Каждый сталкивался с таким понятием, как щелочь, но не каждый может точно сказать, что же это такое. Особенно это относится к тем, кто давно окончил школу и начал забывать уроки химии. Что же это за вещество? Какова формула щелочи в химии? Каковы ее свойства? Рассмотрим все эти вопросы в данной статье.
Определение и основная формула
Начнем с определения. Щелочью называется хорошо растворимое в воде вещество, гидроксид щелочного (1-ая группа, основная подгруппа в таблице Менделеев) или щелочноземельного (2-ая группа, основная подгруппа в таблице Менделеева) металла. Стоит заметить, что бериллий и магний, хотя и принадлежат к щелочным металлам, щелочей не образуют. Их гидроксиды относят к основаниям.
Щелочи — самые сильные основания, растворение которых в воде сопровождается тепловыделением. Примером этого служит бурная реакция с водой гидроксида натрия. Из всех щелочей наименее растворим в воде гидроксид кальция (известный также как гашеная известь), который в чистом виде представляет собой порошок белого цвета.
Из определения можно сделать вывод, что химическая формула щелочи — ROH, где R — щелочноземельный (кальций, стронций, радий, барий) или щелочной (натрий, калий, литий, цезий, франций, рубидий) металл. Приведем некоторые примеры щелочей: NaOH, KOH, CsOH, RbOH.
Реакции
Абсолютно все щелочи реагируют с кислотами. Реакция протекает так же, как кислоты и основания — с образованием соли и воды. Пример:
NaOH+HCl=NaCl+H2O
Приведенная реакция — соляная кислота + щелочь. Формулы реакций различных щелочей с кислотами:
КОН+HCl=KCl+H2O
NaOH+HNO3=NaNO3+H2O
Помимо кислот, щелочи реагируют также с кислотными оксидами (SO2, SO3, CO2). Реакция проходит по тому же механизму, что и щелочи с кислотой — в результате взаимодействия образуется соль и вода.
Щелочи взаимодействуют и с амфотерными оксидами (ZnO, Al2O3). При этом образуются нормальные или комплексные соли. Самая типичная из таких реакций оксид цинка + едкая щелочь. Формула такой реакции:
2NaOH+ZnO=Na2ZnO2+H2O
В показанной реакции образуется нормальная соль натрия Na2ZnO2 и вода.
Реакции щелочей с амфотерными металлами протекают по тому же механизму. Приведем в качестве примера реакцию алюминий + щелочь. Формула реакции:
2KOH+2Al+6H2O=2K(Al(OH)4)+3H2
Это пример реакции с образованием комплексной соли.
Взаимодействие с индикаторами
Для определения pH исследуемого раствора используются специальные химические вещества — индикаторы, которые меняют свой цвет в зависимости от значения показателя водорода в среде. Самый распространенный индикатор, используемый в химических исследованиях, — лакмус. В щелочной среде он приобретет интенсивный синий цвет.
Другой доступный индикатор, фенолфталеин, в щелочной среде приобретает малиновый окрас. Однако в очень концентрированном растворе (показатель водорода близок к 14) фенолфталеин остается бесцветным, как и в нейтральной среде. Потому лакмус при работе с концентрированными щелочами использовать предпочтительнее.
Метиловый оранжевый индикатор в щелочной среде приобретает желтый окрас, при уменьшении pH среды цвет меняется от желтого до оранжевого и красного.
Физические свойства щелочей
Помимо этого, щелочи также хорошо растворяются в этаноле. Концентрированные и умеренные растворы имеют pH от 7.1 и выше. Растворы щелочей мыльные на ощупь. Концентрированные составы — довольно едкие химические соединения, контакт с которыми вызывает химические ожоги кожи, глаз, любых слизистых оболочек, поэтому работать с ними следует осторожно. Воздействие едкого вещества можно нейтрализовать раствором кислоты.
Щелочи могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии. Гидроксид натрия — самая распространенная щелочь (формула NaOH), которая в твердом состоянии представляет собой вещество белого света.
