Ещё со школы нам известно, что основаниями называют соединения, где атомы металла связаны с одной или несколькими гидроксогруппами — KOH, Ca(OH)2 и т. п. Однако понятие «основания» на самом деле шире, и существует две теории оснований — протонная (теория Брёнстеда — Лоури) и электронная (теория Льюиса). Основания и кислоты Льюиса мы рассмотрим в отдельной статье, поэтому возьмём определение из теории Брёнстеда (далее в данной статье — только основания Брёнстеда): Основания (гидроксиды) — это вещества или частицы, способные принимать (отщеплять) протон от кислоты. Согласно такому определению, свойства основания зависят от свойств кислоты — например, вода или уксусная кислота ведут себя как основания в присутствии более сильных кислот:
H2SO4 + H2O ⇄ HSO4— + H3O+(катион гидроксония)
H2SO4 + CH3COOH ⇄ HSO4— + CH3COOH2+
Классификация оснований
Основания можно классифицировать по следующим признакам:
- По растворимости основания делят на растворимые — щёлочи (NaOH, KOH) и нерастворимые основания (Ca(OH)2, Al(OH)3).
- По кислотности (количеству гидроксогрупп) основания делят на однокислотные (KOH, LiOH) и многокислотные (Mg(OH2), Al(OH)3).
- По химическим свойствам их делят на оснóвные (Ca(OH)2, NaOH) и амфотерные, то есть проявляющие как основные свойства, так и кислотные (Al(OH)3, Zn(OH)2).
- По силе (по степени диссоциации) различают: а) сильные (α = 100 %) – все растворимые основания NaOH, LiOH, Ba(OH)2, малорастворимый Ca(OH)2. б) слабые (α < 100 %) – все нерастворимые основания Cu(OH)2, Fe(OH)3 и растворимое NH4OH.
Кислоты и щелочи в нашем организме
Для переваривания пищи организм использует желудочный сок, в состав которого входят соляная кислота и различные ферменты. Иногда, особенно после переедания, мы можем почувствовать боль в желудке. Чаще всего для снятия неприятных ощущений достаточно принять антацидный, или противокислотный, препарат, основное действие которого направлено на нейтрализацию соляной кислоты в желудке. Как правило, все антациды — щелочи, и именно они нейтрализуют повышенную активность кислот.
Действие антацидных препаратов
Поделиться ссылкой
Получение
Взаимодействие активного металла с водой:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2
Mg + 2H2O Mg(OH)2 + H2
Взаимодействие основных оксидов с водой (только для щелочных и щелочноземельных металлов):
Na2O + H2O → 2NaOH,
CaO + H2O → Ca(OH)2.
Промышленным способом получения щелочей является электролиз растворов солей:
2NaCI + 4H2O 2NaOH + 2H2 + CI2
Взаимодействие растворимых солей со щелочами, причем для нерастворимых оснований это единственный способ получения:
Na2SO4 + Ba(OH)2 → 2NaOH + BaSO4
MgSO4 + 2NaOH → Mg(OH)2 + Na2SO4.
Номенклатура
Наименования оснований строятся по правилу: «гидроксид + название металла». Если степень окисления металла непостоянна, в названии указывается его валентность: гидроксид железа(III).
Некоторые основания имеют, помимо систематических, тривиальные (традиционные и технические) названия:
| Основание | Тривиальное название |
| гидроксид натрия NaOH | едкий натр; каустик (техн.) |
| гидроксид калия KOH | едкое кали; калиевый щелок |
| гидрат аммиака NH4OH (в растворе – гидроксид аммония) | аммиачная вода |
| гидроксид кальция Ca (OH2) | гашеная известь; пушонка |
| гидроксид бария Ba (OH2) (в растворе) | баритовая вода |
Физические свойства
Все основания являются твердыми веществами, имеющими различную окраску. В воде нерастворимы, кроме щелочей.
Внимание! Щёлочи являются очень едкими веществами. При попадании на кожу растворы щелочей вызывают сильные долгозаживающие ожоги, при попадании в глаза могут вызвать слепоту. При работе с ними следует соблюдать технику безопасности и пользоваться индивидуальными средствами защиты.
Внешний вид оснований. Слева направо: гидроксид натрия, гидроксид кальция, метагидроксид железа
Кислоты и щелочи в природе
Ты уже успел убедиться в том, что вокруг нас — огромное количество кислот и щелочей. Молочные продукты, овощи и фрукты содержат лимонную, яблочную, щавелевую, уксусную, молочную, аскорбиновую и другие кислоты. Трудно поверить, но в косточках вишен и миндаля содержится (хоть и в минимальных количествах) такой сильный яд, как синильная кислота! Известно, что многие насекомые предпочитают защищаться разными кислотами. Никогда не задумывался, почему укусы обыкновенного крошечного муравья бывают такими болезненными? А все потому, что он вспрыскивает в ранку капельки муравьиной кислоты. Эту же кислоту выделяют и кое-какие виды гусениц, а тропические пауки и некоторые жуки защищаются от врагов при помощи уксусной и серной кислот.
