Какими химическими свойствами обладают основания
Химические свойства гидроксида металла во многом зависят от того, к какой группе он принадлежит — к щелочам или к нерастворимым основаниям.
Общие химические свойства щелочей
1. Кристаллы щелочей при растворении в воде полностью диссоциируют, то есть распадаются на положительно заряженные ионы металла и отрицательно заряженные гидроксид-ионы.
A) Например, при диссоциации гидроксида натрия образуются положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные гидроксид-ионы:
NaOH→Na++OH−.
Б) Процесс диссоциации гидроксида кальция отображается следующим уравнением:
Ca(OH)2→Ca2++2OH−.
2. Растворы щелочей изменяют окраску индикаторов.
Фактически с индикатором взаимодействуют гидроксид-ионы, содержащиеся в растворе любой щёлочи. При этом протекает химическая реакция с образованием нового продукта, признаком протекания которой является изменение окраски вещества.
Изменение окраски индикаторов в растворах щелочей
Индикатор | Изменение окраски индикатора |
| Лакмус | Фиолетовый лакмус становится синим |
| Фенолфталеин | Беcцветный фенолфталеин становится малиновым |
Универсальный индикатор | Универсальный индикатор становится синим |
Видеофрагмент:
Действие щелочей на индикаторы
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду.
Реакции обмена между щелочами и кислотами называют реакциями нейтрализации.
А) Например, при взаимодействии гидроксида натрия с соляной кислотой образуются хлорид натрия и вода: NaOH+HCl→NaCl+H2O.
Видеофрагмент:
Взаимодействие гидроксида натрия с соляной кислотой
Б) Если нейтрализовать гидроксид кальция азотной кислотой, образуются нитрат кальция и вода:
Ca(OH)2+2HNO3→Ca(NO3)2+2H2O.
4. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами, образуя соль и воду.
А) Например, при взаимодействии гидроксида кальция с оксидом углерода((IV)) т. е. углекислым газом, образуются карбонат кальция и вода:
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O.
Обрати внимание!
При помощи этой химической реакции можно доказать присутствие оксида углерода((IV)): при пропускании углекислого газа через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция) раствор мутнеет, поскольку выпадает осадок белого цвета — образуется нерастворимый карбонат кальция.
Б) При взаимодействии гидроксида натрия с оксидом фосфора((V)) образуются фосфат натрия и вода:
6NaOH+P2O5→2Na3PO4+3H2O.
5. Щёлочи могут взаимодействовать с растворимыми в воде солями.
Обрати внимание!
Реакция обмена между основанием и солью возможна в том случае, если оба исходных вещества растворимы, а в результате образуется хотя бы одно нерастворимое вещество (выпадает осадок).
А) Например, при взаимодействии гидроксида натрия с сульфатом меди((II)) образуются сульфат натрия и гидроксид меди((II)):
2NaOH+CuSO4→Na2SO4+Cu(OH)2↓.
Б) При взаимодействии гидроксида кальция с карбонатом натрия образуются карбонат кальция и гидроксид натрия:
Ca(OH)2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaOH.
6. Малорастворимые щёлочи при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.
Например, если нагреть гидроксид кальция, образуются оксид кальция и водяной пар:
Ca(OH)2⟶t°CaO+H2O↑.
Общие химические свойства нерастворимых оснований
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с кислотами, образуя соль и воду.
А) Например, при взаимодействии гидроксида меди((II)) с серной кислотой образуются сульфат меди((II)) и вода:
Cu(OH)2+H2SO4→CuSO4+2H2O.
Б) При взаимодействии гидроксида железа((III)) с соляной (хлороводородной) кислотой образуются хлорид железа((III)) и вода:
Fe(OH)3+3HCl→FeCl3+3H2O.
Видеофрагмент:
Взаимодействие гидроксида железа((III)) с соляной кислотой
2. Некоторые нерастворимые основания могут взаимодействовать с некоторыми кислотными оксидами, образуя соль и воду.