Гидроксид кальция при нормальных условиях — белый порошок. Гидроксиды радия и бария в твердом агрегатном состоянии — бесцветные кристаллы. Гидроксиды стронция и лития также бесцветны. Все твердые щелочи поглощают воду из воздуха. Гидроксид цезия — самая сильная щелочь (формула CsOH). Щелочные свойства металлов 1-ой группы основной подгруппы возрастают сверху вниз. Эти вещества нашли применение в химической промышленности. В основном их используют в щелочных аккумуляторах в качестве электролитов. Чаще всего применяют гидроксиды калия и натрия.
Химический ожог щелочью
При использовании неразбавленных щелочей всегда стоит помнить, что они являются едкими веществами, которые при попадании на открытые участки тела вызывают покраснение, зуд, жжение, отек, в тяжелых случаях образуются пузыри. При длительном контакте такого опасного состава со слизистой органов зрения возможно наступление слепоты.
При химическом ожоге щелочью необходимо промыть пораженное место водой и очень слабым раствором кислоты — лимонной или уксусной. Даже незначительное количество едкой щелочи может вызвать обширное поражение кожи и ожог слизистых, поэтому с такими веществами стоит обращаться аккуратно и держать подальше от детей.
Материал по химии
Оглавление
Как связаны щелочи с основаниями?
Щелочи – это небольшая группа неорганических веществ, относящихся к основным гидроксидам или основаниям. Для начала разберемся, какие вещества можно называть основаниями. Основания – это вещества, содержащие гидроксо-группу (‒OH), которая в неорганической химии (в случае с основаниями) пишется в конце молекулы, например: NaOH, Fe(OH)2, Ba(OH)2, но это определение не точное, ведь Fe(OH)3 и Zn(OH)2 имеют сходную формулу, однако, основаниями не являются. Точнее будет сказать, что основания – это гидроксиды, в которых металл находится в степени окисления «+1» или «+2» (кроме цинка и бериллия, образующих в степени окисления «+2» амфотерные оксиды и гидроксиды).
Таблица 1. – Основания и амфотерные гидроксиды
| Это основания: | Это НЕ основания: |
| NaOH KOH Mg(OH)2 Ca(OH)2 Fe(OH)2 | Al(OH)3 Fe(OH)3 Cr(OH)3 Zn(OH)2 Be(OH)2 |
| Потому что содержат металл в степени окисления «+1» или «+2» | Так как в этой группе есть гидроксиды, имеющие металл в степени окисления «+3», и два исключения — Zn(OH)2 и Be(OH)2. Все приведенные выше вещества являются амфотерными гидроксидами, а не основаниями |
Подробнее об отличиях понятий «гидроксиды» и «основания» можно прочитать в статье «Классификация гидроксидов и оснований»
Кроме отличий в степени окисления, основания и амфотерные гидроксиды отличаются так же по реакционной способности. Так, амфотерные гидроксиды могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями, а основания могут реагировать с кислотами, но не могут реагировать с другими основаниями. Подробнее о химических свойствах амфотерных гидроксидов можно прочитать в статье «Амфотерные гидроксиды. Получение, химические свойства, образование средних и комплексных солей»
Чем отличаются щёлочи от остальных оснований?
Основания можно разделить на две группы: растворимые и нерастворимые. Растворимые иначе называют щелочами. То есть щелочи – это растворимые основания (растворимые основные гидроксиды).
Таблица 2. – Основания и щёлочи
| Щелочи (растворимые основания) | Остальные основания (нерастворимые основания) |
| NaOH KOH Ba(OH)2 | Mg(OH)2 Fe(OH)2 Ni(OH)2 |
Как определить, является ли основание растворимым, то есть щелочью, если его нет в таблице растворимости?
В состав щелочей входят металлы IА-группы Периодической Системы Д. И. Менделеева, а также кальций, стронций и барий.
Полный список щелочей:
NaOH – гидроксид натрия, едкий натр, гидроокись натрия, каустическая сода
KOH – гидроксид натрия, едкое кали, гидроокись калия
LiOH – гидроксид лития, гидроокись лития
CsOH – гидроксид цезия, гидроокись цезия
FrOH – гидроксид франция, гидроокись франция
RbOH – гидроксид рубидия, гидроокись рубидия
Ba(OH)2 – гидроксид бария, едкий барий, баритовая вода
Ca(OH)2 – гидроксид кальция, гашеная известь, известковое молоко, известковая вода.
