Щелочами называются растворимые в воде сильные основания.
Рассмотрим еще раз типичные реакции нейтрализации между щелочью и кислотой при помощи структурных формул:
Такая схема наглядно показывает различие между кислотами и основаниями: кислоты склонны отщеплять атомы водорода, а основания – гидрокси-группы. В реакцию нейтрализации с кислотами вступают любые основания, а не обязательно только щелочи.
Разные основания имеют разную способность отщеплять гидрокси-группы, поэтому их, подобно кислотам, подразделяют на сильные и слабые основания (таблица 4.5). Сильные основания в водных растворах склонны легко отдавать свои гидрокси-группы, а слабые – нет.
Таблица 4.5. Классификация оснований по силе.
| Сильные основания | Слабые основания |
| NaOH гидроксид натрия (едкий натр) | Mg(OH)2 гидроксид магния |
| KOH гидроксид калия (едкое кали) | Fe(OH)2 гидроксид железа (II) |
| LiOH гидроксид лития | Zn(OH)2 гидроксид цинка |
| Ba(OH)2 гидроксид бария | NH4OH гидроксид аммония |
| Ca(OH)2 гидроксид кальция (гашеная известь) | Fe(OH)3 гидроксид железа (III) |
| и т.д. (большинство гидроксидов металлов) |
Не следует путать силу основания и его растворимость. Например, гидроксид кальция сильное основание, хотя его растворимость в воде не велика. В данном случае сильным основанием (щелочью) мы называем ту часть гидроксида кальция, которая растворена в воде.
Сила основания важна в реакциях со слабыми кислотами. Слабое основание и слабая кислота реагируют лишь в незначительной степени. Напротив, сильное основание легче реагирует с любой кислотой независимо от её силы.
| 2 NH4OH | + | H2S | = | (NH4)2S | + | 2 H2O |
| слабое основание | слабая кислота | реакция протекает лишь в незначительной степени (мало продуктов реакции) | ||||
| 2 NaOH | + | H2S | = | Na2S | + | 2 H2O |
| сильное основание | слабая кислота | продуктов реакции больше |
Еще одно важное химическое свойство оснований – способность разлагаться при нагревании на воду и основной оксид.
Cu(OH)2 = CuO + H2O (при нагревании)
2 Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3 H2O (при нагревании)
Растворы щелочей окрашивают индикаторы: лакмус – в синий цвет, фенолфталеин – в малиновый цвет. Индикатор метиловый оранжевый (или метилоранж) в растворах щелочей имеет желтый цвет.
Амфотерные основания.
Гидроксид цинка Zn(OH)2 является малорастворимым основанием. Его можно получить, действуя щелочью на какую-нибудь растворимую соль цинка – при этом Zn(OH)2 выпадает в осадок:
ZnCl2 + 2 NaOH = Zn(OH)2 + 2 NaCl
Подобно всем другим основаниям, осадок гидроксида цинка легко растворяется при добавлении какой-нибудь кислоты:
Zn(OH)2 + H2SO4 = ZnSO4 + 2 H2O
Если же вместо кислоты к осадку гидроксида цинка добавить избыток щелочи, то он также растворяется, чего не происходит с другими гидроксидами. Почему Zn(OH)2 растворяется в щелочи?
Это явление объясняется тем, что в присутствии избытка сильного основания гидроксид цинка способен отдавать атомы водорода, подобно кислоте:
| Zn(OH)2 | + | 2 NaOH | = | Na2ZnO2 | + | 2 H2O |
| гидроксид цинка | щелочь | соль | вода | |||
| H2ZnO2 | + | 2 NaOH | = | Na2ZnO2 | + | 2 H2O |
| цинковая кислота | щелочь | соль | вода |
Происходит реакция нейтрализации наподобие той, которая могла бы произойти между NaOH и кислотой. Эта кислота (цинковая кислота H2ZnO2) и гидроксид цинка Zn(OH)2 являются одним и тем же соединением! Сокращенная (но не структурная) формула этого соединения может быть записана двумя способами:
Zn(OH)2 или H2ZnO2 – это две сокращенные формулы;
H–O–Zn–O–H единственная структурная формула.
