Основные гидроксиды и их химические свойства

К основным классам неорганических веществ, кроме оксидов, кислот и солей, относится группа соединений, называемых основаниями или гидроксидами. Все они имеют единый план строения молекулы: обязательно содержат в ее составе одну или несколько гидроксильных групп, соединенных с ионом металла. Основные гидроксиды генетически связаны с оксидами металлов и солями, это обуславливает не только их химические свойства, но и способы получения в лаборатории и промышленности.

Существует несколько форм классификации оснований, которые базируются как на характеристике металла, входящего в состав молекулы, так и на способности вещества растворяться в воде. В нашей статье мы рассмотрим эти особенности гидроксидов, а также ознакомимся с их химическими свойствами, от которых зависит применение оснований в промышленности и быту.

Физические свойства

Все основания, образованные активными или типичными металлами, представляют собой твердые вещества, обладающие широким диапазоном температур плавления. По отношению к воде они делятся на хорошо растворимые – щелочи и нерастворимые в воде. Например, основные гидроксиды, содержащие в качестве катионов элементы IA группы, легко растворяются в воде и являются сильными электролитами. Они мыльные на ощупь, разъедают ткань, кожу и называются щелочами. При их диссоциации в растворе обнаруживаются ионы ОН^-, определяемые с помощью индикаторов. Например, бесцветный фенолфталеин в щелочной среде становится малиновым. Как растворы, так и расплавы гидроксидов натрия, калия, бария, кальция являются электролитами, т.е. проводят электрический ток и считаются проводниками второго рода. К растворимым основаниям, наиболее часто используемым в промышленности, относится около 11 соединений, например, таких, как основные гидроксиды натрия, калия, аммония и др.

Строение молекулы основания

Между катионом металла и анионами гидроксильных групп в молекуле вещества образуется ионная связь. Она достаточно прочная у нерастворимых в воде гидроксидов, поэтому полярные молекулы воды не способны разрушить кристаллическую решетку такого соединения. Щелочи являются веществами стойкими и практически не образуют при нагревании оксид и воду. Так, основные гидроксиды калия и натрия кипят при температуре более 1000 °С, при этом они не разлагаются. В графических формулах всех оснований хорошо видно, что атом кислорода гидроксильной группы связывается одной ковалентной связью с атомом металла, а другой – с атомом водорода. Строение молекулы и тип химической связи обуславливают не только физические, но и все химические характеристики веществ. Остановимся на них подробнее.

Кальций и магний и особенности свойств их соединений

Оба элемента являются типичными представителями активных металлов и могут взаимодействовать с кислородом и водой. Продуктом первой реакции является основный оксид. Гидроксид образуется вследствие экзотермического процесса, идущего с выделением большого количества теплоты. Основания кальция и магния представляют собой малорастворимые белые порошковидные вещества. Для соединения кальция часто применяют следующие названия: известковое молоко (если это суспензия в воде) и известковая вода. Будучи типичным основным гидроксидом, Са(ОН)₂ взаимодействует с кислотными и амфотерными оксидами, кислотами и амфотерными основаниями, например, с гидроксидами алюминия и цинка. В отличие от типичных щелочей, устойчивых к нагреванию, соединения магния и кальция под действием температуры разлагаются на оксид и воду. Оба основания, особенно Са(ОН)₂, широко используются в промышленности, сельском хозяйстве и в бытовых нуждах. Рассмотрим их применение далее.

Области применения соединений кальция и магния

Хорошо известно, что в строительстве применяют химический материал, называемый пушенкой или гашеной известью. Это - основание кальция. Чаше всего его получают реакцией воды с основным оксидом кальция. Химические свойства основных гидроксидов позволяют широко использовать их в различных отраслях народного хозяйства. Напимер, для очистки примесей в производстве сахара-сырца, для получения хлорной извести, в отбеливании хлопчатобумажной и льняной пряжи. До изобретения ионообменников – катионитов, основания кальция и магния применяли в технологиях умягчения воды, что позволяло избавиться от гидрокарбонатов, ухудшающих ее качество. Для этого воду кипятили с небольшим количеством кальцинированной соды или гашеной извести. Водную суспензию гидроксида магния можно применять в качестве лечебного средства больным гастритом для снижения кислотности желудочного сока.

