§ 44. Гидроксиды металлов

Определения и обозначения

Гидроксид металла — сложное вещество, состоящее из катиона металла и одной или нескольких гидроксид-ионных групп OH⁻. Число групп зависит от заряда катиона: один ион Al³⁺ уравновешивают три иона OH⁻, поэтому формула гидроксида алюминия — Al(OH)₃. Это правило помогает составлять формулы электрически нейтральных веществ.

Основание — гидроксид металла, в котором гидроксид-ионы связаны с одним катионом металла. Например, в Ca(OH)₂ одному катиону Ca²⁺ соответствуют две группы OH⁻. Состав основания важен для понимания его реакций: гидроксид-ионы участвуют в нейтрализации кислот.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. К щёлочам относятся, например, NaOH и KOH, а Ba(OH)₂ также растворяется в воде; Cu(OH)₂, напротив, практически нерастворим. Следовательно, название «основание» говорит о составе вещества, а «щёлочь» дополнительно указывает на его растворимость.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, проявляющий свойства и основания, и кислоты. Например, Al(OH)₃ реагирует с кислотой, как основание, и со щёлочью, как кислота. Это свойство помогает отличить амфотерные гидроксиды от обычных оснований.

Как это устроено

При составлении формулы гидроксида нужно уравнять положительный заряд катиона и отрицательный заряд групп OH⁻. Каждая такая группа имеет заряд −1, поэтому число групп равно величине заряда катиона металла: для Al³⁺ требуются три OH⁻. Скобки показывают, что индекс относится ко всей группе, поэтому правильно писать Al(OH)₃, а не AlOH₃.

Растворимость не следует определять только по тому, что вещество является гидроксидом: она зависит от конкретного катиона и состава вещества. Её проверяют по таблице растворимости, где рядом с формулой указано, растворяется ли вещество в воде. Растворимые основания называют щёлочами, а нерастворимые гидроксиды — нерастворимыми основаниями; например, NaOH растворим, а Fe(OH)₃ — нет.

Щёлочь реагирует с кислотой, потому что ионы H⁺ и OH⁻ образуют воду, а оставшиеся ионы — соль. При взаимодействии с кислотным оксидом обычно также образуются соль и вода, например 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O. Реакция щёлочи с солью обменная и идёт до конца, если среди продуктов появляется осадок, газ или слабый электролит; при смешивании растворов CuSO₄ и NaOH выпадает осадок Cu(OH)₂.

Нерастворимые гидроксиды тоже реагируют с кислотами: кислота предоставляет ионы H⁺, которые связывают OH⁻ с образованием воды, а металл образует соль. Например, Cu(OH)₂ + 2HCl → CuCl₂ + 2H₂O. Многие такие гидроксиды при нагревании теряют воду и превращаются в оксиды металлов, что видно на примере Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.

Амфотерный гидроксид способен взаимодействовать и с кислотой, и со щёлочью, поскольку его химическое поведение не ограничивается одним типом свойств. С кислотой Al(OH)₃ образует соль и воду: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. При реакции со щёлочью, например с NaOH, образуется растворимое комплексное соединение; именно реакция со щёлочью отличает его от обычного основания.

Сравнение основных типов гидроксидов металлов

Сначала определите тип вещества по растворимости, сверившись с таблицей растворимости. Затем сравните его реакции: способность взаимодействовать со щёлочью указывает на амфотерность, а разложение при нагревании характерно для многих нерастворимых гидроксидов. Примеры помогают увидеть типичные свойства, но растворимость конкретного вещества всё равно нужно проверять.

Разбор задач

Формулы гидроксидов

Составьте формулы гидроксидов натрия, кальция и алюминия и укажите, какие из них являются щёлочами. Для каждой формулы сначала нужно уравнять заряды катиона и гидроксид-ионов, а затем отдельно проверить растворимость. Только после второй проверки можно назвать вещество щёлочью.

1. Катион натрия Na⁺ имеет заряд +1, поэтому ему соответствует одна группа OH⁻: NaOH.
2. Катион кальция Ca²⁺ имеет заряд +2, поэтому нужны две группы OH⁻: Ca(OH)₂.
3. Катион алюминия Al³⁺ имеет заряд +3, поэтому формула — Al(OH)₃.
4. По таблице растворимости проверяем вещества: NaOH и Ca(OH)₂ относят к растворимым основаниям, Al(OH)₃ — к нерастворимым.

