§ 20. Основания

Определения и обозначения

Основания — сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Их общая формула — Me(OH)n, где Me обозначает металл, а n — число групп OH. Это число связано с валентностью металла: у одновалентного металла одна группа, у двухвалентного — две. Такая запись помогает понять состав основания и составлять его формулу.

Гидроксогруппа — группа атомов OH, входящая в состав основания. В формуле NaOH она одна, поэтому скобки не нужны, а в Ca(OH)₂ их две. Индекс после скобок показывает, сколько целых групп OH содержится в веществе. Это обозначение важно читать правильно: индекс не относится только к атому водорода.

Щёлочи — основания, растворимые в воде. К ним относятся, например, гидроксид натрия NaOH и гидроксид калия KOH; гидроксид меди Cu(OH)₂ в воде не растворяется. Значит, щёлочи составляют только часть оснований, а не являются другим названием для всех веществ этого класса. Различие по растворимости помогает описывать свойства основания и обращаться с ним безопасно.

Индикаторы — вещества, меняющие окраску в зависимости от среды раствора. В растворе щёлочи лакмус становится синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — жёлтым. По цвету можно распознать щелочную среду, даже если сам раствор бесцветен. Индикатор показывает среду, но не заменяет определение состава вещества.

Как это устроено

Чтобы составить формулу основания, сначала записывают символ металла, а затем группу OH. Число групп выбирают по валентности металла: например, натрий одновалентен, поэтому его основание имеет формулу NaOH. Кальций двухвалентен, значит, ему соответствуют две группы OH — Ca(OH)₂. Скобки нужны потому, что индекс должен умножить число и атомов кислорода, и атомов водорода в группе.

Основания различают по растворимости в воде: одни растворяются, другие остаются твёрдым осадком. Растворимые основания называют щёлочами, чтобы сразу обозначить важное свойство их водных растворов. Например, NaOH и KOH растворимы, а Cu(OH)₂ относится к нерастворимым основаниям. Поэтому название «щёлочь» нельзя автоматически применять к любому веществу с формулой основания.

Внешний вид и свойства оснований могут различаться: некоторые щёлочи — белые твёрдые вещества, а нерастворимые основания часто встречаются в виде окрашенных осадков. Растворы щёлочей едкие и способны повреждать кожу, глаза и ткани. Поэтому с ними работают осторожно, не пробуют на вкус и не допускают попадания на тело; при работе в лаборатории используют защитные очки. Внешний вид сам по себе не служит надёжным способом определить состав вещества.

Щелочную среду распознают с помощью индикаторов, потому что их окраска зависит от свойств раствора. В щёлочи лакмус синеет, фенолфталеин становится малиновым, а метилоранж приобретает жёлтую окраску. Для проверки достаточно добавить небольшое количество индикатора и сравнить результат с известной окраской в щелочной среде. Совпадение изменений указывает на щёлочь, но точный состав вещества устанавливают другими способами.

Основание реагирует с кислотой так, что образуются соль и вода; эту реакцию называют нейтрализацией. Гидроксогруппы основания и частицы кислоты участвуют в образовании воды, а оставшиеся частицы образуют соль. Например, при реакции гидроксида натрия с соляной кислотой получаются хлорид натрия и вода. Словесную схему можно записать так: основание + кислота → соль + вода; затем формулы и коэффициенты проверяют по числу атомов.

Сравнение растворимых и нерастворимых оснований

Сначала сравни растворимость: это главный признак, отделяющий щёлочи от остальных оснований. Затем сопоставь примеры и действие индикаторов, помня, что для изменения окраски нужна водная среда. Таблица также напоминает, что и растворимые, и нерастворимые основания могут реагировать с кислотами.

Разбор задач

1. Составьте формулы оснований, образованных натрием, кальцием и алюминием.

Условие. Нужно записать основания трёх металлов, используя их валентности. У натрия валентность I, у кальция — II, у алюминия — III. Число групп OH выбирается по валентности металла.

