§ 10. Основания как электролиты

Определения и обозначения

Основание — сложное вещество, состоящее из катиона металла и одного или нескольких гидроксид-ионов OH⁻. Катион — положительно заряженная частица, а гидроксид-ион — отрицательно заряженная частица. Такое определение помогает распознавать основания по их составу и отличать их от других классов веществ.

Гидроксид-ион OH⁻ — общая для всех оснований отрицательно заряженная частица. Именно его присутствие связано со многими свойствами оснований, в частности щелочной реакцией их растворов. Зная эту частицу, можно понять, какие ионы появляются при растворении основания.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. К щёлочам относятся, например, гидроксид натрия NaOH и гидроксид калия KOH; гидроксид меди(II) Cu(OH)₂ в воде практически не растворяется и щёлочью не является. Различие нужно учитывать, когда говорят о поведении основания в растворе.

Электролитическая диссоциация оснований — распад их частиц на катионы металла и гидроксид-ионы при растворении в воде. Так записывают превращение вещества в ионы, которые могут перемещаться в растворе. У растворимых оснований этот процесс происходит в растворе, а малорастворимые основания дают мало ионов.

Как это устроено

Формула основания показывает состав одной его формульной единицы. Заряд катиона металла должен уравновешиваться отрицательным зарядом гидроксид-ионов, поэтому число групп OH зависит от заряда металла. Например, катиону Ca²⁺ нужны две группы OH⁻, а катиону Al³⁺ — три: формулы имеют вид Ca(OH)₂ и Al(OH)₃.

При растворении растворимого основания вода помогает разделить его частицы на ионы. В NaOH один катион натрия Na⁺ связан с одним гидроксид-ионом OH⁻, поэтому уравнение записывают так: NaOH → Na⁺ + OH⁻. Заряды продуктов взаимно компенсируются, как и в нейтральном исходном веществе.

Индекс за скобками относится ко всей группе OH, а не только к атому кислорода или водорода. Поэтому в формуле Ca(OH)₂ содержатся две группы OH, и каждая даёт один ион OH⁻: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻. Коэффициент 2 перед ионом показывает число частиц, а суммарный заряд продуктов равен нулю.

Раствор щёлочи проводит электрический ток, потому что в нём есть подвижные заряженные частицы. Катионы и анионы перемещаются в растворе и переносят заряд, тогда как нейтральные частицы такой перенос не обеспечили бы. Поэтому электропроводность раствора связана именно с наличием ионов.

Основания отличаются растворимостью, и от неё зависит, сколько ионов попадёт в воду. Растворимое основание образует в растворе много ионов, а малорастворимое — лишь небольшое их количество, поскольку растворяется в малой степени. Поэтому уравнения для малорастворимых веществ описывают образование ионов, но не означают, что всё вещество растворяется.

Состав и диссоциация некоторых оснований

Сначала сравните формулу с числом OH⁻ в уравнении: индекс у скобок должен перейти в коэффициент. Затем проверьте заряды катиона и гидроксид-ионов. Стрелка ⇄ для малорастворимых оснований показывает, что в раствор переходит лишь небольшая часть вещества.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение диссоциации гидроксида калия KOH. Нужно определить, на какие ионы распадается основание, и проверить, совпадают ли число атомов и общий заряд до и после превращения.

1. В составе KOH один атом калия, одна группа OH и нет индексов, значит, каждого иона будет по одному.
2. Калий образует катион K⁺, а группа OH становится ионом OH⁻.
3. Записываем продукты и проверяем заряд: +1 и −1 дают суммарный заряд 0.

Ответ: KOH → K⁺ + OH⁻.

Задача 2. Запишите уравнение диссоциации Ba(OH)₂ и укажите, сколько гидроксид-ионов получается из одной формульной единицы. Индекс 2 относится к группе OH целиком, поэтому важно учесть его и в уравнении.

1. Катион бария имеет заряд Ba²⁺, а гидроксид-ион — заряд OH⁻.
2. Переносим индекс 2 из формулы в коэффициент перед OH⁻: Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻.
3. Проверяем заряд продуктов: +2 + 2 × (−1) = 0; число атомов также сохранено.

Ответ: Ba(OH)₂ → Ba²⁺ + 2OH⁻; образуются два гидроксид-иона.

Задача 3. В растворе содержится 0,20 моль Ca(OH)₂. Определите количества вещества ионов Ca²⁺ и OH⁻, считая диссоциацию полной. Используйте коэффициенты уравнения как соотношение количеств частиц.

1. Записываем уравнение: Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH⁻.
2. Соотношение Ca(OH)₂ и Ca²⁺ равно 1:1, значит, n(Ca²⁺) = 0,20 моль.
3. На одну формульную единицу приходится два OH⁻, поэтому n(OH⁻) = 2 × 0,20 = 0,40 моль.

Ответ: n(Ca²⁺) = 0,20 моль, n(OH⁻) = 0,40 моль.

Типичные ошибки

Запись OH без заряда вместо OH⁻ превращает ион в условно нейтральную группу. Так ошибаются, перенося обозначение из формулы основания в уравнение без изменений. Проверяйте: при диссоциации отдельно записывают именно гидроксид-ион с зарядом −1.

Если забыть коэффициент перед OH⁻, число частиц в продуктах не совпадёт с формулой. Это часто происходит, когда индекс в Ca(OH)₂ воспринимают как относящийся только к одному атому. Сосчитайте группы OH в исходной формуле и столько же ионов укажите в продуктах.

Запись вроде CaOH⁺ неверна, если основание распадается на катион металла и гидроксид-ионы. Ошибка возникает из-за попытки объединить частицы в один ион и может нарушить баланс зарядов. Для Ca(OH)₂ проверьте, что Ca²⁺ и два OH⁻ дают суммарный заряд 0, как и исходное вещество.

Нельзя считать, что любое основание хорошо растворяется и образует много ионов. Такую ошибку допускают, распространяя свойства щёлочей на все основания. Перед выводом о растворе проверьте растворимость: нерастворимые основания дают в воде лишь малое количество ионов.

Связь с другими темами

Для изучения оснований нужно знать, как устроены атомы, что такое ионы и как определяют их заряды. Также пригодятся навыки составления формул веществ и уравнений реакций. Они позволяют записывать формулы оснований и проверять правильность диссоциации.

Тема опирается на понятие электролитической диссоциации — распада вещества на ионы в растворе. Представление о заряженных частицах помогает объяснить, почему растворы электролитов проводят электрический ток. На этом же основании сравнивают свойства разных растворов.

Состав растворов оснований понадобится при изучении реакций ионного обмена и нейтрализации. Зная, какие ионы присутствуют в растворе, можно понять, какие частицы взаимодействуют между собой. Это помогает объяснять свойства щелочей и предсказывать продукты реакций.

Что запомнить

• Основания состоят из катионов металла и гидроксид-ионов OH⁻.
• Щёлочи — растворимые в воде основания.
• При диссоциации основания образуют катионы металла и гидроксид-ионы.
• Число гидроксид-ионов в уравнении соответствует числу групп OH в формуле основания.
• В растворах щелочей электрический ток переносят подвижные ионы.
• При составлении уравнения диссоциации нужно сохранять число атомов и суммарный заряд.