§ 18. Гидроксиды

Определения и обозначения

Гидроксид — соединение, содержащее одну или несколько групп атомов OH. Распознать его можно по формуле: в ней рядом с металлом или другим элементом записана группа OH. Это определение помогает отличить гидроксиды от оксидов, в которых группы OH нет.

Гидроксогруппа — группа атомов OH, которая входит в состав гидроксидов. В формуле таких групп может быть одна или несколько: например, в NaOH одна, а в Ca(OH)₂ — две. Их количество важно учитывать, чтобы правильно записать состав вещества.

Основание — гидроксид металла. Общая формула основания — M(OH)ₙ: M обозначает металл, а n показывает число групп OH и соответствует валентности металла. Эта связь позволяет составлять формулу основания по символу металла и его валентности.

Щёлочь — основание, растворимое в воде. Значит, всякая щёлочь является основанием, но не всякое основание растворяется и потому не всякое относится к щёлочам. Такое различие нужно, чтобы не смешивать название класса веществ с названием его части.

Как это устроено

Чтобы составить формулу гидроксида, сначала записывают символ металла, затем группу OH. Число групп выбирают по валентности металла: натрию с валентностью I соответствует одна группа, а кальцию с валентностью II — две. Если групп больше одной, перед ними ставят индекс, а саму группу заключают в скобки, потому что индекс относится ко всему OH.

В названии основания сначала указывают металл: например, гидроксид натрия. Некоторые металлы могут иметь разную валентность, поэтому одного названия металла недостаточно, чтобы понять состав вещества. В таком случае после названия металла в скобках пишут римскую цифру, которая показывает его валентность: гидроксид железа(II).

Основания делятся на растворимые и нерастворимые, потому что вещества по-разному взаимодействуют с водой. Растворимые основания называют щёлочами, а нерастворимые остаются в виде твёрдого вещества. Чтобы определить группу, находят формулу основания в таблице растворимости и смотрят, какой знак стоит на пересечении соответствующих строк и столбцов; значение обозначений нужно сверять с самой таблицей.

Растворы щёлочей можно распознавать индикаторами — веществами, меняющими окраску в зависимости от среды. Лакмус в щелочной среде становится синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — жёлтым. Изменение цвета показывает, что раствор обладает щелочными свойствами; при работе с растворами нельзя пробовать их на вкус или трогать руками.

Основания взаимодействуют с кислотами: в результате образуются соль и вода. Такая реакция называется нейтрализацией, потому что свойства кислоты и основания взаимно ослабляются. Нерастворимые основания при нагревании могут распадаться на оксид металла и воду: это другой тип реакции, для которого нужны нагревание и подходящее вещество.

Сравнение растворимых и нерастворимых оснований

Сначала по таблице растворимости выясните, растворяется ли основание в воде: это главный признак, по которому различают две группы. Затем сравните примеры и свойства веществ, чтобы не принять нерастворимое основание за щёлочь. Реакция с кислотой характерна для обеих групп, а разложение при нагревании — для многих нерастворимых оснований.

Разбор задач

Задача 1. Составьте формулы гидроксидов натрия и кальция, если валентность натрия равна I, а кальция — II. Нужно подобрать число групп OH так, чтобы оно соответствовало валентности каждого металла. Если групп OH больше одной, скобки покажут, что индекс относится ко всей группе.

1. Записываем символ натрия Na и группу OH. Валентность натрия равна I, поэтому нужна одна группа.
2. Получаем формулу NaOH. Скобки не нужны, так как группа OH только одна.
3. Записываем Ca и две группы OH, ведь валентность кальция равна II. Ставим скобки и индекс: Ca(OH)₂.

Ответ: NaOH и Ca(OH)₂. Проверка: число групп OH в каждой формуле совпадает с валентностью металла.

Задача 2. Дайте названия веществам Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃. Железо может иметь разную валентность, поэтому её нужно установить по числу гидроксогрупп и обязательно указать в названии. Каждая группа OH соответствует одной единице валентности.

1. В формуле Fe(OH)₂ две группы OH, следовательно, валентность железа равна II.
2. Называем вещество гидроксидом железа и указываем валентность римской цифрой в скобках.
3. В Fe(OH)₃ три группы OH, значит, железо имеет валентность III; применяем то же правило для названия.

Ответ: Fe(OH)₂ — гидроксид железа(II); Fe(OH)₃ — гидроксид железа(III). Индекс за скобками показывает число целых групп OH.

Задача 3. Запишите уравнение взаимодействия гидроксида калия с серной кислотой и уравнение разложения гидроксида меди(II) при нагревании. В первой реакции должны появиться соль и вода, во второй — оксид меди и вода. После записи формул проверяют, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Записываем реагенты KOH и H₂SO₄, а продукты нейтрализации — K₂SO₄ и H₂O.
2. В соли два атома калия, поэтому ставим 2 перед KOH. Затем уравниваем водород и кислород: 2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O.
3. При нагревании Cu(OH)₂ превращается в CuO и H₂O. Проверяем атомы: по два атома водорода и по два атома кислорода с каждой стороны.

Ответ: 2KOH + H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2H₂O; Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Во втором уравнении условие нагревания можно обозначить над стрелкой словом «t°».

Типичные ошибки

Щёлочи считают полными синонимами оснований. Ошибка возникает потому, что щёлочи действительно относятся к основаниям, но это только растворимая их часть. Проверьте себя: если вещество не растворяется в воде, оно не щёлочь, хотя может быть основанием.

Формулу гидроксида кальция записывают как CaOH. Так происходит, если забыть, что валентность кальция II требует двух групп OH. Пересчитайте группы: для Ca нужна формула Ca(OH)₂, а одинарная запись не показывает нужного состава.

В формулах с несколькими гидроксогруппами не ставят скобки. Индекс тогда может быть понят неправильно, ведь он должен относиться ко всей группе OH, а не только к одному атому. Проверьте запись: если групп несколько, используйте скобки, например Ca(OH)₂.

Нейтрализацию путают с разложением при нагревании, потому что в обеих реакциях могут участвовать основания. Но кислота нужна для образования соли и воды, а при нагревании нерастворимое основание может дать оксид металла и воду. Чтобы проверить себя, посмотрите на условия и продукты: есть кислота — ожидайте соль, есть нагревание — проверьте возможность разложения.

Связь с другими темами

Для составления формул гидроксидов нужно уметь определять валентность элементов и записывать формулы бинарных соединений: это помогает согласовать число групп OH с металлом. Таблица растворимости связывает тему оснований с уже знакомыми кислотами, оксидами и солями, а индикаторы помогают распознавать растворы. Позже эти знания пригодятся при изучении реакций между классами веществ, нейтрализации и генетических связей — превращений одних веществ в другие.

Что запомнить

• Основания — это гидроксиды металлов.
• Общая формула основания — M(OH)ₙ, где n соответствует валентности металла.
• Щёлочи — растворимые в воде основания.
• Число групп OH в формуле определяют по валентности металла.
• Основание и кислота реагируют с образованием соли и воды.
• Нерастворимые основания при нагревании могут разлагаться на оксид металла и воду.