1. Записываем символ металла первым: Na, Ca или Al.
2. Добавляем группу OH для каждого металла, а число групп определяем по его валентности.
3. Для натрия оставляем NaOH; для кальция записываем две группы в скобках, Ca(OH)₂; для алюминия — три, Al(OH)₃.

Ответ: NaOH, Ca(OH)₂, Al(OH)₃. Скобки нужны в формулах кальция и алюминия, потому что индекс относится ко всей группе OH.

2. Определите, какие из веществ NaOH, Cu(OH)₂ и KOH относятся к щёлочам, и укажите, как проверить их растворы индикатором.

Условие. Среди трёх оснований нужно найти растворимые в воде и указать проверку индикатором. NaOH и KOH — растворимые основания, Cu(OH)₂ — нерастворимое. Для проверки водных растворов применяют индикаторы, у которых щелочная окраска известна.

1. Сравниваем растворимость: NaOH и KOH растворяются в воде, поэтому это щёлочи.
2. Cu(OH)₂ в воде не растворяется, значит, к щёлочам его не относят.
3. К раствору щёлочи добавляем индикатор: лакмус синеет, фенолфталеин становится малиновым, метилоранж — жёлтым.

Ответ: щёлочи — NaOH и KOH; Cu(OH)₂ — нерастворимое основание. Раствор щёлочи можно проверить любым из перечисленных индикаторов, учитывая его характерное изменение окраски.

3. Запишите уравнение реакции гидроксида кальция с соляной кислотой и расставьте коэффициенты.

Условие. Гидроксид кальция реагирует с соляной кислотой. По схеме «основание + кислота → соль + вода» нужно определить продукты, записать формулы и уравнять реакцию. При проверке важно учесть все атомы, включая группы OH.

1. Кальций соединяется с хлором, поэтому формула соли — CaCl₂; второй продукт — вода H₂O.
2. Записываем схему: Ca(OH)₂ + HCl → CaCl₂ + H₂O.
3. В CaCl₂ два атома хлора, поэтому перед HCl ставим коэффициент 2. Две группы OH дают две молекулы воды, значит, перед H₂O также ставим 2.
4. Проверяем: слева и справа по одному атому Ca, двум атомам Cl, четырём H и двум O.

Ответ: Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O. Уравнение отражает нейтрализацию: из основания и кислоты получаются соль и вода.

Типичные ошибки

Ошибка — называть щёлочами все основания. Так происходит, если слово «основание» принимают за название одного конкретного вида растворимых веществ. Проверяй определение: щёлочь — это основание, растворимое в воде; например, Cu(OH)₂ не щёлочь.

Запись CaOH₂ неверна: её получают, когда индекс ставят только у водорода, забывая, что в основании две целые группы OH. Проверка проста: при валентности кальция II должно быть две гидроксогруппы. Поэтому правильно писать Ca(OH)₂, заключая группу в скобки.

Не следует считать OH отдельным гидроксид-ионом в составе любого вещества. В формуле основания это группа атомов, входящая в состав вещества, а её запись сама по себе не доказывает, что она существует отдельно. Чтобы не смешивать понятия, различай обозначение группы в формуле и описание частиц в растворе.

При нейтрализации иногда забывают коэффициенты или воду, потому что сначала записывают только соль. Но продукты реакции основания с кислотой — соль и вода, а число атомов должно сохраняться. Проверь уравнение по каждому элементу: если число атомов слева и справа не совпадает, подбери коэффициенты, не меняя индексы формул.

Связь с другими темами

Чтобы составлять формулы оснований, нужно уметь читать химические формулы и определять валентность металлов: именно она задаёт число групп OH. Знание кислот и индикаторов помогает сравнивать свойства веществ и распознавать среду раствора по изменению цвета. Далее основания пригодятся при изучении солей, реакций обмена и нейтрализации, где важно определять продукты и уравнивать реакции.

Что запомнить

• Основания состоят из атома металла и гидроксогрупп OH.
• Число групп OH в формуле связано с валентностью металла.
• Щёлочи — растворимые в воде основания.
• Растворы щёлочей изменяют окраску индикаторов.
• При реакции основания с кислотой образуются соль и вода.
• В формулах с несколькими группами OH ставят скобки.