§ 30. Гидроксиды

Определения и обозначения

Гидроксид — соединение, содержащее одну или несколько гидроксогрупп OH. Для гидроксидов металлов используют общую формулу Me(OH)_n, где Me — металл, а n — число групп OH. Эта запись помогает составлять формулы веществ по заряду металлического катиона.

Основание — гидроксид металла, которому соответствуют катионы металла и гидроксид-ионы OH⁻. Число групп OH связано с зарядом катиона: Ca²⁺ соответствует Ca(OH)₂, а Al³⁺ — Al(OH)₃. Поэтому формула основания должна быть электронейтральной.

Щёлочь — растворимое в воде основание. В отличие от нерастворимых оснований, щёлочи образуют раствор, в котором присутствуют подвижные гидроксид-ионы, например NaOH → Na⁺ + OH⁻. К щёлочам относят, в частности, гидроксиды щелочных металлов и некоторые растворимые гидроксиды щёлочноземельных металлов.

Амфотерный гидроксид проявляет и основные, и кислотные свойства. Он реагирует с кислотами, а также со щелочами, например Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. Такое двойственное поведение отличает амфотерные гидроксиды от обычных оснований.

Как это устроено

Формула гидроксида определяется электронейтральностью соединения. Гидроксид-ион имеет заряд −1, поэтому один катион металла с зарядом +n должен быть соединён с n группами OH: Meⁿ⁺ + nOH⁻. Так получаются формулы Fe(OH)₂ для Fe²⁺ и Fe(OH)₃ для Fe³⁺; скобки нужны, потому что группа OH повторяется.

Растворимость разделяет основания на щёлочи и нерастворимые вещества. При растворении щёлочи её ионная решётка распадается под действием полярных молекул воды, поэтому в растворе появляются катионы металла и OH⁻; именно эти ионы определяют щелочную реакцию среды. Нерастворимое основание почти не переходит в раствор, поэтому концентрация его ионов мала.

Главная реакция оснований — нейтрализация кислотами: ионы H⁺ и OH⁻ соединяются в воду, а оставшиеся ионы образуют соль. Щёлочи реагируют также с кислотными оксидами, поскольку при этом возникает соль и вода, например 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O. С растворами солей щёлочь реагирует тогда, когда один из продуктов удаляется из раствора в виде осадка или газа.

Амфотерный гидроксид может вести себя по-разному из-за особенностей его состава и строения. В кислоте он принимает протоны и образует катион металла или его аквакомплекс, то есть проявляет основные свойства. В избытке щёлочи он связывает OH⁻ с образованием растворимого гидроксокомплекса, поэтому проявляет кислотные свойства.

Нерастворимые гидроксиды получают осаждением из раствора соли щёлочью: катионы металла соединяются с OH⁻, и выпадает осадок. Например, CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Щёлочи можно получить взаимодействием активных металлов с водой, например 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑, или реакцией некоторых основных оксидов с водой: CaO + H₂O → Ca(OH)₂.

Сравнение оснований и амфотерных гидроксидов

Сначала по таблице определите растворимость: это позволяет отличить щёлочь от нерастворимого основания. Затем проверьте реакцию со щёлочами: она указывает на амфотерность. Реакцию с кислотами имеют все рассматриваемые основания, но у амфотерных гидроксидов это только одна из двух групп свойств.

Разбор задач

1. Распределите NaOH, Cu(OH)₂ и Al(OH)₃ на щёлочь, нерастворимое основание и амфотерный гидроксид.

Условие: нужно определить класс каждого вещества по растворимости и химическим свойствам.

1. NaOH — растворимое в воде основание, поэтому это щёлочь.
2. Cu(OH)₂ не растворяется в воде и проявляет обычные основные свойства, поэтому это нерастворимое основание.
3. Al(OH)₃ нерастворим в воде, но реагирует не только с кислотами, но и со щелочами, поэтому является амфотерным гидроксидом.

Ответ: NaOH — щёлочь; Cu(OH)₂ — нерастворимое основание; Al(OH)₃ — амфотерный гидроксид.

2. Составьте уравнение реакции между гидроксидом кальция и соляной кислотой.

Условие: взаимодействуют Ca(OH)₂ и HCl; требуется расставить коэффициенты.

1. Основание и кислота вступают в реакцию нейтрализации, поэтому продуктами будут соль CaCl₂ и вода.
2. В формуле Ca(OH)₂ две группы OH, значит, для образования двух молекул воды нужны две молекулы HCl.
3. Проверяем атомы: кальций, хлор, кислород и водород слева и справа находятся в одинаковом количестве.

Ответ: Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O.

3. Запишите уравнения взаимодействия гидроксида алюминия с соляной кислотой и с раствором гидроксида натрия.

Условие: нужно показать оба направления реакции амфотерного Al(OH)₃.

1. С кислотой Al(OH)₃ ведёт себя как основание: три группы OH нейтрализуют три молекулы HCl, образуются соль и вода.
2. Записываем: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.
3. Со щёлочью гидроксид алюминия проявляет кислотные свойства и образует растворимый комплекс; в школьной записи: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Ответ: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Типичные ошибки

Ошибка: считать все гидроксиды растворимыми. Её допускают, когда смешивают общее строение вещества с его растворимостью; на самом деле Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ образуют осадки. Проверяйте вещество по таблице растворимости.

Ошибка: называть щёлочью любое основание. Щёлочь — только растворимое основание, тогда как нерастворимый Cu(OH)₂ щёлочью не является. Сначала установите растворимость, а уже потом используйте название класса.

Ошибка: неверно определять число групп OH. Причина — забытый заряд катиона или отсутствие проверки электронейтральности формулы. Умножьте заряд металла на число его атомов и сравните по модулю с суммарным зарядом групп OH.

Ошибка: считать амфотерный гидроксид только основанием. Так происходит, если запоминают лишь его реакцию с кислотой и не учитывают реакцию со щёлочью. Проверьте оба свойства: амфотерный гидроксид должен реагировать и с кислотами, и со щелочами.

Связь с другими темами

Для изучения гидроксидов нужны знания о составе ионов, заряде или валентности элементов, составлении формул и номенклатуре соединений. Эти умения позволяют правильно записывать формулы Me(OH)_n.

При решении задач пригодятся таблица растворимости и признаки реакций обмена. Осадок, газ или вода помогают понять, действительно ли реакция между веществами протекает до конца.

Тема связана с кислотами, солями и оксидами: гидроксиды участвуют в нейтрализации и обменных реакциях. Амфотерные гидроксиды подготавливают к изучению амфотерности ионных соединений.

Что запомнить

• Гидроксиды металлов содержат одну или несколько групп OH.
• Заряд катиона металла определяет число групп OH в формуле.
• Растворимые в воде основания называют щёлочами.
• Основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
• Амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами.
• Нерастворимые основания часто получают реакцией обмена в растворе.