§ 34. Основания

Определения и обозначения

Основание — сложное вещество, состоящее из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп. Общая формула основания — Me(OH)ₙ, где Me обозначает металл, а n — число групп OH. По этой записи можно определить состав вещества и составить его формулу.

Гидроксогруппа — группа атомов OH, входящая в состав основания. Она имеет валентность I, поэтому число гидроксогрупп должно соответствовать валентности металла: у двухвалентного металла их будет две, у трёхвалентного — три. Это правило помогает правильно записывать формулы.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. К щёлочам относятся, например, NaOH и KOH, а Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ в воде не растворяются и щёлочами не считаются. Различие по растворимости важно для описания свойств и выбора реакций.

Индикатор — вещество, изменяющее окраску в зависимости от среды раствора. В щелочной среде лакмус становится синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — жёлтым. Поэтому индикаторы используют для распознавания щёлочи, хотя по одному цвету нельзя определить формулу вещества.

Как это устроено

Чтобы составить формулу основания, сначала определяют валентность металла, а затем подбирают такое число групп OH, чтобы их суммарная валентность уравняла валентность металла. У каждой группы OH валентность I, поэтому металл с валентностью II соединяется с двумя группами: Ca(OH)₂. Если групп больше одной, скобки показывают, что повторяется вся группа OH, а не только атом водорода.

Название основания строят из названия металла и слова «гидроксид»: NaOH — гидроксид натрия, Ca(OH)₂ — гидроксид кальция. Если металл имеет несколько валентностей, её указывают римской цифрой в скобках после названия. Так, Fe(OH)₂ называется гидроксидом железа(II), потому что две группы OH соответствуют валентности железа II.

Растворимые основания называют щёлочами потому, что при растворении в воде они образуют щелочные растворы. Растворимость определяют по таблице растворимости: если вещество растворяется, оно относится к щёлочам, если нет — к нерастворимым основаниям. Например, NaOH — щёлочь, а Cu(OH)₂ — нерастворимое основание.

Индикатор меняет окраску потому, что его частицы по-разному существуют в кислой, нейтральной и щелочной среде. В растворе щёлочи лакмус синеет, фенолфталеин приобретает малиновую окраску, а метилоранж становится жёлтым. Такой признак позволяет быстро обнаружить щелочную среду даже тогда, когда само вещество бесцветно.

Кислоты реагируют с основаниями в реакции нейтрализации: образуются соль и вода. Например, NaOH + HCl = NaCl + H₂O. Нерастворимые основания при нагревании часто разлагаются на оксид металла и воду, например Cu(OH)₂ = CuO + H₂O, тогда как для щёлочей такое правило обычно не применяют.

Состав, растворимость и химические свойства оснований

Сначала по строке «Поведение в воде» определяют, является ли основание щёлочью. Затем сравнивают реакцию с кислотами и действие нагревания: нейтрализация характерна для обоих типов, а разложение чаще наблюдают у нерастворимых оснований. Индикаторы надёжно показывают щелочную среду именно в растворе.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы гидроксидов натрия, кальция и алюминия, используя валентность металла.

Нужно применить правило соответствия валентностей. Валентность натрия равна I, кальция — II, алюминия — III, а гидроксогруппы во всех случаях имеют валентность I. Поэтому количество групп OH выбирают по валентности металла.

1. Натрий соединяется с одной группой OH: NaOH.
2. Кальций соединяется с двумя группами OH, поэтому группу берут в скобки: Ca(OH)₂.
3. Алюминий соединяется с тремя группами OH: Al(OH)₃.

Ответ: NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃. Проверка проста: сумма валентностей групп OH должна равняться валентности металла.

Задача 2. Назовите вещества Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ и укажите, какое из них является щёлочью.

Сначала по числу групп OH определяют валентность железа. Затем составляют название по схеме «гидроксид железа» с указанием валентности. После этого по растворимости выясняют, относится ли вещество к щёлочам.

1. В Fe(OH)₂ две группы OH с валентностью I, значит железо имеет валентность II; название — гидроксид железа(II).
2. В Fe(OH)₃ три группы OH, значит железо имеет валентность III; название — гидроксид железа(III).
3. Оба соединения практически нерастворимы в воде, поэтому ни одно из них не является щёлочью.

Ответ: Fe(OH)₂ — гидроксид железа(II), Fe(OH)₃ — гидроксид железа(III). Оба вещества являются нерастворимыми основаниями.

Задача 3. Запишите уравнения реакций гидроксида натрия с соляной кислотой и гидроксида меди(II) при нагревании.

В первой реакции участвуют щёлочь и кислота, поэтому ожидаются соль и вода. Во второй реакции нагревание нерастворимого основания вызывает его разложение. После записи продуктов нужно проверить число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Для нейтрализации записывают NaOH + HCl = NaCl + H₂O; уравнение уже сбалансировано.
2. Гидроксид меди(II) разлагается на оксид меди(II) и воду: Cu(OH)₂ = CuO + H₂O.
3. Проверка показывает, что в обоих уравнениях число атомов всех элементов одинаково в левой и правой частях.

Ответ: NaOH + HCl = NaCl + H₂O; Cu(OH)₂ = CuO + H₂O. Второе уравнение записывают при нагревании.

Типичные ошибки

Нет скобок в формуле. Запись CaOH₂ вместо Ca(OH)₂ меняет состав вещества, потому что индекс 2 относится только к водороду. Если группа OH повторяется, её обязательно заключают в скобки.

Любое основание называют щёлочью. Так ошибаются, смешивая два близких термина. Нужно проверить растворимость: щёлочью является только растворимое в воде основание.

Неверно определяют валентность металла. Иногда считают индекс возле водорода или забывают, что каждая группа OH имеет валентность I. Для проверки умножьте число групп OH на I и сравните результат с валентностью металла.

Путают цвета индикаторов. Цвет лакмуса в щелочной среде не такой, как в кислой или нейтральной. Запомните основные признаки: лакмус синий, фенолфталеин малиновый, метилоранж жёлтый.

Связь с другими темами

Для изучения оснований нужны понятия сложного вещества, валентности и химической формулы, а также умение составлять формулы по валентностям. Основания связаны с кислотами и солями через реакции нейтрализации. Знание растворимости и химических свойств помогает распознавать вещества и правильно записывать уравнения реакций.

Что запомнить

• Основания состоят из атомов металла и гидроксогрупп OH.
• Число гидроксогрупп в формуле связано с валентностью металла.
• Растворимые в воде основания называются щёлочами.
• Раствор щёлочи изменяет окраску индикаторов.
• При взаимодействии основания с кислотой образуются соль и вода.
• Нерастворимые основания при нагревании могут разлагаться.