Поскольку прочность связей Н–О и O–Zn сравнимы между собой, гидроксид цинка способен быть как основанием в присутствии кислоты, так и кислотой – в присутствии основания:
| H2SO4 | 2 NaOH | |||
| 2 H2O + ZnSO4 | = | Zn(OH)2 = H2ZnO2 | = | Na2ZnO2 + 2 H2O |
| реагирует как основание | реагирует как кислота |
Данное свойство гидроксидов называется амфотерностью.
Амфотерными называются такие гидроксиды, которые способны отдавать в реакциях с другими соединениями как атомы (ионы) водорода, так и гидрокси-группы (анионы гидроксила).
Помимо гидроксида цинка, амфотерными свойствами обладают гидроксиды некоторых других металлов: Al(OH)3, Cr(OH)3, Be(OH)2, Sn(OH)4, Pb(OH)2.
Объяснение проявления амфотерности у одних металлов и отсутствие ее у других следует искать в теории химической связи.
Можно заметить, что амфотерные свойства проявляют те металлы, которые в Периодической таблице находятся наиболее близко к неметаллам. Как известно, неметаллы обладают большей электроотрицательностью (по сравнению с металлами), поэтому их связь с кислородом носит ковалентный характер и отличается значительной прочностью.
Связи между металлами и кислородом, как правило, ионные (из-за низкой электроотрицательности металлов). Такие связи часто менее прочны, чем ковалентные.
Рассмотрим структурные формулы трех разных соединений: гидроксида бора B(OH)3, гидроксида алюминия Al(OH)3 и гидроксида кальция Ca(OH)2.
Соединение B(OH)3 имеет внутри молекулы наиболее «ковалентную» связь бора с кислородом, поскольку бор ближе по электроотрицательности к кислороду, чем Al и Сa. Из-за высокой электроотрицательности бору энергетически выгоднее входить в состав отрицательно заряженной частицы – то есть кислотного остатка. Поэтому формулу B(OH)3 чаще записывают как H3BO3:
H3BO3 = 3H+ + BO33- (в растворе)
Кальций – наименее электроотрицательный из этих элементов, поэтому в его молекуле связь Са–О носит ионный характер. Из-за низкой электроотрицательности для кальция выгодно существование в виде катиона Ca2+:
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH- (в растворе)
В связи с этим в структурных формулах пунктирными линиями отмечены связи, разрыв которых энергетически более выгоден.
Структурные формулы показывают, что соединение B(OH)3 будет легче отдавать ионы водорода, чем ионы гидроксида, т.е. является кислотой (и по традиции должно быть записано сокращенной формулой H3BO3). Напротив, Ca(OH)2 – типичное основание. Гидроксид алюминия, в котором центральный атом имеет промежуточную электроотрицательность, может проявлять как свойства кислоты, так и основания – в зависимости от партнера по реакции нейтрализации. Это наблюдается в действительности. В первой из приведенных ниже реакций Al(OH)3 реагирует как обычное основание, а в следующих – как кислота:
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6 H2O.
Al(OH)3 = H3AlO3 + NaOH = NaH2AlO3 + H2O, причем если реакцию проводить при нагревании, то соль NaH2AlO3 теряет одну молекулу воды и образуется алюминат натрия NaAlO2. В растворе алюминат натрия, наоборот, легко присоединяет воду и существует в виде соли Na[Al(OH)4]. Итак:
Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2 H2O (при сплавлении);
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] (при добавлении раствора NaOH без нагревания).
У цинка электроотрицательность практически такая же, как у алюминия (1,65), поэтому гидроксид цинка Zn(OH)2 проявляет похожие свойства. Таким образом, амфотерные гидроксиды взаимодействуют как с растворами кислот, так и с растворами щелочей.