База (химия)

В химии обычно используются три определения слова « основания »: основания Аррениуса , основания Брёнстеда и основания Льюиса . Все определения сходятся во мнении, что основания — это вещества, реагирующие с кислотами , как это первоначально предложил Г.-Ф. Руэль в середине 18 века.
В 1884 году Сванте Аррениус предположил, что основание — это вещество, которое диссоциирует в водном растворе с образованием гидроксид- ионов OH. − . Эти ионы могут реагировать с ионами водорода ( H + по Аррениусу) от диссоциации кислот с образованием воды в кислотно-основной реакции . Таким образом, основание представляло собой гидроксид металла, такой как NaOH или Ca(OH) 2 . Такие водные растворы гидроксидов также характеризовались некоторыми характерными свойствами. Они скользкие на ощупь, могут иметь горький вкус. [1] и изменить цвет индикаторов pH (например, сделать красную лакмусовую бумажку синей).
В воде основания, изменяя автоионизационное равновесие , дают растворы, в которых активность ионов водорода ниже, чем в чистой воде, т. е. вода имеет pH выше 7,0 в стандартных условиях. Растворимое основание называется щелочью, если оно содержит и выделяет ОН. − ионы количественно . металлов Оксиды , гидроксиды и особенно алкоксиды являются основными, а сопряженные основания — слабых кислот слабыми основаниями.
Основания и кислоты рассматриваются как химические противоположности, поскольку действие кислоты заключается в увеличении содержания гидроксония (H 3 O + ) концентрации в воде, тогда как основания уменьшают эту концентрацию. Реакция между водными растворами кислоты и основания называется нейтрализацией , при которой образуется раствор воды и соли , в котором соль разделяется на составляющие ионы. Если водный раствор насыщен данным растворенным веществом соли , любая дополнительная такая соль выпадает в осадок из раствора.
В более общей кислотно-основной теории Бренстеда-Лоури (1923 г.) основание - это вещество, которое может принимать катионы водорода ( H + ) — иначе известные как протоны . Сюда входят водные гидроксиды, поскольку OH − реагирует с H + образовывать воду, так что основания Аррениуса являются подмножеством оснований Брёнстеда. Однако существуют и другие основания Бренстеда, принимающие протоны, например водные растворы аммиака (NH 3 ) или его органические производные ( амины ). [2] Эти основания не содержат гидроксид-иона, но тем не менее реагируют с водой, что приводит к увеличению концентрации гидроксид-иона. [3] Кроме того, некоторые неводные растворители содержат основания Бренстеда, которые реагируют с сольватированными протонами. Например, в жидком аммиаке NH 2 − является основной разновидностью ионов, которая принимает протоны от NH 4 + , кислая форма в этом растворителе.
Г. Н. Льюис понял, что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном благодаря неподеленной паре электронов , которой обладают основания. [3] В теории Льюиса основание — это донор электронной пары , который может разделить пару электронов с акцептором электронов, который описывается как кислота Льюиса. [4] Теория Льюиса является более общей, чем модель Бренстеда, поскольку кислота Льюиса не обязательно является протоном, а может быть другой молекулой (или ионом) с вакантной низколежащей орбиталью , которая может принять пару электронов. Одним из ярких примеров является трифторид бора (BF 3 ).
некоторые другие определения В прошлом предлагались и оснований и кислот, но сегодня они широко не используются.
Характеристики
К общим свойствам баз относятся:
- Концентрированные или сильные основания являются едкими по отношению к органическим веществам и бурно реагируют с кислотными веществами.
- Водные растворы или расплавленные основания диссоциируют на ионы и проводят электричество.
- Реакции с индикаторами : основания окрашивают красную лакмусовую бумагу в синий цвет, фенолфталеин в розовый, бромтимоловый синий сохраняет свой естественный синий цвет, а метиловый оранжево-желтый.
- pH основного раствора в стандартных условиях больше семи.
