§ 34. Основания

Определения и обозначения

Основания — сложные вещества, состоящие из катионов металла и одной или нескольких гидроксид-групп OH⁻. Их общая формула — Me(OH)n, где Me обозначает металл, а n показывает число групп OH⁻. Такой состав помогает составлять формулы и проверять, равен ли нулю общий заряд вещества.

Гидроксиды — соединения, содержащие гидроксид-группу OH. Основания относятся к гидроксидам металлов, потому что рядом с OH⁻ в них находится катион металла. Термин нужен, чтобы отличать эти вещества по составу от соединений, в которых гидроксид-группа связана, например, с неметаллом.

Щёлочи — растворимые в воде основания. К ним относятся NaOH, KOH и Ba(OH)₂. Растворимость позволяет щёлочам образовывать растворы, в которых проявляются их характерные свойства и меняется окраска индикаторов.

Нерастворимые основания — вещества, которые практически не растворяются в воде. Примерами служат Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃. Обычно они находятся в виде твёрдых осадков, поэтому их свойства часто изучают в реакциях с кислотами или при нагревании.

Как это устроено

Формулу основания составляют так, чтобы суммарный заряд частиц был равен нулю. Группа OH⁻ имеет заряд −1, поэтому для катиона Al³⁺ нужны три такие группы: Al(OH)₃. Если заряд катиона равен +1, достаточно одной группы, а при заряде +2 нужны две группы OH⁻.

По формуле основания можно определить число гидроксид-групп и валентность металла. В NaOH одна группа OH⁻ показывает, что натрий имеет заряд +1, а в Ca(OH)₂ две группы указывают на заряд Ca²⁺. Скобки ставят, когда группа OH повторяется: индекс за скобками относится одновременно к кислороду и водороду.

Растворимость основания определяют по таблице растворимости. Сначала находят в ней катион металла и гидроксид-группу, а затем смотрят обозначение на пересечении: растворимое вещество относят к щёлочам, а нерастворимое — к нерастворимым основаниям. Это надёжнее, чем пытаться определить растворимость только по внешнему виду формулы.

Индикаторы изменяют окраску в растворах щелочей, потому что реагируют со средой раствора. Лакмус становится синим, а фенолфталеин — малиновым. Поэтому индикатор помогает обнаружить именно щелочную среду, но изменение цвета рассматривают не у сухого вещества, а у его раствора.

Щёлочи реагируют с кислотами по схеме: основание + кислота → соль + вода. Ионы металла и кислотного остатка образуют соль, а ионы H⁺ и OH⁻ соединяются в воду. Щёлочи также взаимодействуют с некоторыми растворимыми солями, если среди продуктов появляется нерастворимое вещество, например осадок.

Нерастворимые основания при нагревании могут разлагаться. В результате образуются оксид металла и вода, потому что гидроксид-группы превращаются в состав воды, а металл и кислород остаются в оксиде. Например: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.

Сравнение щелочей и нерастворимых оснований

Сначала по таблице определите растворимость вещества, а затем выберите нужный столбец. Если основание растворимо, можно говорить о свойствах его раствора и проверять среду индикатором. Для нерастворимого основания полезнее рассматривать осадок, реакцию с кислотой или разложение при нагревании.

Разбор задач

Задача 1. Составление формул оснований

Составьте формулы оснований, образованных ионами Na⁺, Ca²⁺ и Al³⁺, и назовите вещества. Нужно подобрать такое число групп OH⁻, чтобы заряд каждой формулы стал нулевым. После этого следует проверить запись скобок.

1. Для Na⁺ нужна одна группа OH⁻: NaOH.
2. Для Ca²⁺ нужны две группы OH⁻: Ca(OH)₂.
3. Для Al³⁺ нужны три группы OH⁻: Al(OH)₃.
4. Повторяющиеся группы OH заключаем в скобки и ставим индекс за скобками.

Ответ: NaOH — гидроксид натрия, Ca(OH)₂ — гидроксид кальция, Al(OH)₃ — гидроксид алюминия. Проверка проста: +1 − 1 = 0, +2 − 2 = 0, +3 − 3 = 0.

Задача 2. Определение щёлочей и проверка раствора

Определите, какие вещества NaOH, Cu(OH)₂ и KOH являются щёлочами. Затем укажите, как проверить раствор NaOH индикатором. Для решения нужно воспользоваться таблицей растворимости и помнить признаки щелочной среды.

1. По таблице устанавливаем, что NaOH и KOH растворяются в воде.
2. Cu(OH)₂ практически нерастворим, поэтому щёлочью его не называют.
3. К раствору NaOH добавляем лакмус или фенолфталеин.
4. Синий лакмус подтверждает щелочную среду, а фенолфталеин становится малиновым.

Ответ: щёлочи — NaOH и KOH, а Cu(OH)₂ — нерастворимое основание. Раствор NaOH можно проверить лакмусом или фенолфталеином, но опыт проводят именно с раствором.

Задача 3. Реакции оснований с кислотами

Запишите реакции NaOH с HCl и Cu(OH)₂ с H₂SO₄. Сначала определяем кислотный остаток и составляем соль, затем добавляем воду и расставляем коэффициенты. Вторая реакция требует двух гидроксид-групп, поэтому коэффициенты проверяем по числу атомов водорода.

1. Na⁺ и Cl⁻ образуют NaCl, а H⁺ и OH⁻ — H₂O.
2. Получаем: NaOH + HCl → NaCl + H₂O.
3. Для второй реакции соль имеет формулу CuSO₄, а из двух групп OH⁻ и двух атомов водорода образуются две молекулы воды.
4. Получаем: Cu(OH)₂ + H₂SO₄ → CuSO₄ + 2H₂O.

Ответ: NaOH + HCl → NaCl + H₂O; Cu(OH)₂ + H₂SO₄ → CuSO₄ + 2H₂O. В обоих случаях образуются соль и вода, то есть происходит реакция основания с кислотой.

Типичные ошибки

Ошибка: считать любое основание щёлочью. Так происходит, потому что слова часто используют как синонимы, хотя щёлочи — только растворимые основания. Проверьте вещество по таблице растворимости.

Ошибка: записывать AlOH₃ вместо Al(OH)₃. Такой записи допускают, когда воспринимают OH как два отдельных символа, но повторяется целая группа. Поставьте скобки и убедитесь, что индекс относится и к O, и к H.

Ошибка: не учитывать заряд катиона и выбирать неверное число групп OH. Причина — механическое запоминание формул без проверки зарядов. Сложите положительный заряд металла и отрицательные заряды групп: результат должен быть равен нулю.

Ошибка: путать цвета индикаторов или переносить свойства щёлочи на сухое вещество. Индикаторы показывают среду раствора, а не просто наличие порошка основания. Запомните: в щелочном растворе лакмус синий, фенолфталеин малиновый.

Связь с другими темами

Для темы нужны знания о строении атома, химических элементах, ионах и зарядах катионов и аниона OH⁻. Также пригодятся составление формул бинарных соединений, таблица растворимости и умение расставлять коэффициенты. Основания связаны с последующим изучением кислот, солей, реакций обмена и способов получения веществ.

Что запомнить

• Основания состоят из катиона металла и одной или нескольких групп OH⁻.
• Общая формула основания — Me(OH)n; число групп OH связано с зарядом катиона металла.
• Растворимые в воде основания называют щёлочами.
• Растворы щелочей изменяют окраску индикаторов.
• При реакции основания с кислотой образуются соль и вода.
• Некоторые нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид и воду.