Основания. Реакция нейтрализации

При изучении свойств кислот мы узнали, что кислоты изме­няют цвет индикатора. Существует еще одна группа веществ, растворы которых способны изменять цвет индикатора. Эти вещества называются основаниями.

Но если под действием кислоты лиловый или синий лакму­со­вый раствор становится красным, то растворенное в воде основание меняет красный или лиловый цвет лакмусового рас­твора на синий. Сок красной капусты или черники в ос­нóвной среде также окрашивается в синий цвет. Для опреде­ления оснований в качестве индикатора используется также раствор фенолфталеина или пропитанная этим раствором по­­лоска фильтровальной бумаги. Бесцветный фенол­фта­ле­ин в растворе основания окрашивается в малиновый цвет.

В повседневной жизни с основаниями мы сталкиваемся реже, чем с кислотами. Это прежде всего растворы стиральных по­рошков или мыла, а также различные бытовые чистящие средства. К сильным основаниям можно отнести растворы га­шеной извести и стиральной соды.

Подобно кислотам, основания имеют общие свойства. Рас­тво­ры оснований кажутся скользкими и оказывают разъедающее действие. При длительном воздействии оснований на кожу об­разуются язвы.

Кислоты и основания противоположны по своим характер­ным свойствам. Их противоположность становится очевид­ной, если сравнивать вещества при помощи индикатора.

Возьмем две пробирки, в которых содержится немного фио­ле­тового лакмусового раствора. У лакмусового раствора фио­летовый цвет только в том случае, если раствор не содержит ни кислоты, ни основания. Добавим в первую пробирку не­сколь­ко капель раствора кислоты, а в другую – раствора ще­ло­чи. Первая пробирка под влиянием раствора кислоты ок­ра­шивается в красный цвет, а вторая под действием щелочи становится синей.

Затем добавим к красному раствору по несколько капель ще­лочного раствора. По началу красный цвет изменится на фи­о­летовый, а при дальнейшем добавлении щелочи станет си­ним. Если мы добавим кислоту к синему раствору, получим обратный эффект. Из этого эксперимента видно, что кислоты и основания взаимно «уничтожают» друг друга, то есть, они взаимодействуют друг с другом.

Одним из наиболее характерных общих свойств кислот и ос­нований является их способность взаимодействовать друг с другом. В случае, если кислота и основание реагируют друг с другом в полном объеме и без остатка, получается ней­траль­ный раствор, который не содержит ни кислоты, ни основания. В нейтральном растворе лакмус имеет фио­ле­товый цвет.

Кислота и основание нейтрализуют друг друга. Поэто­му реакция взаимодействия кислоты и основания называется реакцией нейтрализации (от лат. neuter – ни тот, ни дру­гой).

Все характерные свойства оснований, в том числе разъедаю­щее действие и способность изменять цвет индикатора, об­услов­лены присутствием в их растворах гидроксильных ионов, или гидроксид-ионов (ионы ОН^–).

К числу известных оснований относятся гидроксиды метал­лов. Гидроксиды – это вещества, состоящие из связанных между собой катионов и гидроксильных ионов.

$\mathrm{Na}\mathbf{OH}$ – гидроксид натрия (бытовые названия – каустичес­кая сода, едкий натр)

$\mathrm{Ca}{\left(\mathbf{OH}\right)}_2$ – гидроксид кальция, или гашёная известь

$\mathrm{Cu}{\left(\mathbf{OH}\right)}_2$ – гидроксид меди (II)

Растворимые в воде гидроксиды с сильнооснóвными свой­ствами называют щелочами. Щелочи – это белые кристал­лические вещества, которые при растворении в воде распа­да­ются на ионы. Растворы гидроксидов содержат в качестве ка­тионов ионы металлов, а в качестве анионов – ионы ОН^–, или гидроксильные ионы. Например:

$\mathrm{NaOH} \to {\mathrm{Na}}^{+} + {\mathbf{OH}}^{\mathbf{–}}$

$\underset{\mathrm{вещество}}{\underset{\mathrm{твердое}}{\mathrm{Ca}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2}} \to {\underset{\mathrm{ионы\; в\; растворе}}{\mathbf{ }{\mathrm{Ca}}^{2+} +\mathbf{ }\mathbf{2}\mathbf{ }\mathbf{OH}}}^{\mathbf{–}}$

Гидроксиды, проявляющие самые сильные основные свой­ства, образованы металлами группы IA: Li, Na, K и др. По­этому металлы этой группы получили название щелочных металлов. Гидроксиды металлов группы IIA Ca, Sr и Ba также являются достаточно сильными основаниями. Их часто называют щелочноземельными металлами.

