§ 25. Гидроксиды

Определения и обозначения

Гидроксид — сложное вещество, состоящее из атомов металла и одной или нескольких гидроксогрупп OH. Например, в Ca(OH)₂ есть атом кальция и две группы OH. Это понятие помогает распознавать такие вещества по составу и правильно записывать их формулы.

Основание — гидроксид металла, в состав которого входят катионы металла и гидроксид-ионы OH⁻. Катион — положительно заряженная частица, а ион OH⁻ имеет отрицательный заряд. Определение показывает, какие частицы образуют основания и участвуют в их реакциях.

Щёлочь — растворимое в воде основание. К щёлочам относятся, например, NaOH и KOH, а Cu(OH)₂ в воде практически не растворяется и щёлочью не является. Это название важно, потому что растворимые основания проявляют свойства в водном растворе.

Гидроксид-ион — отрицательно заряженная частица OH⁻, определяющая общие свойства оснований. В воде растворимые основания распадаются на ионы, в том числе на OH⁻. По наличию этих ионов объясняют действие растворов щёлочей на индикаторы и их реакции.

Как это устроено

Число групп OH в формуле связано с валентностью металла: группы OH соединяются с атомом металла так, чтобы его валентность была полностью использована. Каждая группа OH в этой записи соответствует одной единице валентности металла. У алюминия валентность III, поэтому нужны три группы и получается Al(OH)₃. У кальция валентность II, значит, формула его гидроксида — Ca(OH)₂.

Название гидроксида обычно образуют из слова «гидроксид» и названия металла: NaOH — гидроксид натрия, Ca(OH)₂ — гидроксид кальция. Если металл может иметь разную валентность, её указывают в скобках римской цифрой: например, Cu(OH)₂ — гидроксид меди(II). Чтобы по названию составить формулу, определите валентность металла, поставьте рядом группы OH и подберите их число так, чтобы валентности уравновесились.

Основания различаются растворимостью в воде, поэтому не каждое из них даёт щелочной раствор. Растворимые основания называют щёлочами, а сведения о растворимости находят в таблице растворимости по формуле вещества. Если основание обозначено как нерастворимое, его нельзя называть щёлочью; малорастворимые вещества требуют аккуратной оценки по принятому обозначению таблицы.

Когда щёлочь растворяется в воде, в растворе появляются гидроксид-ионы OH⁻. Именно они взаимодействуют с индикаторами, поэтому индикатор меняет окраску в щелочной среде: например, лакмус синеет, а фенолфталеин становится малиновым. Это общий признак растворов щёлочей, хотя конкретный цвет зависит от выбранного индикатора.

Основания реагируют с кислотами: образуются соль и вода, поскольку частицы кислоты и основания соединяются в новые вещества. Щёлочи взаимодействуют также с кислотными оксидами и некоторыми солями; реакция с солью обычно идёт, если появляется осадок, газ или вода. Многие нерастворимые основания при нагревании разлагаются на оксид металла и воду, например Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Следовательно, продукты реакции и условия помогают определить, какое свойство основания проявляется.

Состав, растворимость и свойства оснований

Сначала найдите формулу в таблице растворимости и определите, к какой колонке относится вещество. Затем сравните его свойства с нужной строкой: растворимость определяет, будет ли раствор содержать заметное количество OH⁻. Учитывайте, что малорастворимое основание не следует без оговорок приравнивать к хорошо растворимой щёлочи.

Разбор задач

Формулы гидроксидов и растворимость

Условие: составьте формулы гидроксида кальция и гидроксида алюминия, назовите вещества и укажите, какое из них является щёлочью. Для формул используем валентности Ca(II) и Al(III), а для классификации — таблицу растворимости.

1. Валентность кальция равна II, поэтому к одному атому Ca присоединяем две группы OH. Получаем Ca(OH)₂; вещество называется гидроксид кальция.
2. У алюминия валентность III, значит, нужны три группы OH. Записываем Al(OH)₃ и называем его гидроксидом алюминия.
3. Проверяем растворимость: Ca(OH)₂ малорастворим, а Al(OH)₃ нерастворим. В школьной классификации растворимые гидроксиды называют щёлочами, поэтому эти примеры не относят к хорошо растворимым щёлочам.

