Получение и химические свойства неорганических оснований

Основания. Химические свойства и способы получения

Основания – сложные вещества, которые состоят из катиона металла Ме⁺ (или металлоподобного катиона, например, иона аммония NH₄⁺) и гидроксид-аниона ОН^—.

По растворимости в воде основания делят на растворимые (щелочи) и нерастворимые основания. Также есть неустойчивые основания, которые самопроизвольно разлагаются.

Получение оснований

1. Взаимодействие основных оксидов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое основание (щелочь). Т.е. таким способом можно получить только щёлочи:

основный оксид + вода = основание

Например, оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):

Na₂O + H₂O → 2NaOH

При этом оксид меди (II)  с водой не реагирует:

CuO + H₂O ≠

2. Взаимодействие металлов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только щелочные металлы (литий, натрий, калий. рубидий, цезий), кальций, стронций и барий. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, окислителем выступает водород, восстановителем является металл.

металл + вода = щёлочь + водород

Например, калий реагирует с водой очень бурно:

2K⁰ + 2H₂⁺O →  2K⁺OH + H₂⁰

 3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов. Как правило, для получения щелочей электролизу подвергают растворы солей, образованных щелочными или щелочноземельными металлами и бескилородными кислотами (кроме плавиковой) – хлоридами, бромидами, сульфидами и др

Например, электролиз хлорида натрия:

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

4. Основания образуются при взаимодействии других щелочей с солями. При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:

щелочь + соль₁ = соль₂↓ + щелочь

Ca(OH)₂  + K₂CO₃→ CaCO₃↓ + 2KOH

либо

щелочь + соль₁ = соль₂ + основание↓

 2NaOH + CuCl₂→ Cu(OH)₂↓ + 2NaCl

Химические свойства нерастворимых оснований

1. Нерастворимые основания взаимодействуют с сильными кислотами и их оксидами  (и некоторыми средними кислотами). При этом образуются соль и вода.

нерастворимое основание + кислота = соль + вода

 Cu(OH)₂ + 2HCl = CuCl₂ + 2H₂O

Cu(OH)₂ + Н₂SO₄ = CuSO₄ + 2H₂O

нерастворимое основание + кислотный оксид = соль + вода

 Cu(OH)₂ + SO₃ = CuSO₄ + 2H₂O

При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:

Cu(OH)₂ + CO₂ ≠

Al(OH)₃ + CO₂  ≠

 Cu(OH)₂ + SO₂≠

То есть нерастворимые основания не реагируют с нерастворимыми кислотами или с неустойчивыми кислотами. Реакция возможна, только если хотя бы один реагент сильный. Либо основание сильное, либо кислота, если кислотный оксид, ему должна соответствовать сильная кислота.

2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду.

Например, гидроксид железа (III) разлагается на оксид железа (III)  и воду при прокаливании:

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.

нерастворимое оснвоание + амфотерный оксид  ≠

Cu(OH)₂ + Al₂O₃≠

нерастворимое основание + амфотерный гидроксид  ≠

Cu(OH)₂ +Al(OH)₃ ≠

4. Некоторые нерастворимые основания могут выступать в качестве восстановителей. Восстановителями являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления, которые могут повысить свою степень окисления (гидроксид железа (II), гидроксид хрома (II) и др.).

Например, гидроксид железа (II) можно окислить кислородом воздуха в присутствии воды до гидроксида железа (III):

4Fe⁺²(OH)₂ + O₂⁰ + 2H₂O → 4Fe⁺³(O^-2H)₃

Химические свойства щелочей (растворимых оснований)

1. Щёлочи взаимодействуют с любыми кислотами – и сильными, и слабыми. При этом образуются средняя соль и вода. Эти реакции называются реакциями нейтрализации. Возможно и образование кислой соли, если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты. В избытке щёлочи образуется средняя соль и вода:

Например, гидроксид натрия при взаимодействии с трёхосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: фосфаты, дигидрофосфаты,  или гидрофосфаты.

щёлочь_{(избыток)}+ кислота = средняя соль + вода

. соотношении количества щелочи и кислоты 3:1 3NaOH + H₃PO₄ → Na₃PO₄ + 3H₂O

щёлочь + многоосновная кислота_{(избыток)} = кислая соль + вода

(соотношении количеств веществ) реагентов 1:1NaOH + H₃PO₄  → NaH₂PO₄ + H₂O

соотношении количества щелочи и кислоты 2:1 2NaOH + H₃PO₄ → Na₂HPO₄ + 2H₂O

2NaOH + Н₂SO₄  = Na₂SO₄ + 2H₂O

NaOH + Н₂SO₄  = NaНSO₄ + H₂O

2. Щёлочи взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами. При этом в расплаве образуются обычные соли, а в растворе – комплексные соли.

щёлочь (расплав) + амфотерный оксид = средняя соль + вода

2NaOH + Al₂O₃ = 2NaAlO₂ + H₂O

щёлочь (расплав) + амфотерный гидроксид = средняя соль + вода

NaOH + Al(OH)₃ = NaAlO₂ + 2H₂O

щёлочь (раствор) + амфотерный оксид = комплексная соль

2NaOH + Al₂O₃ + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

щёлочь (раствор) + амфотерный гидроксид = комплексная соль

NaOH + Al(OH)₃ = Na[Al(OH)₄]

Например, при взаимодействии гидроксида алюминия с гидроксидом натрия в расплаве образуется алюминат натрия.

