Основания в химии: основные свойства и получение (общая характеристика и применение)

История

Понятие основания возникло в XVII веке и впервые было введено в химию французским химиком Гийомом Франсуа Руэлем в 1754 году. Он заметил, что кислоты, известные в то время как летучие жидкости (например, уксусная или соляная кислота), превращаются в кристаллические соли только в сочетании с определенными веществами. Руэль предположил, что эти вещества служат «основами» для образования солей в твердом виде.

Единая теория кислот и оснований была впервые выдвинута шведским физикохимиком С. Аррениусом в 1887 г. В рамках своей теории Аррениус определил кислоту как вещество, при диссоциации которого образуются протоны Н+, а основание, как вещество, дающее при диссоциации гидроксид-ионы ОН-. Однако теория Аррениуса имела свои недостатки: например, она не учитывала влияние растворителя на кислотно-щелочной баланс, а также была неприменима к неводным растворам.

В 1924 г. Э. Франклин создал теорию растворителя, согласно которой основание определяется как соединение, которое при диссоциации увеличивает число тех же анионов, которые образуются при диссоциации растворителя.

Современное определение

Начиная с 1923 г основание стали определять в рамках широко используемых в настоящее время теорий Бренстеда-Лоури и Льюиса.

Основание в теории Брёнстеда — Лоури

В протонной теории кислот и оснований, изложенной независимо друг от друга в 1923 датским учёным Дж. Бронстедом и английским учёным Т. Лоури, основанием Бренстеда называют соединение или ион, способные принимать (расщеплять) протон от кислоты. Следовательно, кислота Бренстеда является донором протона, и взаимодействие кислоты с основанием сводится к переносу протона. Когда основание Бренстеда В реагирует с кислотой, такой как вода, основание становится сопряженной кислотой ВН+, а кислота становится сопряженным основанием.

Основание в теории Льюиса

Кислота Льюиса (А) является акцептором электронной пары основания Льюиса (В) и образует с ним ковалентную связь

Согласно электронной теории, предложенной в 1923 американским физико-химиком Г. Льюисом, основанием называется вещество, способное отдать пару электронов для образования связи с кислотой Льюиса. Основаниями Льюиса могут быть амины R3N, спирты ROH, простые эфиры ROR, тиолы RSH, тиоэфиры RSR, анионы, соединения с π-связью. В зависимости от орбитали, на которой находится пара электронов, участвующих в реакции, основания Льюиса делятся на n-, σ- и π-типы; электронные пары для этих типов расположены соответственно на несвязывающих, σ- и π-орбиталях.

Основные понятия в теориях Льюиса и Бренстеда-Лоури совпадают: согласно обеим теориям основания отдают пару электронов для образования связи. Разница лишь в том, где расходуется эта пара электронов. Благодаря этому основания Бренстеда образуют связь с протоном, а основания Льюиса — с любой частицей, имеющей пустую орбиталь. Поэтому существенные различия между этими теориями касаются понятия кислоты, а не основания.

Теория Льюиса не дает количественной оценки способности оснований реагировать с кислотами Льюиса. Однако для качественной оценки широко используется принцип жестких и мягких кислот и оснований Пирсона (принцип HSCA), согласно которому жесткие кислоты реагируют преимущественно с жесткими основаниями, а мягкие кислоты — с мягкими основаниями. Согласно Пирсону, твердые основания — это основания, донорный центр которых имеет низкую поляризуемость и высокую электроотрицательность. Напротив, мягкие основания являются донорными частицами с высокой поляризуемостью и низкой электроотрицательностью. Жесткие и мягкие кислоты обладают теми же свойствами, что и жесткие и мягкие основания соответственно, с тем отличием, что они являются акцепторными частицами.

Классификация оснований и кислот по принципу GMKO

Твердые основания Промежуточные основания Мягкие основания жесткие кислоты Промежуточные кислоты Мягкие кислоты

Критерий GMCA не имеет количественных параметров, однако основания Льюиса можно грубо расположить в ряд на основе их основности Льюиса.

Основание в общей теории Усановича

В общей теории кислот и оснований, созданной М. И. Усановичем в 1939 г., основание определяется как вещество, отдающее анионы (или электроны) и принимающее катионы. Таким образом, в рамках теории Усановича в понятие основания входят как основания Бренстеда, так и основания Льюиса, а также восстановители. При этом само понятие основности, как и кислотности, в общей теории Усановича рассматривается с точки зрения вещества, проявление которого зависит не от самого вещества, а от его партнера по реакции.