Sr(OH)2 – гидроксид стронция
Остальные основания считаем нерастворимыми (кроме аммиака, образующего гидрат аммония, являющегося хоть и растворимым, но нестойким соединением). Гидроксид аммония, образующийся при пропускании аммиака через воду, можно представить в виде формулы NH4OH (лучше NH3·H2O – гидрат аммония) является растворимым (раствор называют нашатырным спиртом), однако щелочью это вещество не является.
Гидроксид лития и гидроксид кальция растворяются не так хорошо, как другие основания, но все равно считаются щелочами.
Задание в формате ЕГЭ с ответов:
Установите соответствие между формулой вещества и классом/группой, к которому(-ой) это вещество принадлежит: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
- щелочь
- нерастворимое основание
- амфотерный гидроксид
Комментарий к заданию: Галлий, в представленном гидроксиде, имеет степень окисления +3, поэтому он относится к группе амфотерных гидроксидов. Гидроксид рубидия – щелочь, так как рубидий – элемент IА-группы. Гидроксид хрома – нерастворимое основание, так как хром в степени окисления +2 не является амфотерным, и не относится к щелочным или щелочноземельным металлам, поэтому не может образовать щелочь.
Пример задания из КИМ ЕГЭ:
Установите соответствие между формулой вещества и классом/группой, к которому(-ой) это вещество принадлежит: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
- щелочь
- нерастворимое основание
- амфотерный гидроксид
Комментарий к заданию: Стронций является щелочноземельным металлом (металлы IIА-группы, кроме магния и бериллия, образуют растворимые гидроксиды), поэтому образует щелочь. Гидроксид цинка вместе с гидроксидом бериллия входят в группу исключений и, несмотря на вторую валентность, образуют амфотерные гидроксиды. Гидроксид железа нерастворим и не входит в группу амфотерных веществ, он является нерастворимым основанием.
Щёлочи, являясь сильными основаниями, диссоциируют в воде очень быстро, тогда как нерастворимые основания диссоциируют медленно, ступенчато:
| Диссоциация щелочей | Диссоциация слабых оснований |
| Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH‒ | Fe(OH)2 = FeOH+ + OH‒ (I ступень) FeOH+ = Fe2+ + OH‒(II ступень) |
| Диссоциация настолько быстрая, что ступенчатостью процесса можно пренебречь | Диссоциация очень медленная, быстрее идет по первой ступени, по второй ступени практически не идёт |
Физические свойства щелочей
Гидроксиды щелочных металлов (металлов IА-группы) – твердые бесцветные кристаллические вещества. Как уже было описано выше, большинство из них очень хорошо растворимы в воде. Гидроксиды щелочноземельных металлов хуже растворяются в воде.
Химические свойства щелочей
Основные свойства гидроксидов в Периодической системе возрастают справа налево и сверху вниз. Поэтому все щелочи, образованные металлами IА-группы сильнее щелочей, образованных металлами IIА-группы.
Щелочи окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет.
Твёрдые щелочи и их концентрированные растворы разъедают живые ткани, поэтому работать с ними нужно в перчатках, а при растирании твёрдой щелочи в ступке необходимо надевать очки.
- Щелочи реагируют с кислотными оксидами, образуя либо соль и воду, либо кислую соль:
Щелочь + кислотный оксид = соль + вода
Щелочь + кислотный оксид = кислая соль
Рассмотрим эти реакции на примере образования карбонатов и гидрокарбонатов.