Свойства основных оксидов и гидроксидов

Наиболее важными для веществ это группы являются реакции с кислотными оксидами, кислотами, амфотерными основаниями и солями. Интересно, что нерастворимые основания, например, такие как гидроксиды меди, железа или никеля нельзя получить прямой реакцией оксида с водой. В этом случае в лаборатории пользуются реакцией между соответствующей солью и щелочью. В результате образуются основания, которые выпадают в осадок. Например, так получают голубой осадок гидроксида меди, зеленый осадок основания двухвалентного железа. В дальнейшем их выпаривают до твердых порошковидных веществ, относящихся к нерастворимым в воде гидроксидам. Отличительная особенность этих соединений заключается в том, что при действии высоких температур они разлагаются на соответствующий оксид и воду, чего нельзя сказать о щелочах. Ведь растворимые в воде основания являются термически стойкими.

Способность к электролизу

Продолжая изучать основные свойства гидроксидов, остановимся еще на одной черте, по которой можно отличить основания щелочных и щелочно-земельных металлов от нерастворимых в воде соединений. Это невозможность последних диссоциировать на ионы под действием электрического тока. Напротив, расплавы и растворы гидроксидов калия, натрия, бария, стронция легко подвергаются электролизу и являются проводниками второго рода.

Получение оснований

Говоря о свойствах этого класса неорганических веществ, мы частично перечислили химические реакции, лежащие в основе их получения в лабораторных и промышленных условиях. Наиболее доступным и экономически выгодным можно считать способ термического разложения природного известняка, в результате которого получить негашеную известь. Если провести реакцию с водой, то она образует гидроксид основного характера – Са(ОН)₂. Смесь этого вещества с песком и водой называют строительным раствором. Его продолжают использовать для оштукатуривания стен, для связки кирпичей и в других видах строительных работ. Щелочи также можно получить реакцией соответствующих оксидов водой. Например: К₂О + Н₂О = 2КОН. Процесс является экзотермическим идет с выделением большого количества теплоты.

Взаимодействие щелочей с кислотными и амфотерными оксидами

К характерным химическим свойствам растворимых в воде оснований можно отнести их способность образовывать соли в реакциях с оксидами, содержащими в молекулах атомы неметаллов, например, такими, как углекислый газ, диоксид серы или оксид кремния. В частности, гидроксид кальция используют для осушения газов, а гидроксиды натрия и калия для получения соответствующих карбонатов. Оксиды цинка и алюминия, относящиеся к амфотерным веществам, могут взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами. В последнем случае могут образовываться комплексные соединения, например, такие, как гидроксоцинкат натрия.

Реакция нейтрализации

Одним из наиболее важных свойств оснований, как нерастворимых в воде, так и щелочей, является их способность реагировать с неорганическими или органическими кислотами. Данная реакция сводится к взаимодействию между собой двух видов ионов: водорода и гидроксильных групп. Оно приводит к образованию молекул воды: HCI + КОН = KCI + Н₂О . С точки зрения теории электролитической диссоциации вся реакция сводится к образованию слабого малодиссоциированного электролита – воды.

В приведенном примере образовалась средняя соль – хлорид калия. Если же для реакции взяты гидроксиды основного характера в количестве меньшем, чем нужно для полной нейтрализации многоосновной кислоты, то при выпаривании образовавшегося продукта обнаруживаются кристаллы кислой соли. Реакция нейтрализации играет важную роль в метаболических процессах, протекающих в живых системах – клетках и позволяет им с помощью собственных буферных комплексов нейтрализовать избыточное количество ионов водорода, накапливающихся в реакциях диссимиляции.