Например, при взаимодействии гидроксида меди((II)) с оксидом серы((VI)) образуются сульфат меди((II)) и вода:
Cu(OH)2+SO3⟶t°CuSO4+H2O.
3. Нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид металла и воду.
А) Например, при нагревании гидроксида меди((II)) образуются оксид меди((II)) и вода:
Cu(OH)2⟶t°CuO+H2O.
Видеофрагмент:
Разложение гидроксида меди((II))
Б) Гидроксид железа((III)) при нагревании разлагается на оксид железа((III)) и воду:
2Fe(OH)3⟶t°Fe2O3+3H2O.
Немного теории
Кислоты
Кислоты ― это сложные
вещества, образованные атомами водорода, способными замещаться на атомы металла и кислотными остатками.
Кислоты — это электролиты, при диссоциации
которых образуются только катионы водорода и анионы кислотных остатков.
Классификация кислот
Классификация кислот по составу
Кислородсодержащие кислоты | Бескислородные кислоты |
H2SO4 серная кислота H2SO3 сернистая кислота HNO3 азотная кислота H3PO4 фосфорная кислота H2CO3 угольная кислота H2SiO3 кремниевая кислота | HF фтороводородная кислота HCl хлороводородная кислота (соляная кислота) HBr бромоводородная кислота HI иодоводородная кислота H2S сероводородная кислота |
Классификация кислот по числу атомов водорода
К И С Л О Т Ы | ||
Одноосновные | Двухосновные | Трехосновные |
HNO3 азотная HF фтороводородная HCl хлороводородная HBr бромоводородная HI иодоводородная | H2SO4 серная H2SO3 сернистая H2S сероводородная H2CO3 угольная H2SiO3 кремниевая | H3PO4 фосфорная |
Классификация кислот на сильные и слабые кислоты.
Сильные кислоты | Слабые кислоты |
HI иодоводородная HBr бромоводородная HCl хлороводородная H2SO4 серная HNO3 азотная | HF фтороводородная H3PO4 фосфорная H2SO3 сернистая H2S сероводородная H2CO3 угольная H2SiO3 кремниевая |
Химические свойства кислот
- Взаимодействие с основными оксидами с образованием соли и воды:
- Взаимодействие с амфотерными оксидами с образованием соли и воды:
- Взаимодействие со щелочами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):
- Взаимодействие с солями, если выпадает осадок или выделяется газ:
- Сильные кислоты вытесняют более слабые из их солей:
(в данном случае образуется неустойчивая угольная кислота , которая сразу же распадается на воду и углекислый газ)
- С азотной кислотой и концентрированной серной кислотами реакция идёт иначе:
- Кислоты диссоциируют с образованием катиона водорода, что приводит к изменению окраски индикаторов:
— лакмус становится красным
— метилоранж становится красным.
1. водород+неметалл
H2+ S → H2S
2. кислотный оксид+вода
P2O5
+ 3H2O→2H3PO4
Исключение:
2NO2
+ H2O→HNO2 + HNO3
SiO2 + H2O —не реагирует
3. кислота+соль
В продукте реакции должен
образовываться осадок, газ или вода. Обычно более сильные кислоты вытесняют
менее сильные кислоты из солей. Если соль нерастворима в воде, то она реагирует
с кислотой, если образуется газ.
Na2CO3
+ 2HCl→2NaCl + H2O + CO2↑
K2SiO3
+ H2SO4→K2SO4 + H2SiO3↓
Основания (осно́вные гидрокси́ды) — сложные вещества, которые состоят из атомов металла или иона аммония и гидроксогруппы (-OH). В водном растворе диссоциируют с образованием катионов и анионов ОН−. Название основания обычно состоит из двух слов: «гидроксид металла/аммония». Хорошо растворимые в воде основания называются щелочами.
1. По растворимости в воде.
Растворимые основания
(щёлочи): гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH, гидроксид бария Ba(OH)2, гидроксид стронция Sr(OH)2, гидроксид цезия CsOH, гидроксид рубидия RbOH.
