§ 20. Основания

Определения и обозначения

Основания — сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Их общую формулу можно представить как M(OH)ₙ, где M — металл, а n показывает число групп OH. Оно связано с валентностью металла: у металла с валентностью II обычно две группы OH. Это правило помогает составлять формулы веществ и понимать их состав.

Щёлочи — основания, растворимые в воде. Например, NaOH и KOH хорошо растворяются и образуют растворы, а Cu(OH)₂ в воде практически не растворяется. Значит, щёлочь — не отдельный от оснований класс веществ, а их растворимая разновидность. Это различие нужно учитывать, когда говорят о свойствах и применении оснований.

Гидроксогруппа OH — составная часть формулы основания, включающая атомы кислорода и водорода. Если такая группа одна, скобки не нужны: NaOH; если групп несколько, их заключают в скобки и ставят индекс: Ca(OH)₂. Индекс относится ко всей группе, поэтому в Ca(OH)₂ два атома кислорода и два атома водорода. Число групп отражается и в составе вещества, и в записи его формулы.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в зависимости от среды. Для распознавания щёлочи к раствору добавляют несколько капель индикатора или опускают в него индикаторную бумагу. Например, лакмус в щелочной среде синеет, а фенолфталеин становится малиновым. Сравнивая окраску с известной для индикатора, можно определить, является ли среда щелочной.

Как это устроено

Чтобы составить формулу основания, сначала определяют валентность металла, а затем берут столько групп OH, сколько единиц валентности нужно уравновесить. У натрия валентность I, поэтому его формула — NaOH; у кальция валентность II, поэтому записывают Ca(OH)₂. В гидроксогруппе валентность равна I, и две такие группы нужны для кальция с валентностью II. Скобки показывают, что индекс относится сразу к атомам O и H каждой группы.

Основание называют по металлу: например, NaOH — гидроксид натрия, Ca(OH)₂ — гидроксид кальция. Если металл может иметь разную валентность, её указывают в названии римской цифрой в скобках: Fe(OH)₂ — гидроксид железа(II), Fe(OH)₃ — гидроксид железа(III). Это уточнение необходимо, потому что один и тот же металл образует разные основания. По указанной валентности можно проверить, правильно ли составлена формула.

Растворимые основания обычно представляют собой твёрдые вещества, которые при растворении образуют растворы; многие из них хорошо растворяются в воде. Нерастворимые основания также обычно твёрдые, но в воде не растворяются или растворяются очень слабо. Растворы щёлочей едкие: они способны повреждать кожу, глаза и ткани, поэтому работать с ними нужно осторожно. При попадании раствора на кожу его сразу смывают большим количеством воды и сообщают взрослому.

Щёлочи меняют окраску индикаторов, потому что в их растворах создаётся щелочная среда. Лакмус в ней становится синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — жёлтым. Индикаторы различаются, поэтому нельзя ожидать от каждого одинакового изменения цвета. Чтобы сделать вывод, нужно знать исходную окраску выбранного индикатора и то, как именно он ведёт себя в щелочной среде.

Основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды: это реакция нейтрализации. Например, NaOH + HCl → NaCl + H₂O; раствор может нагреваться, хотя заметного осадка не возникает. Щёлочи также взаимодействуют с некоторыми кислотными оксидами, например с CO₂, и с некоторыми солями, если среди продуктов образуется осадок, газ или вода. Признаком таких реакций может быть появление осадка, выделение газа или изменение окраски; при нейтрализации иногда заметно выделяется тепло.

Сравнение растворимых и нерастворимых оснований

Сначала сравните растворимость: именно она позволяет отличить щёлочь от другого основания. Затем учитывайте, что индикатор показывает среду раствора, поэтому отсутствие окраски у нерастворимого вещества не означает, что оно не является основанием. Обе группы реагируют с кислотами, но растворы щёлочей требуют особой осторожности.

Разбор задач

Задача 1. Составить формулы гидроксида натрия, гидроксида кальция и гидроксида алюминия и назвать вещества. Для решения нужно выяснить валентность каждого металла и подобрать число гидроксогрупп. Каждая группа OH имеет валентность I, поэтому число групп должно уравновешивать валентность металла.

1. Натрий имеет валентность I, значит, к одному атому Na присоединяется одна группа OH. Получаем формулу NaOH; название вещества — гидроксид натрия.
2. Кальций имеет валентность II, поэтому нужны две группы OH. Записываем Ca(OH)₂, заключая OH в скобки, и получаем гидроксид кальция.
3. Алюминий имеет валентность III, поэтому в формуле нужны три группы OH. Записываем Al(OH)₃; название вещества — гидроксид алюминия.

