Первый урок:
Предыдущий урок:
На уроке
Вы познакомились с основами неорганической химии и классификацией неорганических соединений. Теперь изучим эти классы более подробно и начнем с оснований. С основаниями вы познакомились, когда изучали различные щелочноземельные металлы, например натрий, магний. Вы, наверное, помните, что при соединении с водой эти металлы образуют гидроиды (основания). То есть, основание – это такое вещество, молекулы которого состоят из атома металла и одной или нескольких гидроксильных групп (OH).
Основания подразделяются на растворимые и не растворимые, первые еще называют щелочи. К щелочам, например, относятся гидроксид натрия, калия, лития, рубидия. К нерастворимым основаниям относиться, например, гидроксид меди Cu(OH)2 и железа Fe(OH)3.
Как правило, атом металла присоединяет столько гидроксильный групп, какая у него валентность. Натрий одновалентен, поэтому формула его гидроксида NaOH, а магний двухвалентен, поэтому его гидроксид Mg(OH)2.
Растворимые основания (щелочи) можно получить путем реакции оксида соответствующего металла с водой, например:
Такие щелочи, как едкий натр NaOH и едкий кали KOH можно получить электролизом водного раствора хлорида натрия NaCl (поваренной соли) и хлорида калия KCl соответственно.
С нерастворимыми основаниями сложнее. Оксиды соответствующих металлов с водой не реагирует. Как вариант, можно попробовать вытеснить из соли соответствующего металла ее кислотный остаток какой-нибудь щелочью. Например, вот такая реакция произойдет, если смешать хлорид меди (такие зеленоватые кристаллы) с едким натром:
Полученный таким образом гидроксид меди выпадает в виде осадка голубого цвета.
Такая реакция называется реакцией замещения – когда одна группа или атом замещается другой.
Таким образом, щелочи мы получаем либо реакцией соответствующего металла с водой, либо его оксида с водой, либо электролизом, а нерастворимые основания можно получить реакцией замещения кислотного остатка в соли соответствующего металла гидроксильной группой, смешав соль с какой-нибудь щелочью.
Большинство оснований – твердые вещества, часто белого цвета (исключение – гидроксид меди имеет голубой цвет, гидроксид железа – бурый), некоторые из них растворяются в воде, некоторые нет.
Общее химическое свойство всех оснований – их способность реагировать с кислотами, с образованием соли и воды. Это, кстати, касается не только щелочей, но и нерастворимых оснований. Но как это выяснили? Для начала, как вообще узнать, что в растворе именно кислота или именно щелочь? Можно, конечно, знать какое именно вещество мы налили в пробирку. Например, это может быть серная кислота. Или соляная. Или щелочь, например, едкий натр. Но как ученые узнали, что серная кислота – это кислота, а едкий натр – щелочь? А это можно узнать при помощи специальных веществ, называемых индикаторы, которые меняют свой цвет в кислотах или щелочах, например, лакмус, фенолфталеин или метиловый оранжевый. Такие вещества называются индикаторами.
Можно, например, поместить лакмусовую бумажку в раствор гидроксида натрия. Она фиолетовый цвет сменит на синий, что означает, что в растворе щелочная среда. Еcли потом туда постепенно добавлять соляную кислоту, то бумажка станет снова фиолетовой. Это говори о том, что теперь в растворе нет ни кислоты, ни щелочи. А если раствор выпарить, то на дне пробирки останутся кристаллы самой обычной поваренной соли, которой можно посолить пищу. Правда, именно этой солью я бы солить не советовал, ибо нет никакой гарантии, что она у вас получиться 100% чистая.
Что же происходит, когда гидроксид натрия смешивают с соляной кислотой? А происходит вот такая вот химическая реакция:
Аналогичная реакция произойдет и при смешивании гидроксида меди с соляной кислотой. В воде, правда, гидроксид меди не растворяется, но если опустить его кристаллы в кислоту, то они растворятся. Почему? Да потому, что при реакции образуется соль, которая в воде и растворяется:
Такие виды реакции называются реакциями нейтрализации, потому что кислота и основание друг друга нейтрализуют.