А в растворе образуется комплексная соль:

3. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами. При этом возможно образование кислой или средней соли, в зависимости от мольного соотношения щёлочи и кислотного оксида. В избытке щёлочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида образуется кислая соль:

а) избытка гидроксида натрия 

щёлочь_{(избыток)} + кислотный оксид = средняя соль + вода

2NaOH_{(избыток)}  + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

б) избытка углекислого газа 

щёлочь + кислотный оксид_{(избыток)} = кислая соль

NaOH + CO_{2(избыток)}  = NaHCO₃ 

4. Щёлочи взаимодействуют с солями. Щёлочи реагируют только с растворимыми солями в растворе, при условии, что в продуктах образуется газ или  осадок. Такие реакции протекают по механизму ионного обмена.

Щёлочи взаимодействуют с растворами солей металлов, которым соответствуют нерастворимые или неустойчивые гидроксиды.

щёлочь + растворимая соль = соль + соответствующий гидроксид

^-  2Na⁺OH^—+ Cu²⁺SO₄²= Na₂⁺SO₄^2- +Cu²⁺(OH)₂^—↓

Также щёлочи взаимодействуют с растворами солей аммония.

Например, гидроксид калия взаимодействует с раствором нитрата аммония:

K⁺OH^— + NH₄⁺NO₃^—  = K⁺NO₃^— + NH₃↑ + H₂O

! При взаимодействии солей амфотерных металлов с избытком щёлочи образуется комплексная соль !

Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Если соль, образованная металлом, которому соответствует амфотерный гидроксид, взаимодействует с небольшим количеством щёлочи, то протекает обычная обменная реакция, и в осадок выпадает гидроксид этого металла.

Например, избыток сульфата цинка реагирует в растворе с гидроксидом калия:

соль амф.металла_{(избыток)} + щёлочь = амфотерный гидроксид↓ + соль

ZnSO_{4(избыток)}   + 2KOH = Zn(OH)₂↓ + K₂SO₄

Однако, в данной реакции образуется не основание, а амфотерный гидроксид. А, как мы уже указывали выше, амфотерные гидроксиды растворяются в избытке щелочей с образованием комплексных солей. Таким образом, при взаимодействии сульфата цинка с избытком раствора щёлочи образуется комплексная соль, осадок не выпадает:

соль амф.металла + щёлочь_{(избыток)} = комплексная соль + соль

ZnSO₄ + 4KOH_{(избыток)}  = K₂[Zn(OH)₄] + K₂SO₄

Таким образом, получаем 2 схемы взаимодействия солей металлов, которым соответствуют амфотерные гидроксиды, с щелочами:

5. Щёлочи взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, либо менее кислые соли.

кислая соль + щёлочь = средняя соль + вода

KHSO₃ + KOH = K₂SO₃ + H₂O

6. Щёлочи взаимодействуют с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, Если металл амфотерный, в растворе образуется комплексная соль и водород, в расплаве — средняя соль и водород.

! Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых в амфотерном оксиде металл с минимальной положительной степенью окисления!

Например, железо и хром не реагируют с раствором щёлочи, так как железо и хром проявляют минимальную степень окисления +2 в оксид железа (II) и оксид хрома (II) — это основные оксиды. То есть в амфотерных оксидах степень окисления железа и хрома не минимальная, она равна +3.

Fe + NaOH≠

А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный и алюминий в нём в минимальной степени окисления +3:

2Al + 2NaOH + 6H₂⁺O = 2Na[Al⁺³(OH)₄] + 3H₂⁰

7. Щёлочи взаимодействуют с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах. Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):

NaOH +О₂ ≠

NaOH +N₂ ≠

NaOH +C ≠

Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.

Например, в растворе:

2NaOH + Si⁰ + H₂⁺O=  Na₂Si⁺⁴O₃ + 2H₂⁰

Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).

Сера S, селен Se и теллур Te растворяются в концентрированном растворе щелочи:

При н.у. образуется тиосульфат - K₂S₂O₃

4S + 6KOH =2K₂S + K₂S₂O₃ + 3H₂O,

При нагревании и когда щёлочь концентрирован образуется сульфит

3S + 6KOH =2K₂S + K₂SO₃ + 3H₂O,

3Se + 6NaOH = Na₂SeO₃ + 2Na₂Se + 3H₂O
3Te + 6NaOH = Na₂TeO₃ + 2Na₂Te + 3H₂O

Например, хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:

2NaOH +Cl₂⁰ = NaCl^— + Na Cl⁺ O+ H₂O

Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:

6NaOH +Cl₂⁰ = 5NaCl^— + NaCl⁺⁵O₃ + 3H₂O

Фтор окисляет щёлочи:

2F₂⁰ + 4NaO^-2H = O₂⁰ + 4NaF^— + 2H₂O

4F₂ + 6NaOH (разб. ) = 6NaF + OF₂+ О₂+ 3H₂O,

Бром Br₂ и йод I₂ реагируют единственным образом переходят в степени окисления -1 и +5:
3Br₂ + 6NaOH = 5NaBr + NaBrO₃ + 3H₂O
3I₂ + 6NaOH = 5NaI + NaIO₃ + 3H₂O

Фосфор при нагревании -3 и +1

4P + 3NaOH + 3H₂O = 3NaH₂PO₂ + PH₃.

Белый фосфор P₄ также растворим в концентрированной щелочи:
Р₄+ 3NaOH + 3H₂O = 3NaH₂PO₂ + PH₃

8. Щёлочи не разлагаются при нагревании.

Исключение — гидроксид лития:

2LiOH = Li₂O + H₂O