Основания (химия)
Основания (химия) | |
---|---|
Общие | |
Систематическое наименование |
гидроксиды (OH–) |
Хим. формула | Me(OH)n |
Внешний вид | твёрдые вещества с различной растворимостью в воде и различных цветов |
Термические свойства | |
Температура | |
• плавления | 323 °C |
Химические свойства | |
Растворимость | |
• в воде | растворимые,нерастворимые |
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. |
Основа́ния (химия) — представляют собой сложные химические соединения, состоящие из металла и гидроксильной группы (—ОН). Они делятся на две категории: «растворимые»(щёлочи) и «нерастворимые». Общая формула оснований выглядит следующим образом: Me(OH)n, где Me — химический символ металла, а n — индекс, который зависит от степени окисления металла. Вот несколько примеров оснований: NaOH, Ba(OH)2, Fe(OH)2[1].
История открытия
С древних времён человек занимался исследованием веществ. В трудах алхимиков были представлены методы получения значительных объёмов кислот и реакций их взаимодействия кислот с основаниями. В XVIII веке Ян Баптист ван Гельмонт, нидерландский естествоиспытатель и врач, совершил значительный прорыв в понимании химических процессов. Он развил идеи алхимиков о взаимодействии кислот и щёлочей, что привело к образованию солей[2].
Роберт Бойль для определения наличия кислот и щелочей в растворах получил индикаторы, выделенные из растений. Роберт Бойль и Ян Баптист ван Гельмонта получили более глубокое понимание химических процессов и возможность точно определять состав веществ. Это стало важным шагом в развитии химии как науки. В XVIII веке французский химик и аптекарь Гийом Франсуа Руэль предложил классифицировать все вещества, которые образуют соли при взаимодействии с кислотами, как основания. К ним он отнёс щёлочи, основные оксиды и металлы[2].
Позже, в 1778 году французский естествоиспытатель и основатель современной химии Антуан Лоран Лавуазье выдвинул кислородную теорию кислот. Он попытался объяснить особенности свойств кислот наличием в них кислорода. Это было значительным шагом вперёд в понимании природы химических соединений. Однако, несмотря на эти теории, вопрос о том, что такое кислоты и основания, оставался открытым. С развитием химии и появлением новых знаний, эти термины продолжали меняться и уточняться. Сегодня основания — это сложные химические соединения, свойства которых определяются их составом и структурой[2].
Номенклатура оснований
Названия оснований образуются по довольно простой схеме: вначале идёт слово «гидроксид», а затем название металла, который используется в этом основании. Если металл имеет переменную валентность, это также отражается в названии[3].
KOH — гидроксид калия
Ca(OH)2 — гидроксид кальция
Fe(OH)2 — гидроксид железа (II)
Fe(OH)3 — гидроксид железа (III)
Существует также основание NH4OH (гидроксид аммония), где гидроксогруппа связана не с металлом, а катионом аммония NH4+[3].
Классификация оснований
По растворимости в воде
Основания можно разделить на два типа[4].
- Нерастворимые в воде основания образуют студенистые осадки, которые после кристаллизуются.
- Щёлочи — растворимые в воде основания, образованные щёлочными и щёлочноземельными металлами. К ним относятся LiOH — гидроксид лития , NaOH — гидроксид натрия, KOH — гидроксид калия, RbOH — гидроксид рубидия, CsOH — гидроксид цезия , Ca(OH)2 — гидроксид кальция, Sr(OH)2 — гидроксид стронция и Ba(OH)2 — гидроксид бария. В растворах щёлочей концентрация гидроксид-ионов достаточно велика.
Стоит отметить, что абсолютно нерастворимых соединений не существует. При растворении и диссоциации нерастворимых оснований также образуются гидроксид-ионы, но их количество очень мало и определяется растворимостью основания. Наличие даже небольшого количества гидроксид-ионов определяет общие свойства оснований[4].