Номенклатура оснований

Названия оснований образуются очень просто: сначала идет слово «гидроксид», а затем название металла, входящего в это основание. Если металл имеет переменную валентность, это отражается в названии.

КОН — гидроксид калия
Ca(OH)2 — гидроксид кальция
Fe(OH)2 — гидроксид железа(II)
Fe(OH)3 — гидроксид железа(III)

Существует также основание NH4OH (гидроксид аммония), где гидроксильная группа связана не с металлом, а с катионом аммония NH4+.

Тривиальные названия некоторых оснований

Формула

Имя

Классификация оснований

По растворимости в воде

В зависимости от растворимости в воде различают:

• щелочь. Эти основания растворимы в воде: NaOH, KOH, Ba(OH)2 и другие. Ca(OH) 2 хотя и мало растворим, но тоже относится к щелочам из-за своей едкости;
• нерастворимые основания. К таким основаниям относятся Fe(OH)2, Cu(OH)2 и др;
• амфотерные гидроксиды. К амфотерным основаниям относятся те основания, которые образованы металлами со степенью окисления +3 или +4. Эти основания отличаются тем, что они проявляют как основные, так и кислотные свойства.Существуют также основания, амфотерные, но образованные металлом с другой степенью окисления: Zn(OH)2, Pb(OH)2, Sn(OH)2, Be(OH)2.

Помните, что растворимость мы проверяем по таблице растворимости кислот и оснований в воде.

По числу гидроксогрупп

В зависимости от количества гидроксильных групп, которые могут быть заменены кислотным остатком, различают следующие типы оснований:

• монокислота: KOH, NaOH;
• две кислоты: Fe(OH)2, Ba(OH)2;
• трикислоты: Al(OH)3, Fe(OH)3.

Сила оснований

Количественное описание силы оснований

Теория Бренстеда-Лоури позволяет количественно определить силу оснований, то есть их способность отделять протон от кислот. Обычно это делается с использованием константы основности Kb, константы равновесия реакции основания с эталонной кислотой, в качестве которой выбрана вода. Чем выше константа основности, тем больше сила основания и больше его способность отделять протон. Константу основности часто выражают как индекс константы основности pKb.

Для многоосновных оснований используют несколько констант диссоциации Kb1, Kb2 и т д. Например, ион фосфата может быть протонирован трижды.

Например, вода — слабая кислота, и при удалении протона она становится сильным основанием: гидроксид-ионом ОН−.

Значения pKb некоторых оснований и pKa их сопряженных кислот в разбавленных водных растворах

Базовая формула Конъюгированная кислотная формула pKbpKa (BH+) Базовая формула Конъюгированная кислотная формула pKbpKa (BH+)

Физические свойства оснований

Основания в нормальных условиях представляют собой нелетучие кристаллические вещества без запаха, преимущественно белого цвета. В таблице представлены базы, имеющие разный цвет.

Основной цвет

Примеры

Химические свойства оснований

Все базы делятся на:

Помните, что бериллий и магний не являются щелочноземельными металлами.

Помимо растворимости в воде, щелочи также очень хорошо диссоциируют в водных растворах, в то время как нерастворимые основания имеют низкую степень диссоциации.

Эта разница в растворимости и способности к диссоциации между щелочами и нерастворимыми гидроксидами приводит, в свою очередь, к заметным различиям в их химических свойствах. Так, в частности, щелочи являются более химически активными соединениями и часто способны участвовать в тех реакциях, в которых не участвуют нерастворимые основания.

Взаимодействие с кислотами

В результате реакции между щелочью и кислотой образуется солевой раствор, в котором уже нет ни щелочи, ни кислоты. Такой раствор называется нейтральным. Слово «нейтральный» происходит от греческого «нейтральный», что в переводе на русский язык означает «ни то, ни другое».

Помните, что реакция между щелочью и кислотой, в результате которой образуется нейтральный раствор, называется реакцией нейтрализации.

Взаимодействие оснований с амфотерными оксидами и гидроксидами

Все щелочи реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами. Если реакцию проводят сплавлением амфотерного оксида или гидроксида с твердой щелочью, такая реакция приводит к образованию свободных водородных солей:

При использовании водных растворов щелочей образуются гидроксокомплексные соли:

В случае алюминия под действием избытка концентрированной щелочи вместо соли NaAl(OH)4 образуется соль Na3Al(OH)6.

