидроксид кальция (щёлочь) взаимодействует с углекислым газом (кислотным оксидом), содержащемся в воздухе, в результате чего образуется твёрдая масса (искусственный камень).

Известковое молоко применяют в производстве сахара, а также в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями растений.

Также с её помощью можно дубить кожу, смягчать воду и нейтрализовать сточные воды.

Гидроксид натрия.

Гидроксид натрия используют как во многих отраслях промышленности, так и для бытовых нужд.

Каустик используют при производстве целлюлозы, моющих средств (мыла, шампуней и других), в нефтепереработке, при производстве биодизельного топлива, для нейтрализации кислот. В быту гидроксид натрия используют в качестве основы некоторых средств для ликвидации засоров канализационных труб.

Средства для очистки канализационных труб от отложений жира могут содержать более 40 % гидроксида натрия.

Гидроксид калия.

Тривиальное название вещества — едкое кали.

Гидроксид калия используют в производстве моющих средств, как сырьё для получения различных соединений калия, а также в качестве электролита в гальванических элементах (марганцо-цинковых «батарейках») и никель-кадмиевых аккумуляторах.

Никель-кадмиевые аккумуляторы для электроинструментов содержат гидроксид калия.

Гидроксид магния.

Гидроксид магния используется как компонент зубных паст, в медицине – как лекарственное средство для уменьшения кислотности желудочного сока и как слабительное, в промышленности – в качестве наполнителя при производстве пластмасс, а также, как сырьё для получения оксида магния.

Гидроксид аммония.

Используется как удобрение и консервант при производстве кормов для животных. Также применяют в производстве соды и красителей.

Правила безопасного обращения со щелочами.

Щёлочи при попадании разъедают кожу и слизистые ткани. При обращении с ними особенно следует беречь глаза, поскольку эти вещества вызывают необратимое разрушение зрительного нерва, следствием чего может быть полная потеря зрения.

Если же щёлочь всё-таки попала на поверхность тела, поражённое место нужно хорошенько прополоскать струёй проточной воды, если попала в глаз – также непрерывно промывать проточной водой не менее 35-40 минут, а также обратиться за медицинской помощью.