Ответ: Ca(OH)₂ — гидроксид кальция; Al(OH)₃ — гидроксид алюминия. Оба гидроксида малорастворимы или нерастворимы, поэтому в данном сопоставлении ни один не является хорошо растворимой щёлочью.

Реакции щёлочи с кислотой и кислотным оксидом

Условие: запишите уравнения реакций гидроксида натрия с соляной кислотой и оксида углерода(IV) с известковой водой. Известковая вода — раствор гидроксида кальция. В первом случае реагируют основание и кислота, во втором — щёлочь и кислотный оксид.

1. Для реакции нейтрализации записываем формулы реагентов: NaOH + HCl. Ионы натрия и хлора образуют соль NaCl, а H⁺ и OH⁻ — воду. Получаем NaOH + HCl → NaCl + H₂O.
2. Углекислый газ CO₂ реагирует с гидроксидом кальция Ca(OH)₂. Образуются карбонат кальция CaCO₃ и вода: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O.
3. Проверяем число атомов каждого элемента по обе стороны стрелки. В обоих уравнениях их количество совпадает, поэтому дополнительные коэффициенты не нужны.

Ответ: NaOH + HCl → NaCl + H₂O; CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O. Во втором уравнении образуется осадок карбоната кальция, поэтому известковая вода мутнеет.

Определение основания по продуктам разложения

Условие: неизвестный гидроксид при нагревании разлагается на оксид меди(II) и воду. Нужно определить его формулу и записать уравнение реакции. Для этого используем состав оксида из условия и правило разложения многих нерастворимых оснований.

1. Оксид меди(II) имеет формулу CuO, значит, неизвестное основание должно содержать медь. Для меди(II) основание состоит из катиона Cu²⁺ и двух гидроксид-ионов OH⁻.
2. Записываем формулу основания Cu(OH)₂ и проверяем: при разложении гидроксидов образуются оксид металла и вода. Продукты CuO и H₂O совпадают с условием задачи.
3. Составляем уравнение Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Слева и справа по одному атому меди, два атома водорода и два атома кислорода, поэтому коэффициенты равны единице.

Ответ: неизвестное вещество — гидроксид меди(II), Cu(OH)₂. Уравнение разложения: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O.

Типичные ошибки

Запись CaOH₂ вместо Ca(OH)₂ неверна: без скобок индекс ₂ относится только к водороду, а не ко всей группе OH. Такая ошибка возникает, когда забывают, что повторяется именно гидроксогруппа. Проверьте формулу: если групп OH больше одной, заключите OH в скобки и поставьте индекс снаружи.

Нельзя считать все гидроксиды щёлочами: щёлочами являются только растворимые в воде основания. Ошибку допускают, принимая название класса веществ за указание на растворимость. Проверяйте каждую формулу по таблице растворимости, прежде чем называть гидроксид щёлочью.

Если число групп OH не согласовано с валентностью металла, формула будет неправильной. Например, у кальция валентность II, поэтому ему нужны две группы OH, а не одна. Для самопроверки сопоставьте валентность металла и число одновалентных групп OH.

При составлении уравнений иногда забывают воду, осадок или газ либо ставят коэффициенты наугад. Причина — попытка записать знакомые вещества без проверки состава и условий реакции. Сначала определите тип реакции и продукты, затем пересчитайте атомы слева и справа: их число должно совпадать.

Связь с другими темами

Для работы с гидроксидами нужны понятия химического элемента, сложного вещества, валентности и иона. Валентность помогает составлять формулы, а таблица растворимости — отличать щёлочи от нерастворимых оснований. Знание ионов позволяет понять, почему растворы щёлочей обладают общими свойствами.

Тема продолжает изучение классов неорганических веществ и подготавливает к реакциям обмена и нейтрализации. По ней можно объяснить, как кислота взаимодействует с основанием и почему образуются соль и вода. Индикаторы помогают качественно определить щелочную среду по изменению окраски.

Что запомнить

• Основания — это гидроксиды металлов.
• Щёлочи — растворимые в воде основания.
• Формула основания содержит металл и одну или несколько групп OH.
• Число групп OH определяется валентностью металла.
• Растворы щёлочей изменяют окраску индикаторов.
• Кислота и основание реагируют с образованием соли и воды.
• Нерастворимые основания многие разлагаются при нагревании на оксид металла и воду.