Практически нерастворимые основания
: Mg(OH)2, Ca(OH)2, Zn(OH)2, Cu(OH)2
Деление на растворимые и нерастворимые основания практически полностью совпадает с делением на сильные и слабые основания, или гидроксиды металлов и переходных элементов
2. По количеству гидроксильных групп в молекуле.
— Однокислотные (гидроксид натрия NaOH)
— Двукислотные (гидроксид меди(II) Cu(OH)2)
— Трехкислотные (гидроксид железа(III) In(OH)3)
3. По летучести.
— Летучие: NH3
— Нелетучие: щёлочи, нерастворимые основания.
4. По стабильности.
— Стабильные: гидроксид натрия NaOH, гидроксид бария Ba(OH)2
— Нестабильные: гидроксид аммония NH3·H2O (гидрат аммиака).
5. По степени электролитической диссоциации.
— Сильные (α > 30 %): щёлочи.
— Слабые (α < 3 %): нерастворимые основания.
- Взаимодействие сильноосновного оксида с водой позволяет получить сильное основание или щёлочь.
Слабоосновные и амфотерные оксиды с водой не реагируют, поэтому соответствующие им гидроксиды таким способом получить нельзя.
- Гидроксиды малоактивных металлов получают при добавлении щелочи к растворам соответствующих солей. Так как растворимость слабоосновных гидроксидов в воде очень мала, гидроксид выпадает из раствора в виде студнеобразной массы.
- Также основание можно получить при взаимодействия щелочного или щелочноземельного металла с водой.
- Гидроксиды щелочных металлов в промышленности получают электролизом водных растворов солей:
- Некоторые основания можно получить обменными реакциями:
- В водных растворах основания диссоциируют, что изменяет ионное равновесие:
это изменение проявляется в цветах некоторых
кислотно-основных индикаторов:
лакмус становится синим,
метилоранж — жёлтым,
фенолфталеин приобретает цвет фуксии.
- При взаимодействии с кислотой происходит реакция нейтрализации и образуется соль и вода:
Примечание:
реакция не идёт, если и кислота и основание слабые.
- При избытке кислоты или основания реакция нейтрализации идёт не до конца и образуются кислые или осно́вные соли, соответственно:
- Растворимые основания могут реагировать с амфотерными гидроксидами с образованием гидроксокомплексов:
- Основания реагируют с кислотными или амфотерными оксидами с образованием солей:
- Растворимые снования вступают в обменные реакции с растворимыми солями:
Нерастворимые основания при нагреве разлагаются:
Перед изучением этого раздела рекомендую прочитать следующую статью:
Классификация неорганических веществ
Основания – сложные вещества, которые состоят из катиона металла Ме+ (или металлоподобного катиона, например, иона аммония NH4+) и гидроксид-аниона ОН—.
По растворимости в воде основания делят на растворимые (щелочи) и нерастворимые основания. Также есть неустойчивые основания, которые самопроизвольно разлагаются.
1. Взаимодействие основных оксидов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое основание (щелочь). Т.е. таким способом можно получить только щёлочи:
основный оксид + вода = основание
Например, оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):
Na2O + H2O → 2NaOH
При этом оксид меди (II) с водой не реагирует:
CuO + H2O ≠
2. Взаимодействие металлов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только щелочные металлы (литий, натрий, калий. рубидий, цезий), кальций, стронций и барий. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, окислителем выступает водород, восстановителем является металл.
металл + вода = щёлочь + водород
Например, калий реагирует с водой очень бурно:
2K0 + 2H2+O → 2K+OH + H20
3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов. Как правило, для получения щелочей электролизу подвергают растворы солей, образованных щелочными или щелочноземельными металлами и бескилородными кислотами (кроме плавиковой) – хлоридами, бромидами, сульфидами и др. Более подробно этот вопрос рассмотрен в статье Электролиз.