Ответ: NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃; щёлочи — NaOH и Ca(OH)₂. Формулы получены по зарядам, а классификация — по растворимости.

Реакции гидроксида натрия

Запишите реакции NaOH с соляной кислотой и сульфатом меди(II), если обмен возможен. В первом случае проверяем образование воды, а во втором — возможность появления осадка. Для этого удобно сначала записать предполагаемые продукты обмена и затем уравнять коэффициенты.

1. При взаимодействии кислоты и щёлочи катион H⁺ соединяется с OH⁻, образуя воду; Na⁺ и Cl⁻ образуют соль NaCl.
2. Уравнение: NaOH + HCl → NaCl + H₂O. Оно уже уравнено, коэффициенты равны 1.
3. Во второй реакции возможные продукты — Na₂SO₄ и Cu(OH)₂. Гидроксид меди(II) нерастворим, поэтому его выпадение в осадок обеспечивает протекание реакции.
4. Уравниваем натрий и гидроксид-ионы: 2NaOH + CuSO₄ → Na₂SO₄ + Cu(OH)₂↓.

Ответ: NaOH + HCl → NaCl + H₂O; 2NaOH + CuSO₄ → Na₂SO₄ + Cu(OH)₂↓. Во втором уравнении коэффициент 2 перед NaOH нужен для сохранения числа атомов натрия и групп OH.

Расчёт по уравнению разложения

При нагревании 7,8 г Cu(OH)₂ получили оксид меди(II); найдите массу оксида. Сначала нужно записать реакцию, чтобы узнать соотношение веществ, затем определить количество гидроксида по его молярной массе. По коэффициентам реакции количество CuO будет равно количеству Cu(OH)₂.

1. Записываем уравнение: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Соотношение Cu(OH)₂ и CuO равно 1:1.
2. Вычисляем молярную массу: M(Cu(OH)₂) = 64 + 2 × (16 + 1) = 98 г/моль.
3. Находим количество вещества гидроксида: n = m / M = 7,8 / 98 ≈ 0,0796 моль. Значит, образуется столько же CuO.
4. Молярная масса CuO равна 64 + 16 = 80 г/моль. Масса оксида: m = nM ≈ 0,0796 × 80 ≈ 6,37 г.

Ответ: примерно 6,4 г CuO. Округление выполнено до десятых; небольшая разница возможна из-за округления атомных масс.

Типичные ошибки

Ошибка: считать все гидроксиды металлов щёлочами. Так бывает, если смешивают понятия «основание» и «растворимое основание» и ориентируются только на наличие OH⁻. Проверьте вещество по таблице растворимости: например, Cu(OH)₂ не является щёлочью.

Ошибка: неверно указывать число групп OH⁻ в формуле. Её допускают, если не учитывают заряд катиона или забывают, что каждая группа имеет заряд −1. Для самопроверки сложите заряды: в Al(OH)₃ заряд +3 уравновешивают три группы OH⁻.

Ошибка: записывать реакцию щёлочи с любой солью как протекающую до конца. Сам факт обмена ионов ещё не доказывает, что реакция произойдёт; среди продуктов должен появиться осадок, газ или слабый электролит. Сверьте растворимость продуктов, как в реакции CuSO₄ с NaOH, где образуется осадок Cu(OH)₂.

Ошибка: считать амфотерный гидроксид только основанием. Обычно внимание обращают на его реакцию с кислотой, но не проверяют взаимодействие со щёлочью. Убедитесь, что для вещества рассматривают оба типа реакций: именно двойственность свойств позволяет назвать его амфотерным.

Связь с другими темами

Для работы с гидроксидами нужны знания о составе ионов, зарядах катионов металлов и гидроксид-иона, а также о составлении формул и уравнивании реакций обмена. Тема связана с кислотами: их взаимодействие с основаниями приводит к нейтрализации. Она также пересекается с темами оксидов и солей, потому что гидроксиды реагируют с некоторыми оксидами и солями, а при нагревании могут превращаться в оксиды. Эти знания пригодятся при распознавании веществ, составлении уравнений и расчётах по ним.

Что запомнить

• Гидроксиды металлов содержат катион металла и одну или несколько групп OH⁻.
• Число групп OH⁻ в формуле определяется зарядом катиона металла.
• Щёлочи — это растворимые в воде основания.
• Основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
• Нерастворимые гидроксиды многих металлов разлагаются при нагревании.
• Амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щёлочами.