Ответ: NaOH — гидроксид натрия; Ca(OH)₂ — гидроксид кальция; Al(OH)₃ — гидроксид алюминия. Проверка проста: у каждого металла число групп OH совпадает с его валентностью. Скобки в двух последних формулах показывают, что индекс относится ко всей гидроксогруппе.

Задача 2. Определить, какие из веществ NaOH, Cu(OH)₂, KOH и Fe(OH)₃ являются щёлочами, и указать ожидаемое изменение окраски лакмуса. Нужно проверить растворимость оснований в воде, а затем применить свойство индикатора. Растворимые в воде основания относятся к щёлочам.

1. NaOH и KOH растворяются в воде, поэтому это щёлочи. Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ нерастворимы в воде и щёлочами не являются.
2. Лакмус проверяет среду раствора: в щелочной среде он синеет. Значит, в растворах NaOH и KOH красный лакмус станет синим.
3. Нерастворимые Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ не образуют щелочного раствора, поэтому нельзя ожидать, что их смесь с водой окрасит лакмус как раствор щёлочи. Само отсутствие синей окраски не отменяет того, что эти вещества относятся к основаниям.

Ответ: щёлочи — NaOH и KOH; лакмус в их растворах синеет. Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ — нерастворимые основания. При проверке важно различать свойство вещества и действие его водного раствора.

Задача 3. Записать уравнения взаимодействия гидроксида натрия с серной кислотой и углекислым газом, расставить коэффициенты и указать тип реакций. Сначала определяем ожидаемые продукты: кислота с основанием даёт соль и воду, а щёлочь с кислотным оксидом — соль и воду. Затем уравниваем число атомов каждого элемента слева и справа.

1. В реакции NaOH с H₂SO₄ образуются Na₂SO₄ и H₂O. В соли два атома натрия, поэтому ставим коэффициент 2 перед NaOH; после проверки водорода получаем 2H₂O.
2. Итоговое уравнение: 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O. Это реакция обмена, частный случай — нейтрализация кислоты основанием.
3. При взаимодействии NaOH с CO₂ образуются Na₂CO₃ и H₂O. Чтобы уравнять натрий, ставим 2 перед NaOH: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O; это реакция щёлочи с кислотным оксидом.

Ответ: 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2H₂O; 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O. В первом случае идёт реакция обмена и нейтрализация, во втором — взаимодействие щёлочи с кислотным оксидом. В обоих уравнениях число атомов каждого элемента до и после реакции совпадает.

Типичные ошибки

Ошибка: считать щёлочами все основания. Так думают, потому что названия классов часто употребляют как будто это одно и то же, но щёлочи — только растворимые основания. Проверьте себя по определению и растворимости: Cu(OH)₂ является основанием, но не щёлочью.

Ошибка: записывать CaOH₂ вместо Ca(OH)₂. Без скобок индекс ₂ относится только к водороду, а не ко всей группе OH, поэтому формула читается неверно. Проверьте, сколько атомов кислорода и водорода должно быть: в гидроксиде кальция их по два.

Ошибка: выбирать число групп OH наугад, не учитывая валентность металла. Например, для алюминия с валентностью III нужны три гидроксогруппы, а для натрия с валентностью I — одна. Чтобы проверить формулу, сравните валентность металла с количеством групп OH.

Ошибка: считать, что любой индикатор в щёлочи окрашивается одинаково. Окраска зависит от вида индикатора: лакмус синеет, фенолфталеин становится малиновым, метилоранж — жёлтым. Перед опытом проверьте, какой индикатор используется и как меняется его цвет в щелочной среде.

Связь с другими темами

Чтобы составлять формулы оснований, нужно знать, как устроены сложные вещества, и уметь определять валентность элементов. Эти знания помогают понять индексы и скобки в формулах. Свойства оснований связаны с темами кислот и солей: при реакции кислоты с основанием получаются соль и вода. Изучение щёлочей также подготавливает к реакциям обмена и способам получения веществ, где важно предсказывать продукты реакции.

Что запомнить

• Основания состоят из атома металла и одной или нескольких групп OH.
• Число групп OH в формуле связано с валентностью металла.
• Растворимые в воде основания называют щёлочами.
• Щёлочи изменяют окраску индикаторов.
• Основания реагируют с кислотами с образованием соли и воды.
• При работе со щёлочами необходимо соблюдать правила безопасности.