Для щелочей, содержащих одновалентный катион (катион в степени окисления «+1») справедлива общая схема реакции:
2MeOH + CO2 = Me2CO3 + H2O
Или
MeOH + CO2 = MeHCO3
Например:
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 = NaHCO3
2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O
KOH + CO2 = KHCO3
Для щелочей, содержащих двухвалентный металл (катион в степени окисления «+2») справедлива общая схема реакции:
Me(OH)2 + CO2 = MeCO3 + H2O
Или
Me(OH)2 + 2CO2 = Me(HCO3)2
Например:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Ca(OH)2 + 2CO2 = Ca(HCO3)2
Ba(OH)2 + CO2 = BaCO3 + H2O
Ba(OH)2 + 2CO2 = Ba(HCO3)2
Щелочи при плавлении разрушают стекло и фарфор, основным компонентом которых является кислотный оксид SiO2:
2NaOH(тв) + SiO2(тв) = Na2SiO3(тв) + H2O(г)
Некоторые оксиды диспропорционируют в щелочах (участвуют в реакции самоокисления-самовосстановления). К таким оксидам относят оксид азота IV, который в щелочах превращается одновременно и в нитрит-ион (NO2‒), и нитрат-ион (NO3‒):
2KOH + 2NO2 = KNO2 + KNO3 + H2O
2Ca(OH)2 + 4NO2 = Ca(NO2)2 + Ca(NO3)2 + 2H2O
Для того, чтобы получить только нитрат-ион необходимо присутствие кислорода:
4KOH + 4NO2 + O2 = 4KNO3 + 2H2O
2Ca(OH)2 + 4NO2 + O2 = 2Ca(NO3)2 + 2H2O
О других свойствах кислотных оксидов можно прочитать в статье «Свойства кислотных оксидов»
- Щелочи реагируют с кислотами. Притом, если кислота одноосновная, то образуется только средняя соль, если кислота многоосновная, то может образоваться как средняя, так и кислая соль.
Узнать, как определить тип кислоты можно в статье «Классификация кислот»
А) щелочь + одноосновная кислота = соль + вода
NaOH + HClO3 = NaClO3 + H2O
LiOH + HNO3 = LiNO3 + H2O
KOH + HI = KI + H2O
Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O
Ba(OH)2 + 2HClO4 = Ba(ClO4)2 + 2H2O
Sr(OH)2 + HPO3 = Sr(PO3)2 + H2O
Б) щелочь + двухосновная кислота = соль + вода
Щелочь + двухосновная кислота = кислая соль + вода
2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + 2H2O
NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O
Ba(OH)2 + H2S = BaS + 2H2O
Ba(OH)2 + 2H2S = Ba(HS)2 + 2H2O
Для получения кислой соли необходим недостаток щелочи (избыток кислоты).
Задание по образцу ФИПИ:
Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами, которые образуются при взаимодействии этих веществ: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
- Sr(OH)2 + SO2 =
- Sr(OH)2 +2SO2 =
- Sr(OH)2 + H2SO4 =
- Sr(OH)2 + 2H2SO4 =
- SrSO4 + 2H2O
- SrSO3 + H2O
- SrSO4 + H2O
- Sr(HSO4)2 + 2H2O
- Sr(HSO3)2 + H2O
- Sr(HSO3)2
- В отличие от нерастворимых оснований, щелочи реагируют с растворимыми солями. Условия типичны для обменных реакций (в продуктах должен появиться газ или осадок):
2NaOH + CuSO4 = Na2SO4 + Cu(OH)2↓
LiOH + NH4Cl = LiCl + NH3↑ + H2O
2KOH + Fe(NO3)2 = 2KNO3 + Fe(OH)2↓
Ca(OH)2 + 2NaF = CaF2↓ + 2NaOH
Ba(OH)2 + K2SO4 = BaSO4↓ + 2KOH
Sr(OH)2 + Na2SiO3 = SrSiO3↓ + 2NaOH
Попробуйте решить задание ЕГЭ:
Из предложенного перечня веществ выберете три вещества, с которыми гидроксид натрия (р-р) не реагирует:
- LiCl
- NH4Br
- CrSO4
- PbSO4
- KNO3
- CuSO4
Комментарий к заданию: помните, что исходная соль должна быть растворимой, а одно из полученных веществ – газ или осадок.
- Щелочи реагируют с кислыми солями с образованием средних солей:
NaHSO3 + NaOH = Na2SO3 + H2O
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2CaCO3 + 2H2O
- Твёрдые щелочи реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами при сплавлении, при этом образуется средняя соль, в катион которой входит щелочной или щелочноземельный металл, а в анион – амфотерный металл:
2NaOH + Al2O3 = 2NaAlO2 + H2O
2NaOH + ZnO = Na2ZnO2 + H2O
Ca(OH)2 + Al2O3 = Ca(AlO2)2 + H2O
Ca(OH)2 + ZnO = CaZnO2 + H2O
Из предложенного перечня веществ выберете три вещества, с которыми реагирует гидроксид калия:
Комментарий к заданию: Не забывайте, что щелочи реагируют не только с амфотерными, но и с кислотными оксидами.