Стоит заметить, что между щелочами и нерастворимыми основаниями есть как сходства, так и различная. В частности, как я уже говорил, и те и другие реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Нерастворимые основания часто разлагаются при нагревании, например, гидрокид меди:
Щелочи реагируют с органическими веществами, часто «разъедая» их. Именно поэтому при работе со щелочами следует соблюдать осторожность, так как при попадании сильных щелочей на кожу остаются химические ожоги. Еще щелочи реагирует с кислотными оксидами, при этом образуется соль и вода, например, если пропустить углекислый газ через гидроксид кальция, в осадок выпадет карбонат кальция:
А вот для нерастворимых оснований такая реакция нехарактерна.
Но это еще не все различия. Давайте представим такой светло-желтый порошок. Химик берет и растворяет его в воде. А затем смешивает с едким кали. Через некоторое время на дно пробирки выпадает такой коричневый осадок (или красновато-коричневый). Эта реакция – замещение железа калием в сульфиде железа или, наоборот, калия железом в щелочи:
Щелочи, как правило, вступают в реакцию с солями, если в результате образуется нерастворимое соединение. Поясню почему. Дело в том, что молекулы солей, щелочей и кислот в воде распадаются на два иона. Щелочи на положительно заряженный ион металла (в нашем случае на K+) и на отрицательно заряженную гидроксильную группу (OH-). Кислота распадется на положительно заряженный ион водорода (H+), или протон и отрицательно заряженный ион кислотного остатка. Серная кислота, например, распадается на 2H+ и SO4-. Соли распадаются на положительно зараженный ион металла и отрицательно заряженный образующий данную соль кислотный остаток. В нашем случае это 2Fe+ и 3SO4-. Именно за счет такого распада кислоты, щелочи и соли как раз и растворимы в воде.
А что если мы смешаем щелочь и соль? У нас получиться, что в растворе свободно плавают H+, кислотные остатки и группы OH-. А так же ионы металлов. И вот встречаются у нас, допустим, ион железа Fe+ и ион гидроксильной группы OH-. Они соединяются между собой и образуется нерастворимый Fe2(OH)3, который выпадает в осадок, а ионов Fe+ и OH- становится все меньше и меньше. Но зато остаются ионы калия и кислотного остатка SO4.
А вот для оснований такая реакция нехарактерна. Почему? Очевидно, потому что они не растворимы в воде, а значит, их гидроксильные группы не отделяются от металла и не плавают в растворе в виде иона OH-, да и сами ионы этого металла тоже не плавают.
Теперь вспомним про оксиды:
Оксиды, как вы знаете, бывают кислотными и щелочными. Кислотные оксиды реагируют со щелочами, а вот с нерастворимыми основаниями – нет. Почему? Да по той же самой причине, нет ионов OH- – они жестко связаны в кристаллической решетке нерастворимого основания.
Еще можно сказать, что нерастворимые основания, в отличие от щелочей, не изменяют цвет индикаторов.
Ну, и последнее отличие: щелочи вступают в химическую реакцию с жирами, и в результате этой реакции образуется… мыло! Да-да, то самое мыло, которым вы моете рыки. Конечно, кроме самого продукта реакции, в мыло добавляют еще разные вещества, там всякие красители, увлажнители, ароматизаторы и прочие вспомогательные вещества.
В заключении, немного о применении оснований:
· Гидроксид кальция Ca(OH)2 (гашеная известь). Раствор такой гашеной извести в воде используют для борьбы с вредителями растений, а так же в химической промышленности для производства соды.
· Гидроксид натрия NaOH. Его используют для очистки нефти, производства мыла и в текстильной промышленности.
· Гидроксид калия KOH. Используется в аккумуляторах в качестве электролита.
· Гидроксид лития LiOH. Так же используется в аккумуляторах в качестве электролита.