Например, электролиз хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
4. Основания образуются при взаимодействии других щелочей с солями. При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:
щелочь + соль1 = соль2↓ + щелочь
либо
щелочь + соль1 = соль2↓ + щелочь
Например: карбонат калия реагирует в растворе с гидроксидом кальция:
K2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2KOH
Например: хлорид меди (II) взаимодействет в растворе с гидроксидом натрия. При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди (II):
CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с сильными кислотами и их оксидами (и некоторыми средними кислотами). При этом образуются соль и вода.
нерастворимое основание + кислота = соль + вода
нерастворимое основание + кислотный оксид = соль + вода
Например, гидроксид меди (II) взаимодействует с сильной соляной кислотой:
Cu(OH)2 + 2HCl = CuCl2 + 2H2O
При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:
Cu(OH)2 + CO2 ≠
2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду.
Например, гидроксид железа (III) разлагается на оксид железа (III) и воду при прокаливании:
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.
нерастворимое оснвоание + амфотерный оксид ≠
нерастворимое основание + амфотерный гидроксид ≠
4. Некоторые нерастворимые основания могут выступать в качестве восстановителей. Восстановителями являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления, которые могут повысить свою степень окисления (гидроксид железа (II), гидроксид хрома (II) и др.).
Например, гидроксид железа (II) можно окислить кислородом воздуха в присутствии воды до гидроксида железа (III):
4Fe+2(OH)2 + O20 + 2H2O → 4Fe+3(O-2H)3
1. Щёлочи взаимодействуют с любыми кислотами – и сильными, и слабыми. При этом образуются средняя соль и вода. Эти реакции называются реакциями нейтрализации. Возможно и образование кислой соли, если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты. В избытке щёлочи образуется средняя соль и вода:
щёлочь(избыток)+ кислота = средняя соль + вода
щёлочь + многоосновная кислота(избыток) = кислая соль + вода
Например, гидроксид натрия при взаимодействии с трёхосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: дигидрофосфаты, фосфаты или гидрофосфаты.
При этом дигидрофосфаты образуются в избытке кислоты, либо при мольном соотношении (соотношении количеств веществ) реагентов 1:1.
NaOH + H3PO4 → NaH2PO4 + H2O
При мольном соотношении количества щелочи и кислоты 2:1 образуются гидрофосфаты:
2NaOH + H3PO4 → Na2HPO4 + 2H2O
В избытке щелочи, либо при мольном соотношении количества щелочи и кислоты 3:1 образуется фосфат щелочного металла.
3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2O
2. Щёлочи взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами. При этом в расплаве образуются обычные соли, а в растворе – комплексные соли.
щёлочь (расплав) + амфотерный оксид = средняя соль + вода
щёлочь (расплав) + амфотерный гидроксид = средняя соль + вода
щёлочь (раствор) + амфотерный оксид = комплексная соль
щёлочь (раствор) + амфотерный гидроксид = комплексная соль
Например, при взаимодействии гидроксида алюминия с гидроксидом натрия в расплаве образуется алюминат натрия. Более кислотный гидроксид образует кислотный остаток:
NaOH + Al(OH)3 = NaAlO2 + 2H2O
А в растворе образуется комплексная соль:
NaOH + Al(OH)3 = Na[Al(OH)4]
Обратите внимание, как составляется формула комплексной соли: сначала мы выбираем центральный атом (как правило, это металл из амфотерного гидроксида). Затем дописываем к нему лиганды — в нашем случае это гидроксид-ионы. Число лигандов, как правило, в 2 раза больше, чем степень окисления центрального атома. Но комплекс алюминия — исключение, у него число лигандов чаще всего равно 4. Заключаем полученный фрагмент в квадртаные скобки — это комплексный ион. Определяем его заряд и снаружи дописываем нужное количество катионов или анионов.