О том, как амфотерные оксиды реагируют с щелочами и другими веществами, а также о том, как можно прочитать в статье «Амфотерные оксиды»
NaOH + Al(OH)3 = NaAlO2 + 2H2O
NaOH + Zn(OH)2 = Na2ZnO2 + H2O
Ca(OH)2 + 2Al(OH)3 = Ca(AlO2)2 + 4H2O
Ca(OH)2 + Zn(OH)2 = CaZnO2 + 2H2O
Подробнее о свойствах амфотерных гидроксидов можно прочитать в этой статье
- Концентрированные растворы щелочей растворяют амфотерные оксиды и гидроксиды с образованием комплексных солей:
2KOH + Fe2O3 + 3H2O = 2K[Fe(OH)4]
2KOH + BeO + H2O = K2[Be(OH)4]
Ba(OH)2 + Fe2O3 + 3H2O = Ba[Fe(OH)4]2
Ba(OH)2 + BeO + H2O = Ba[Be(OH)4]
KOH + Fe(OH)3 = K[Fe(OH)4]
2KOH + Be(OH)2 = K2[Be(OH)4]
Ba(OH)2 + 2Fe(OH)3 = Ba[Fe(OH)4]2
Ba(OH)2 + Be(OH)2 = Ba[Be(OH)4]
- Концентрированные щелочи вступают в реакции с некоторыми металлами (Al, Be, Zn) с образованием комплексной соли и выделением водорода:
2NaOH + 2Al + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
2NaOH + Be + 2H2O = Na2[Be(OH)4] + H2↑
2NaOH + Zn + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2↑
Ba(OH)2 + 2Al + 6H2O = Ba[Al(OH)4]2 + 3H2↑
Ba(OH)2 + Zn + 2H2O = Ba[Zn(OH)4] + H2↑
- Хлор, бром, йод диспропорционируют в щелочах, продукты реакции зависят от температуры, при которой происходит реакция:
Cl2 + 2NaOH(холодный) = NaCl + NaClO +H2O
3Cl2 + 6NaOH(горячий) = 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
- Фосфор, сера также самоокисляются-самовосстанавливаются в щелочах:
P4 + 3NaOH + 3H2O = 3NaH2PO2 + PH3
3S + 6NaOH = 2Na2S + Na2SO3 + 3H2O
- Кремний реагирует с щелочами в качестве восстановителя:
Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2↑
Получение щелочей
- Щелочи можно получить из гидридов, нитридов, фосфидов, карбидов:
LiH + H2O = LiOH + H2↑
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2↑
Na3N + 3H2O = 3NaOH + NH3↑
Ca3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3↑
K3P + 3H2O = 3KOH + PH3↑
Ba3P2 + 6H2O = 3Ba(OH)2 + 2PH3↑
Na4C + 4H2O = 4NaOH + CH4↑
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2↑
- При растворении оксида щелочного или щелочноземельного металла в воде образуется раствор щелочи:
Na2O + H2O = 2NaOH
BaO + H2O = Ba(OH)2
Реакции идут с выделением большого количества теплоты, то есть являются экзотермическими.
- Щелочи можно получить растворением пероксидов в воде (характерно для получения гидроксида натрия, гидроксида калия и гидроксида бария):
Na2O2 + 2H2O = H2O2 + 2NaOH
BaO2 + 2H2O = H2O2 + Ba(OH)2
- Раствор щелочи получают при растворении щелочного или щелочноземельного металла в воде:
2K + 2H2O = 2KOH + H2↑
Sr + 2H2O = Sr(OH)2 + H2↑
- Растворы щелочей можно получить обменными реакциями:
Li2SO4 + Ba(OH)2 = 2LiOH + BaSO4↓
K2SO4 + Sr(OH)2 = 2KOH + SrSO4↓
- Раствор щелочи можно получить электролизом раствора соли, содержащей катион щелочного или щелочноземельного металла и бескислородный анион, например раствор гидроксида калия получают электролизом раствора хлорида калия:
KCl + H2O = KOH + H20↑ + Cl20↑
Катод: 2H2O + 2ē = H20↑ + 2OH‒
Анод: 2Cl‒ ‒2ē = Cl20
Электролизом расплава соли, содержащей щелочной металл, щелочь получить нельзя. Этим способом получают сам щелочной металл.