§ 36. Щёлочи, их свойства и способы получения

Определения и обозначения

Щёлочи — это основания, растворимые в воде. Например, гидроксид натрия NaOH растворяется, а гидроксид меди Cu(OH)₂ — нет, поэтому он относится к нерастворимым основаниям. Это различие нужно учитывать, когда определяют класс вещества и выбирают способ его получения.

Гидроксид-ионы — частицы OH⁻, которые присутствуют в растворах щёлочей. Они появляются, когда растворимое основание растворяется в воде, и участвуют в характерных реакциях щёлочи. Зная об этих частицах, легче понять, почему разные щёлочи проявляют сходные свойства.

Индикатор — вещество, которое меняет окраску в зависимости от среды раствора. В щёлочи лакмус становится синим, а фенолфталеин — малиновым. Такие изменения позволяют обнаружить щелочную среду, даже если сам раствор бесцветен.

Нейтрализация — взаимодействие щёлочи с кислотой, в результате которого образуются соль и вода. Например, при реакции гидроксида натрия с соляной кислотой получаются хлорид натрия и вода. Это понятие помогает предсказать продукты реакции и правильно записать уравнение.

Как это устроено

Растворимые основания называют щёлочами, потому что при растворении их частицы переходят в раствор, где могут взаимодействовать с другими веществами. В воде гидроксид натрия можно представить как NaOH → Na⁺ + OH⁻. Гидроксид-ионы OH⁻ присутствуют в растворе и отвечают за свойства, общие для щёлочей. Нерастворимое основание не образует такого раствора в заметном количестве, поэтому его не относят к щёлочам.

Индикатор меняет цвет потому, что его частицы по-разному выглядят в разных средах. Поэтому окраска лакмуса и фенолфталеина в щёлочи отличается от окраски в кислоте или нейтральном растворе. Например, лакмус синеет, а фенолфталеин становится малиновым. Сравнение с таблицей цветов помогает определить среду, не полагаясь на внешний вид самого раствора.

При реакции щёлочи с кислотой гидроксид-ионы соединяются с частицами кислоты, а оставшиеся частицы образуют соль. Вода появляется из водородной части кислоты и OH⁻, поэтому в уравнении нейтрализации её нельзя пропускать. Сначала запиши формулы кислоты и щёлочи, затем определи формулы соли и воды. После этого расставь коэффициенты так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

Щёлочь взаимодействует с кислотным оксидом, потому что в результате могут образоваться соль и вода. Например, углекислый газ реагирует с раствором гидроксида натрия: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O. Некоторые щёлочи реагируют и с солями, но обмен имеет смысл, если среди продуктов появляется осадок или другое малорастворимое вещество. Так, при смешивании растворов NaOH и CuSO₄ выпадает осадок Cu(OH)₂.

Щёлочь можно получить реакцией активного металла с водой: при этом образуются гидроксид металла и водород. Например, 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑. Другой способ — взаимодействие некоторых основных оксидов с водой: Na₂O + H₂O → 2NaOH. Активные металлы могут реагировать с водой бурно, а едкие щёлочи опасны для кожи и глаз, поэтому такие опыты проводят только с соблюдением правил безопасности.

Свойства и получение щёлочей

Пользуйся таблицей как краткой схемой: сначала найди нужный тип взаимодействия, затем проверь, какие вещества образуются. В уравнении обязательно соблюдай сохранение числа атомов каждого элемента. Наблюдение с индикатором помогает распознать щёлочь, а появление осадка — заметить реакцию с солью.

Разбор задач

Задача 1. Запишите, как изменится окраска лакмуса и фенолфталеина в растворе гидроксида натрия.

Решение.

1. Определим среду: NaOH — растворимое основание, значит, его раствор щелочной.
2. Вспомним окраску индикаторов в щелочной среде: лакмус становится синим, фенолфталеин — малиновым.
3. Запишем оба наблюдения, не смешивая их с окраской индикаторов в кислоте.

Ответ: лакмус посинеет, фенолфталеин станет малиновым.

Задача 2. Составьте уравнение реакции гидроксида кальция с соляной кислотой и расставьте коэффициенты.

Решение.

1. Это реакция кислоты с основанием, поэтому ожидаем соль и воду.
2. Ионы кальция Ca²⁺ и хлорида Cl⁻ образуют соль CaCl₂; второй продукт — H₂O.
3. Запишем схему: Ca(OH)₂ + HCl → CaCl₂ + H₂O. Для двух атомов хлора поставим 2 перед HCl, а две группы OH⁻ потребуют 2 молекулы воды.

Ответ: Ca(OH)₂ + 2HCl → CaCl₂ + 2H₂O. Проверка: слева и справа по одному атому Ca, два Cl, четыре H и два O.

Задача 3. Составьте уравнения получения гидроксида натрия из натрия и воды, а также из оксида натрия и воды; расставьте коэффициенты.

Решение.

1. Для первого способа запишем продукты реакции металла с водой: NaOH и H₂. Водород выделяется молекулами H₂, поэтому уравниваем водород и натрий коэффициентами.
2. Получаем 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Проверяем: по два Na, четыре H и два O с каждой стороны.
3. Во втором способе к основному оксиду Na₂O добавляем воду и записываем NaOH. Для сохранения двух атомов натрия ставим 2 перед NaOH.

Ответ: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂; Na₂O + H₂O → 2NaOH. При работе с натрием необходимы специальные меры безопасности: реакция с водой идёт энергично.

Типичные ошибки

Считать щёлочью любое основание. Так ошибаются, потому что все щёлочи являются основаниями, и эти названия легко принять за равнозначные. Но щёлочь обязательно растворяется в воде, а основание может быть нерастворимым. Проверь себя: для щёлочи нужно подтвердить растворимость вещества.

Путать окраску индикаторов. Цвета в кислой и щелочной среде различаются, а у разных индикаторов свои изменения. Ошибка возникает, если вспоминать цвет без названия индикатора. Проверь ответ по таблице именно для выбранного индикатора: например, лакмус в щёлочи синий, фенолфталеин малиновый.

Забывать воду в реакции кислоты со щёлочью. Иногда записывают только соль, потому что сосредотачиваются на обмене ионов. Однако нейтрализация даёт два продукта — соль и воду. Проверь, что в уравнении присутствуют оба продукта и совпадает число атомов.

Считать, что любая соль реагирует со щёлочью. Сам факт смешивания растворов не означает, что произойдёт реакция: продукты могут остаться в растворе. Ошибку допускают, если механически применяют обмен к любой паре веществ. Проверь растворимость продуктов: реакция обычно идёт, когда появляется осадок или другое малорастворимое вещество.

Связь с другими темами

Для изучения щёлочей нужно знать, что такое основания, кислоты, оксиды и соли, уметь распознавать их формулы и составлять уравнения. Также пригодится навык уравнивания реакций: число атомов каждого элемента до и после превращения должно сохраняться. Тема продолжает изучение индикаторов и кислотно-основных реакций. Позже эти знания помогут разбирать нейтрализацию и выбирать способы получения веществ.

Что запомнить

• Щёлочи — растворимые в воде основания.
• В растворах щёлочей присутствуют гидроксид-ионы OH⁻.
• Щёлочи изменяют окраску индикаторов характерным образом.
• При реакции щёлочи с кислотой образуются соль и вода.
• Щёлочи могут реагировать с кислотными оксидами и некоторыми солями.
• Щёлочи получают взаимодействием некоторых активных металлов или основных оксидов с водой.
• При работе со щёлочами необходимо соблюдать правила безопасности.