§ 41. Гидроксиды. Основания

Определения и обозначения

Гидроксид — сложное вещество, состоящее из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Это понятие помогает узнавать вещества по составу: в их формулах обязательно есть металл и группа OH. Например, NaOH и Ca(OH)₂ — гидроксиды.

Гидроксогруппа OH — группа атомов, входящая в состав гидроксидов. Её рассматривают как единое целое, а число таких групп в формуле связано с валентностью металла. Это нужно учитывать, когда формулу читают или составляют.

Основание — гидроксид, в составе которого один атом металла соединён с одной или несколькими гидроксогруппами. По этому определению можно выделить основания среди сложных веществ: в их составе есть металл и OH. Например, гидроксид натрия — основание.

Щёлочь — растворимое в воде основание. Это название показывает не иной состав, а свойство вещества растворяться в воде. Поэтому понятие «щёлочь» уже, чем понятие «основание».

Как это устроено

В формуле гидроксида число групп OH выбирают так, чтобы оно соответствовало валентности металла. Валентность показывает, сколько связей может образовать атом, а гидроксогруппа в этом случае имеет валентность I. Поэтому одновалентному натрию соответствует одна группа: NaOH. Кальций двухвалентен, и ему нужны две группы OH: Ca(OH)₂.

Когда группа OH повторяется, её записывают в скобках, а число повторений ставят справа внизу за скобкой. Так индекс ₂ в Ca(OH)₂ относится сразу и к O, и к H, то есть показывает две целые группы OH. Без скобок запись CaOH₂ можно ошибочно прочитать так, будто индекс относится только к водороду. Для одной группы скобки не нужны: NaOH.

Основания различают по способности растворяться в воде. Растворимые основания называют щёлочами, а нерастворимые остаются в виде твёрдого вещества и не образуют прозрачного раствора. Например, NaOH и Ca(OH)₂ относят к щёлочам, а Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃ — к нерастворимым основаниям. Чтобы определить класс вещества, недостаточно посмотреть на формулу: нужно знать его растворимость.

По формуле можно определить металл и число групп OH: символ металла стоит в начале, а индекс у скобок показывает количество групп. Если индекса у OH нет, группа одна. Составляя формулу, сначала учитывают валентность металла, затем добавляют столько одновалентных групп OH, чтобы число групп соответствовало ей. Для кальция это две группы, для алюминия — три.

Растворы щёлочей изменяют окраску индикаторов, поэтому индикатор помогает распознать щелочную среду. Например, лакмус становится синим, а фенолфталеин — малиновым. Щёлочи могут повреждать кожу и глаза, поэтому работать с ними нужно аккуратно, не пробовать вещества на вкус и не допускать брызг. Если раствор попал на кожу или в глаза, следует немедленно промыть это место большим количеством воды и позвать взрослого.

Состав и растворимость оснований

Сначала найдите в формуле металл и посчитайте группы OH: отсутствие индекса означает одну группу. Затем сравните растворимость с данными таблицы и определите класс. Гидроксид кальция принято относить к щёлочам, хотя он растворяется в воде ограниченно.

Разбор задач

Задача 1. Определите число гидроксогрупп в формулах NaOH, Ca(OH)₂ и Al(OH)₃ и укажите валентность металла. Нужно прочитать индексы у групп OH и сопоставить их с валентностью металлов. Если у группы нет индекса, она встречается один раз. Получаем соответствия: одна, две и три группы.

1. В NaOH скобок и индекса нет, значит, содержится одна группа OH; натрий одновалентен.
2. В Ca(OH)₂ индекс ₂ показывает две группы OH; кальций двухвалентен.
3. В Al(OH)₃ индекс ₃ показывает три группы OH; алюминий трёхвалентен.

Ответ: NaOH — 1 группа OH, Na(I); Ca(OH)₂ — 2 группы OH, Ca(II); Al(OH)₃ — 3 группы OH, Al(III).

Задача 2. Составьте формулы гидроксида магния и гидроксида алюминия по валентности металлов. Магний имеет валентность II, алюминий — III, а группа OH — I. Значит, на один атом металла нужно взять столько групп OH, сколько единиц валентности у металла. Повторяющиеся группы заключаем в скобки.

1. Для магния требуются две группы OH: записываем Mg(OH)₂.
2. Для алюминия требуются три группы OH: записываем Al(OH)₃.
3. Проверяем каждую формулу: число групп OH совпадает с валентностью металла.

Ответ: гидроксид магния — Mg(OH)₂, гидроксид алюминия — Al(OH)₃.

Задача 3. Даны растворы NaOH, Cu(OH)₂ и Ca(OH)₂. Разделите вещества на щёлочи и нерастворимые основания. Вопрос решается по растворимости: щёлочью называют растворимое в воде основание, а нерастворимые гидроксиды к щёлочам не относят. Сначала определяем растворимость каждого вещества, а затем распределяем их по группам.

1. NaOH растворим в воде, поэтому это щёлочь.
2. Cu(OH)₂ в воде не растворяется, поэтому это нерастворимое основание.
3. Ca(OH)₂ малорастворим, но его относят к щёлочам.

Ответ: щёлочи — NaOH и Ca(OH)₂; нерастворимое основание — Cu(OH)₂. Основание для классификации — растворимость веществ в воде.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой гидроксид — щёлочь. Так думают, потому что в формулах и щёлочей, и нерастворимых оснований есть группа OH. Но щёлочью называют только растворимое в воде основание. Проверьте себя: выясните растворимость вещества, прежде чем присваивать ему этот класс.

Ошибка: записывать CaOH₂ вместо Ca(OH)₂. Индекс за скобками должен относиться ко всей группе OH, а не только к H. Скобки легко забыть, если воспринимать формулу как набор отдельных символов. Проверьте, что перед индексом ₂ стоит закрывающая скобка.

Ошибка: неверно указывать число групп OH. Иногда индекс путают с числом атомов металла или не связывают с валентностью. Тогда формула не соответствует составу основания. Пересчитайте группы по индексу и сопоставьте их число с валентностью металла.

Ошибка: считать OH отдельным ионом или несвязанными атомами. Такое прочтение возникает, если забыть, что в формуле основания OH — единая гидроксогруппа. Из-за этого можно неверно посчитать её количество или поставить индекс не там. Проверяйте, относится ли индекс к целой группе, и читайте OH вместе.

Связь с другими темами

Чтобы читать формулы оснований, нужно знать, что такое атом, молекула и химическая формула, а также понимать валентность. Правила составления формул бинарных соединений помогают применять тот же принцип соответствия валентностей к металлу и группам OH. Поэтому знания о валентности нужны не только для распознавания, но и для записи формул.

Основания — один из классов неорганических веществ, и их свойства изучают вместе со свойствами других классов. Позже эти знания пригодятся при разборе реакций нейтрализации и способов получения солей. Понимание состава основания помогает видеть, какие вещества участвуют в таких превращениях.

Что запомнить

• Основания — это гидроксиды металлов.
• Группа OH называется гидроксогруппой.
• Число групп OH в формуле соответствует валентности металла.
• В формулах с несколькими группами OH используют скобки.
• Растворимые в воде основания называют щёлочами.
• Растворы щёлочей изменяют окраску индикаторов и требуют осторожного обращения.