Взаимодействие с кислотными оксидами

Например, если вступает в реакцию кислый оксид СО2, которому соответствует кислота Н2СО3 (указанная в скобках), то в состав соли будет входить остаток этой кислоты: СО3, валентность которого, как вы уже знаете, Yo:

Если в реакцию вступает кислотный оксид Р2О5, которому соответствует кислота Н3РО4 (указанная в квадратных скобках), то образующаяся соль будет содержать остаток этой кислоты — РО4 с валентностью, равной III.

Взаимодействие оснований с солями

Любое основание реагирует с любой солью только при одновременном выполнении двух условий:

1) растворимость исходных соединений;

2) наличие осадка или газа среди продуктов реакции.

Растворы щелочей изменяют окраску индикатора

Ионы гидроксида, содержащиеся в щелочном растворе, взаимодействуют с индикатором и образуют новые соединения. Признаком реакции является окраска раствора.

Термическое разложение

Все нерастворимые основания при нагревании разлагаются по общей схеме:

Краткие выводы:

1. Основания делятся на растворимые в воде (щелочи) и нерастворимые.
2. Все основания реагируют с кислотами. Растворимые основания реагируют с кислыми оксидами и солями. Нерастворимые основания подвергаются термическому разложению.

Получение оснований

Взаимодействие металла с водой

Активные металлы (металлы групп IA и IIA, кроме Be и Mg) в нормальных условиях активно взаимодействуют с водой с образованием щелочей.

Этим методом нельзя получить нерастворимые основания, за исключением Mg(OH)2.

Металл + вода = гидроксид металла + водород

Например: Na + H2O = NaOH + H2↑

Таким способом можно получить гидроксид магния, но только при нагревании.

Взаимодействие оксидов щелочных и щелочноземельных металлов с водой

Таким способом получают только водорастворимые основания.

оксид металла + вода = щелочь

Например: СаО + Н2О = Са(ОН)2

Электролиз

Гидроксид натрия и калия получают в промышленности электролизом: через раствор хлорида калия пропускают постоянный электрический ток:

KCl + H2O = КОН + H2↑ + Cl2↑

Электролиз хлорида натрия протекает по аналогичной схеме.

Получение нерастворимых оснований при взаимодействии соли со щелочью

Растворимая соль + щелочь = нерастворимое основание + другая соль

Например: Cu(NO3)2 + 2KOH = Cu(OH)2↓ + 2KNO3

Применение

Физико-химические свойства оснований сделали их незаменимыми веществами во всех отраслях промышленности, использующих химические технологии:

• в горнодобывающей и металлургической промышленности;
• в производстве товаров народного потребления, косметики, продуктов питания и фармацевтики;
• в производстве красителей, бытовой химии и удобрений;
• в химической и топливной промышленности;
• в строительстве и многих других областях.

Наибольшее распространение получили щелочи, но нерастворимые основания применяются также в производстве полимеров, на очистных сооружениях, в медицине и электротехнике.

Разница между сильными и слабыми основаниями

Определение

Сильные основания: сильное основание — это соединение, которое может полностью диссоциировать на катион и ион гидроксила в водном растворе.

Слабые основания: Слабое основание — это соединение, которое частично диссоциирует на ион гидроксида и катион, создавая условия равновесия.

Диссоциация

Сильные основания: Сильные основания диссоциируют на ионы почти на 100%.

Слабые основания: слабые основания частично диссоциируют на ионы.

pH

Сильные основания: значение pH ближе к 14 указывает на сильное основание.

Слабые основания: значение pH ближе к 7, но больше 7 указывает на слабое основание.

ПКБ

Сильные основания: значение pKb для сильных оснований почти равно нулю или очень низкое.

Слабые основания: значение pKb для слабых оснований очень велико.

Реактивность

Сильные основания: Сильные основания очень реактивны.

Слабые основания: слабые основания менее реактивны, чем сильные основания.

Резюме

Основания представляют собой класс неорганических веществ, которые использовались с древних времен. Благодаря наличию гидроксигруппы обладает особыми химическими свойствами. Основания позволяют учитывать поведенческие характеристики других классов неорганических соединений, таких как кислотные и амфотерные оксиды, кислоты, кислые соли и среды.