По кислотности
Кислотность всех оснований определяется по числу гидроксо-групп (—ОН) в составе их оснований. По кислотности основания делят[4]:
- однокислотные: KOH — гидроксид калия, NaOH — гидроксид натрия;
- двухкислотные: Fe(OH)2 — гидроксид железа, Ba(OH)2 — гидроксид бария;
- трехкислотные: Al(OH)3 — гидроксид алюминия , Fe(OH)3 — гидроксид железа.
По степени электролитической диссоциации
По степени электролитической диссоциации основания можно разделить на две группы[4]:
- Сильные электролиты — это вещества, которые в растворе полностью распадаются на ионы. К ним относятся щёлочи.
- Слабые электролиты в воде обратимо диссоциируют, например, гидрат аммония распадется на ионы аммония и гидроксил-анион: NH3×H2О ⇔ NH4+ + OH-.
По устойчивости
Существует 2 вида оснований по устойчивости[4]:
- устойчивые: KOH — гидроксид калия,NaOH — гидроксид натрия,Ba(OH)2 — гидроксид бария;
- устойчивые: NH3×H2O — гидрат аммиака,Сu(OH)2— гидроксид меди.
Свойства
Химическое строение
Согласно рекомендациям ИЮПАК, основания — вещества, которые имеют свободную пару электронов, участвующую в образовании ковалентной связи с протоном (основания Брёнстеда) или — с вакантной орбиталью какого-либо другого вещества (основания Льюиса)[5].
Физические свойства
Большинство оснований имеют твёрдую форму и обладают различной растворимостью в воде. Щёлочи хорошо растворяются в воде, обычно представляют собой твёрдые вещества белого цвета. У щёлочей температура плавления составляет +323 °C, температура кипения +1403 °C[6].
Химические свойства
Для того чтобы оценить силу оснований и их способность отщеплять протоны от кислоты, необходимо ввести количественный показатель. В качестве такого показателя используется константа основности «Kb» — константа равновесия для реакции между основанием и кислотой. В этом случае в роли кислоты выступает вода. Чем больше значение константы основности, тем сильнее основание и тем активнее оно способно отщеплять протоны. Однако вместо самой константы часто используют показатель константы основности — «pKb»[7].
- Основания способны изменять окраску индикаторов: в фенолфталеине на малиновый, в лакмусе на синий, в метиловом оранжевом на жёлтый. Это объясняется присутствием в молекуле оснований избыточных гидроксид-ионов (-ОН)[3].
- Реакция нейтрализации — реакция взаимодействия оснований с кислотами с образованием соли и воды[3]: 2KOH + H2SO4 = K2SO4 + 2H2O, Mg(OH)2 + 2HCI = MgCI2↓+ 2H2O.
- Взаимодействие с кислотными оксидами[3]:
2KOH + SO3 → K2SO4 + H2O.
NaOH + AI(OH)3 = NaAIO2 + 2H2O (при плавлении);
2NaOH + AI2O3 = 2NaAIO2 + H2O (при плавлении);
NaOH + AI(OH)3 = Na[AI(OH)4] (в растворе).;
2NaOH + AI2O3 +3H2O = 2Na[AI(OH)4] (в растворе).
- Для оснований характерна реакция взаимодействия с амфотерными металлами, кремнием и другими[3]:
2NaOH + Zn + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2
2NaOH + Si + H2O = Na2SiO3 + 2H2
- Взаимодействие с растворимыми солями с образованием осадков[3]:
2NaOH + CuSO4 = Cu(OH)2 + Na2SO4,
Ba(OH)2 + K2SO4 = BaSO4 + 2KOH.
Малорастворимые и нерастворимые основания разлагаются при нагревании[3]:
Ca(OH)2 = CaO + H2O,
Cu(OH)2 = CuO + H2O.
Способы получения
Лабораторный способ получения
В лаборатории основания получают[3]:
- взаимодействием активного металла с водой:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2;
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2;
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2;
- взаимодействием основных оксидов с водой — эта реакция возможна только для щёлочных и щёлочноземельных металлов[3]:
Na2O + H2O = 2NaOH,
CaO + H2O = Ca(OH)2.