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами. При этом возможно образование кислой или средней соли, в зависимости от мольного соотношения щёлочи и кислотного оксида. В избытке щёлочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида образуется кислая соль:
щёлочь(избыток) + кислотный оксид = средняя соль + вода
либо:
щёлочь + кислотный оксид(избыток) = кислая соль
Например, при взаимодействии избытка гидроксида натрия с углекислым газом образуется карбонат натрия и вода:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
А при взаимодействии избытка углекислого газа с гидроксидом натрия образуется только гидрокарбонат натрия:
2NaOH + CO2 = NaHCO3
4. Щёлочи взаимодействуют с солями. Щёлочи реагируют только с растворимыми солями в растворе, при условии, что в продуктах образуется газ или осадок. Такие реакции протекают по механизму ионного обмена.
щёлочь + растворимая соль = соль + соответствующий гидроксид
Щёлочи взаимодействуют с растворами солей металлов, которым соответствуют нерастворимые или неустойчивые гидроксиды.
Например, гидроксид натрия взаимодействует с сульфатом меди в растворе:
Cu2+SO42- + 2Na+OH— = Cu2+(OH)2—↓ + Na2+SO42-
Также щёлочи взаимодействуют с растворами солей аммония.
Например, гидроксид калия взаимодействует с раствором нитрата аммония:
NH4+NO3— + K+OH— = K+NO3— + NH3↑ + H2O
! При взаимодействии солей амфотерных металлов с избытком щёлочи образуется комплексная соль !
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Если соль, образованная металлом, которому соответствует амфотерный гидроксид, взаимодействует с небольшим количеством щёлочи, то протекает обычная обменная реакция, и в осадок выпадает гидроксид этого металла.
Например, избыток сульфата цинка реагирует в растворе с гидроксидом калия:
ZnSO4 + 2KOH = Zn(OH)2↓ + K2SO4
Однако, в данной реакции образуется не основание, а амфотерный гидроксид. А, как мы уже указывали выше, амфотерные гидроксиды растворяются в избытке щелочей с образованием комплексных солей. Таким образом, при взаимодействии сульфата цинка с избытком раствора щёлочи образуется комплексная соль, осадок не выпадает:
ZnSO4 + 4KOH = K2[Zn(OH)4] + K2SO4
Таким образом, получаем 2 схемы взаимодействия солей металлов, которым соответствуют амфотерные гидроксиды, с щелочами:
соль амф.металла(избыток) + щёлочь = амфотерный гидроксид↓ + соль
соль амф.металла + щёлочь(избыток) = комплексная соль + соль
5. Щёлочи взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, либо менее кислые соли.
кислая соль + щёлочь = средняя соль + вода
Например, гидросульфит калия реагирует с гидроксидом калия с образованием сульфита калия и воды:
KHSO3 + KOH = K2SO3 + H2O
Свойства кислых солей очень удобно определять, разбивая мысленно кислую соль на 2 вещества — кислоту и соль. Например, гидрокарбонта натрия NaHCO3 мы разбиваем на уольную кислоту H2CO3 и карбонат натрия Na2CO3. Свойства гидрокарбоната в значительной степени определяются свойствами угольной кислоты и свойствами карбоната натрия.
6. Щёлочи взаимодействуют с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, в растворе образуется комплексная соль и водород, в расплаве — средняя соль и водород.
! Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной положительной степенью окисления металла амфотерный!
Например, железо не реагирует с раствором щёлочи, оксид железа (II) — основный. А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный:
2Al + 2NaOH + 6H2+O = 2Na[Al+3(OH)4] + 3H20
7. Щёлочи взаимодействуют с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах. Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):
NaOH +О2 ≠
NaOH +N2 ≠
NaOH +C ≠
Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).
Например, хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:
2NaOH +Cl20 = NaCl— + NaOCl+ + H2O
Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:
6NaOH +Cl20 = 5NaCl— + NaCl+5O3 + 3H2O
Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.
Например, в растворе:
2NaOH + Si0 + H2+O= Na2Si+4O3 + 2H20
Фтор окисляет щёлочи:
2F20 + 4NaO-2H = O20 + 4NaF— + 2H2O
Более подробно про эти реакции можно прочитать в статье Окислительно-восстановительные реакции.
8. Щёлочи не разлагаются при нагревании.
Исключение — гидроксид лития:
2LiOH = Li2O + H2O