ОСТОРОЖНО! Как правило, концентрированные кислоты и щелочи есть во всех школьных каби нетаххимии, и пользоваться ими можно только под руководством учителя.
Химические свойства
Химические свойства оснований с точки зрения теории электролитической диссоциации обусловлены наличием в их растворах избытка свободных гидроксид – ионов ОН—.
Изменение цвета индикаторов:
фенолфталеин – малиновый
лакмус – синий
метиловый оранжевый – желтый
Фенолфталеин придаёт раствору щёлочи малиновую окраску
Взаимодействие с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации):
2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O,
растворимое
Mg(OH)2 + 2HCI → MgCI2 + 2H2O.
нерастворимое
Взаимодействие с кислотными оксидами:
2KOH + SO3 → K2SO4 + H2O
Взаимодействие с амфотерными оксидами и гидроксидами:
а) при плавлении:
2NaOH + AI2O3 → 2NaAIO2 + H2O,
NaOH + AI(OH)3 → NaAIO2 + 2H2O.
б) в растворе:
2NaOH + AI2O3 +3H2O → 2Na[AI(OH)4],
NaOH + AI(OH)3 → Na[AI(OH)4].
Взаимодействие с некоторыми простыми веществами (амфотерными металлами, кремнием и другими):
2NaOH + Zn + 2H2O → Na2[Zn(OH)4] + H2
2NaOH + Si + H2O → Na 2SiO3 + 2H2
Взаимодействие с растворимыми солями с образованием осадков:
2NaOH + CuSO4 → Cu(OH)2 + Na2SO4,
Ba(OH)2 + K2SO4 → BaSO4 + 2KOH.
Кислоты в почве
Оказывается, кислоты есть и в почвах, а способность почвы проявлять свойства кислот называется кислотностью. Этот показатель зависит от наличия в земле ионов водорода. От кислотности почвы зависят рост и развитие растений. Большинство из них предпочитает нейтральные или близкие к ним почвы. Однако есть ряд растений, которые отлично себя чувствуют именно на кислотных почвах, например рододендроны, гортензии, азалии. Некоторые сорта гортензии могут менять цвет бутонов в зависимости от условий выращивания и кислотности почвы. Ученые выяснили, что на цвет бутонов влияет наличие алюминия!
Большинство садовых почв характеризуется достаточным содержанием этого элемента. В кислой среде соединения алюминия превращаются в растворимые и становятся доступными для растений, поэтому и вырастают бутоны голубого цвета. В нейтральной или щелочной среде алюминий находится в виде нерастворимых соединений, поэтому он и не поступает в растения. В результате на таких почвах растут бутоны розового цвета.
Этиламин
Формула: C2H5NH2 Основность (pKb): 3,35
Этиламин — это коррозийный первичный амин. Он является слабым основанием, что означает, что он не ионизируется полностью в водном растворе с образованием катионов этил-аммония и анионов гидроксида.
Равновесие устанавливается между неионизированными молекулами этиламина и двумя ионами, которые образуются в результате его ионизации.
Как и другие первичные амины, этиламин является отличным растворителем для металлического лития. Эти растворы используются для восстановления ненасыщенных органических веществ, таких как алкины и нафталины.
Кроме того, этиламин образует токсичные оксиды азота при сгорании. Обычно его хранят в закрытом контейнере; однако длительное воздействие высоких температур может привести к его резкому разрыву.
Пиридин
Формула: C5H5N Основность (pKb): 8,75
Структура пиридина очень похожа на структуру бензола, но одна метиновая группа заменена атомом азота. Наличие азота (и его одинокой пары) в бензольном кольце делает пиридин уникальным соединением в химии.
Пиридин является значительно более слабым основанием, чем алкиламины и типичные алифатические третичные амины. Это водорастворимая и легковоспламеняющаяся жидкость с неприятным «рыбоподобным» запахом. Хотя чистый пиридин не имеет цвета, нечистые или старые образцы могут казаться желтыми.
Это основание в основном используется для растворения других соединений и изготовления различных продуктов, включая красители, краски, инсектициды, лекарства, пищевые ароматизаторы, витамины, клеи и резиновые изделия. Оно также содержится во многих природных материалах в окружающей среде.
Триметиламин
Формула: N(CH3)3 Основность (pK b): 4,20
Триметиламин — это бесцветный третичный амин, в котором каждый атом водорода замещен метильной группой. Центральный атом азота присоединен к трем метильным группам в тригонально-пирамидальной геометрии.