Промышленный способ получения
В промышленности способом получения щёлочей является электролиз растворов солей[3]:
2NaCI + 4H2O = 2NaOH + 2H2 + CI2
Также основания можно получить прии взаимодействии растворимых солей со щёлочами. Этот способ яляетсся единственным для получения нерастворимых оснований:
Na2SO4 + Ba(OH)2 = 2NaOH + BaSO4
MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2 + Na2SO4.
Применение оснований
Основания находят широкое применение в различных областях, таких как лаборатории, быт и промышленность. Среди всех оснований особенно часто используются щёлочи[8].
Гидроксид натрия
Гидроксид натрия — NaOH, также известный как «едкий натр» или «каустическая сода», находит применение не только в промышленности, но и в быту. В промышленности это вещество используют при производстве целлюлозы, моющих средств (мыла, шампуней), в нефтепереработке, при производстве биодизельного топлива, для нейтрализации кислот. В быту гидроксид натрия применяют в качестве основы для некоторых средств, используемых при ликвидации засоров канализационных труб[8].
Гидроксид калия
Гидроксид калия — КOH,также известный как «едкое кали», применяется в производстве моющих средств в качестве сырья для получения различных соединений калия. Кроме того, он используется как электролит в гальванических элементах марганцево-цинковых «батарейках» и никель-кадмиевых аккумуляторах[8].
Гидроксид кальция
Гидроксид кальция — Ca(OH)2 имеет техническое название —«гашёная известь» или «пушонка». Если смешать гидроксид кальция с водой, то получится взвесь, которую называют «известковым молоком». А если гидроксид кальция полностью растворить в воде, то образуется прозрачный раствор — известковая вода. Гашёную известь с древних времён использовали в строительстве для изготовления смеси известкового раствора. При смешивании гашёной извести с песком и водой получается масса, которая применяется для оштукатуривания стенпри ремонтах помещений[8].
Гидроксид магния
Гидроксид магния — Mg(OH)2 находит применение в различных областях. В производстве зубных паст гидроксид магния используют как компонент, который помогает предотвратить разрушение зубной эмали и защитить зубы от кариеса. В медицине гидроксид магния применяют для снижения кислотности желудочного сока и в качестве слабительного средства. Промышленность использует гидроксид магния в качестве наполнителя при производстве пластмасс. Также, он служит сырьём для получения оксида магния — важного компонента в производстве огнеупорных материалов, строительных материалов и других промышленных изделий[8].
Литература
- Габриелян О. С. Химия: учеб для студ. сред. проф. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 336 с.
- Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для СПО. — М.: КноРус, 2019. — 360 c.
- Глинка Н. Л. Общая химия: учебное пособие для вузов / под ред. А. И. Ермакова. — М.: Интеграл-Пресс, 2003. — 728 с.
- Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: учебник / под ред. М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. — М.: Ленанд, 2018. — 600 c. Общая и неорганическая химия: учебное пособие / под ред. В. В. Денисова, В. М. Таланова. — Рн/Д: Феникс, 2018. — 144 c.
- Общая химия. Учебник / под ред. С. Ф. Дунаева. — М.: Academia, 2017. — 160 c.
Примечания
- ↑ Основания (в химии) . Большая Российская энциклопедия. Дата обращения: 1 июня 2024.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 А. И. Жиров. Кислоты основания // Большая российская энциклопедия 2004-2017.
- ↑ 3,00 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 Основания (гидроксиды). Свойства, получение, применение . in-chemistry. Дата обращения: 23 мая 2024.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Основания . Skaysmart. Дата обращения: 23 мая 2024.
- ↑ А. И. Жиров. Кислоты и основания // Большая Российская энциклопедия 2004—2017.
- ↑ Физические свойства оснований . Якласс Цифровой образовательный ресурс для школ. Дата обращения: 29 мая 2024.
- ↑ Основания. Химические свойства и способы получения . Сhemege.ru. Дата обращения: 29 мая 2024.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 Применение и получение оснований . Якласс. Дата обращения: 1 июня 2024.
Данная статья имеет статус «проверенной». Это говорит о том, что статья была проверена экспертом |