Многие гидроксиды металлов практически нераствори­мы в воде и образуют студенистые осадки. Они высвобожда­ют в раствор мало гидроксильных ионов и поэтому облада­ют слабыми основными свойствами. Распознать их с помощью индикаторов невозможно. Среди плохо раствори­мых гидрок­сидов существуют соединения как белого цвета, например Al(OH)₃, так и других цветов, например, Cu(OH)₂ и Fe(OH)₃.

Правила техники безопасности при работе с сильными основаниями (щелочами)

Вещества с ярко выраженными основными свойствами обла­дают сильным разъедающим действием. При работе с ними нельзя допускать их попадания на кожу, одежду или рабочий стол. Если сильное основание все же попало на руки или на одежду, пораженное место нужно сразу промыть чи­стой водой, а в случае необходимости обработать разбавлен­ным раствором уксусной кислоты (кислота реагирует с осно­ва­нием) и снова обильно промыть водой. Необходимо по­мнить о том, что попадание основания в глаза может приве­сти к потере зрения!

Гидроксиды – соединения электрически нейтральные. По­это­му суммарный положительный заряд входящих в их со­став ионов металла должен быть равен суммарному отрица­тельному заряду гидроксильных ионов. Поскольку заряд каж­дого гидроксильного иона равен –1, число гидроксиль­ных ионов должно быть равно численному значению заряда катиона, то есть степени окисления металла в гидроксиде. Таким образом, ион Na⁺ связывает один ион OH^–, ион Ca²⁺ связывает два иона OH^– и т. д.

Если в молекуле несколько гидроксильных ионов, ОН в фор­муле берут в скобки, так как индекс относится и к атому водо­рода, и к атому кислорода.

Если металл способен образовывать несколько различных гидроксидов, в которых металл имеет разную степень окис­ления, в названии гидроксида за металлом указывают степень его окисления:

CuOH – гидроксид меди (I)

Fe(OH)₂ – гидроксид железа (II)

Fe(OH)₃ – гидроксид железа (III)

Рассмотрим, что происходит при взаимодействии кислоты и основания. Как нам известно, кислотные свойства обусловле­ны нахождением в растворе ионов водорода, а свойства осно­ваний – присутствием гидроксильных ионов. Если к раствору кислоты добавить раствор основания, между этими ионами произойдет реакция с образованием устойчивых молекул воды:

${\mathbf{H}}^{\mathbf{+}} + {\mathbf{OH}}^{\mathbf{–}} \to {\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}$

Если в растворе находится одинаковое количество ионов во­дорода и гидроксильных ионов, образуется нейтральный раствор. Таким образом, кислота и основание нейтрализуют друг друга.

В растворе остаются катионы основания и анионы кислоты. Они образуют соответствующие соли. Например, при взаимо­действии соляной кислоты с гидроксидом натрия образуется хлорид натрия, или поваренная соль:

$\mathrm{Na}\mathbf{OH} + \mathbf{H}\mathrm{Cl} \to \mathrm{NaCl} + {\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}$

Аналогично взаимодействуют и другие основания и кислоты.

$2 \mathrm{K}\mathbf{OH} + {\mathbf{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{K}}_2{\mathrm{SO}}_4 + 2 {\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}$

$\mathrm{Zn}{\left(\mathbf{OH}\right)}_2 + {\mathbf{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 \to {\mathrm{ZnSO}}_4 + 2 {\mathbf{H}}_{\mathbf{2}}\mathbf{O}$

На практике реакция ней­тра­ли­за­ции применяется для нейтрализации кислот или щелочей. При попадании на кожу кислоты и после промывания пораженного места водой его нужно обработать раствором питьевой соды или наша­тыр­ного спирта (эти растворы проявляют слабые основные свойства), а в случае попадания щелочи надо использовать разбавленные растворы уксусной или лимонной кислот.

Реакция нейтрализации используется также для снятия боли от укуса насекомых, которые выделяют в образовавшуюся ранку кислоту. Эту кислоту (например, муравьиную) можно ней­тра­ли­зо­вать, если обработать пораженное место раство­ром питьевой соды или нашатырного спирта.