Триметиламин является газом при комнатной температуре, но хорошо растворяется в воде. Обычно он продается в виде 40% раствора в воде. При более низких концентрациях пахнет гниющей рыбой. При более высоких концентрациях пахнет аммиаком. Кратковременное вдыхание высоких концентраций или длительное вдыхание низких концентраций может вызвать серьезные проблемы со здоровьем.
Соединение является отличным нуклеофилом, что означает, что оно может образовывать связи с электрофилами, отдавая электронную пару. Он имеет несколько промышленных применений — в основном он используется для синтеза регуляторов роста растений, выравнивающих красителей агентов, гидроксида тетраметиламмония и холина.
Метиламин
Формула: CH3NH2 Основность (pKb): 3,34
Метиламин — это обычный алифатический первичный амин, в котором NH2 соединен с углеродной цепью. Все алифатические первичные амины, включая этот, являются более сильными основаниями, чем аммиак.
Как видно из формулы, основное различие между аммиаком и метиламином заключается в наличии у последнего группы CH3. Поскольку алкильная группа отталкивает электроны от себя, на атоме азота накапливается небольшой отрицательный заряд, что делает его одинокую пару еще более привлекательной для ионов водорода.
А поскольку аммиак не имеет электронодонорной группы, он является более слабым основанием, чем метиламин (в котором азот имеет более отрицательный заряд, поэтому он охотнее принимает H+).
Как и аммиак, метиламин представляет собой бесцветный газ или жидкость с резким запахом. Он может легко загореться. При длительном воздействии высоких температур емкости с метиламином могут разорваться. Поэтому обращаться с ним нужно осторожно.
Метиламин продается в основном в виде раствора в тетрагидрофуране, этаноле, метаноле или в виде безводного газа в контейнерах под давлением. Он широко используется для производства пестицидов, поверхностно-активных веществ, фармацевтических препаратов, растворителей краски и химических веществ для резины.
Анилин
Формула: C6H5NH2 Основность (pKb): 9,13
Анилин — это простейший ароматический амин, представляющий собой желто-коричневатую маслянистую жидкость с затхлым рыбным запахом. Он содержит амин, присоединенный к бензольному кольцу.
Более конкретно, одинокая пара над атомом азота в группе NH2 находится в сопряжении с электроном Pi бензольного кольца. Поэтому анилин не может легко потерять электронную пару, что делает его слабым основанием.
Он хорошо растворим в спирте и эфире и слабо растворим в воде. При реакции с сильными кислотами он образует ионы анилиния.
Анилин токсичен в природе. Он быстро всасывается в кожу, легкие и желудочно-кишечный тракт подопытных животных. Однако он широко используется для синтеза химических веществ, особенно сельскохозяйственных, фотохимикатов и красителей.
Пропиламин
Формула: C3H7NH2 Основность (pKb): 3,45
Пропиламин относится к классу органических соединений, называемых моноалкиламинами. Эти соединения содержат первичную алифатическую аминную группу.
Пропиламин растворим в воде и имеет меньшую плотность, чем вода. Это бесцветная летучая жидкость, а его пары тяжелее воздуха. При сгорании он образует токсичные оксиды азота.
Пропиламин обычно содержится в меньшей концентрации в нескольких различных продуктах питания, таких как зеленый болгарский перец, оранжевый болгарский перец, и в наибольшей концентрации в красном болгарском перце и желтом болгарском перце. Исследователи также обнаружили его в диком сельдерее и обычном винограде.
В лаборатории гидрохлорид пропиламина получают путем смешивания хлорида аммония с 1-пропанолом при высоком давлении и температуре с использованием катализатора кислоты Льюиса, например, хлорида железа.
Пропиламин в основном используется для синтеза и анализа других химических веществ.
Гидразин
Формула: N2H4 Основность (pK b): 8.1
Гидразин представляет собой соединение, содержащее два атома азота с одинарной связью и четыре периферийных атома водорода. Его водный раствор (концентрация более 37%) бесцветен, вызывает коррозию и токсичен при проглатывании и абсорбции через кожу.
Когда гидразин смешивается с водой, он образует более плотный моногидрат (1,032 г/см3), чем безводное вещество.
N 2 H 4 + H 2 O -> + + OH —
Как и аммиак, гидразин обладает основными (щелочными) химическими свойствами. Это высокореакционная основа и восстановитель, используемый в широком спектре медицинских и промышленных применений.
Ежегодно во всем мире производится около 100,00 метрических тонн гидразина. В основном он используется как пенообразователь для производства пенопласта.
Он также используется в качестве ракетного топлива — при сгорании топлива гидразин разлагается на газообразные аммиак, азот и водород, выделяя большое количество тепловой энергии. Газообразные водород и азот вытесняются из ракеты через сопло для создания тяги.