- Базы горькие. [5]
Реакции между основаниями и водой
Следующая реакция представляет собой общую реакцию между основанием (B) и водой с образованием сопряженной кислоты (BH + ) и сопряженное основание (OH − ): [3] Константу равновесия K b для этой реакции можно найти с помощью следующего общего уравнения: [3]
В этом уравнении основание (B) и чрезвычайно сильное основание (сопряженное основание OH − ) конкурируют за протон. [6] В результате основания, реагирующие с водой, имеют относительно небольшие значения константы равновесия. [6] Основание слабее, когда оно имеет более низкое значение константы равновесия. [3]
Нейтрализация кислот

Основания реагируют с кислотами, быстро нейтрализуя друг друга как в воде, так и в спирте. [7] При растворении в воде сильноосновный гидроксид натрия ионизируется на гидроксид и ионы натрия:
аналогично в воде кислый хлороводород образует ионы гидроксония и хлорида:
Когда два раствора смешиваются, H
33О +
и ох −
ионы объединяются, образуя молекулы воды:
Если растворить равные количества NaOH и HCl, основание и кислота точно нейтрализуются, оставляя в растворе только NaCl, фактически поваренную соль .
Для нейтрализации разливов кислоты следует использовать слабые основания, такие как пищевая сода или яичный белок. Нейтрализация разливов кислоты сильными основаниями, такими как гидроксид натрия или гидроксид калия , может вызвать бурную экзотермическую реакцию, а само основание может нанести такой же ущерб, как и первоначальный разлив кислоты.
Щелочность негидроксидов
Основания обычно представляют собой соединения, которые могут нейтрализовать определенное количество кислоты. И карбонат натрия , и аммиак являются основаниями, хотя ни одно из этих веществ не содержит ОН. −
группы. Оба соединения принимают H + при растворении в протонных растворителях, таких как вода:
Отсюда можно рассчитать pH или кислотность водных растворов оснований.
Основание также определяется как молекула, которая обладает способностью принимать связь электронной пары, входя в валентную оболочку другого атома благодаря обладанию одной электронной парой. [7] Существует ограниченное число элементов, атомы которых способны придавать молекуле основные свойства. [7] Углерод может действовать как основание так же, как азот и кислород . Такой способностью обладают также фтор, а иногда и инертные газы. [7] Обычно это происходит в таких соединениях, как бутиллитий , алкоксиды и амиды металлов , такие как амид натрия . Основания углерода, азота и кислорода без резонансной стабилизации обычно являются очень сильными, или супероснованиями , которые не могут существовать в водном растворе из-за кислотности воды. Однако резонансная стабилизация позволяет использовать более слабые основания, такие как карбоксилаты; например, ацетат натрия является слабым основанием .
Прочные основы
Сильное основание — это основное химическое соединение, способное оторвать протон (H + ) из (или депротонировать ) молекулы даже очень слабой кислоты (например, воды) в кислотно-основной реакции. Общие примеры сильных оснований включают гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, таких как NaOH и Ca(OH).
2 соответственно. Некоторые основания, например гидроксиды щелочноземельных металлов, из-за их низкой растворимости можно использовать без учета фактора растворимости. [8]
Одним из преимуществ такой низкой растворимости является то, что «многие антациды представляли собой суспензии гидроксидов металлов, таких как гидроксид алюминия и гидроксид магния»; [9] соединения с низкой растворимостью и способностью останавливать повышение концентрации гидроксид-иона, предотвращая повреждение тканей полости рта, пищевода и желудка. [9] По мере продолжения реакции и растворения солей желудочная кислота реагирует с гидроксидом, образующимся в суспензиях. [9]
Сильные основания практически полностью гидролизуются в воде, что приводит к выравнивающему эффекту . [7] В этом процессе молекула воды соединяется с сильным основанием из-за амфотерной способности воды; и высвобождается гидроксид-ион. [7] Очень сильные основания могут депротонировать даже очень слабокислые группы C–H в отсутствие воды. Вот список нескольких сильных оснований:
гидроксид лития | LiOH |
Гидроксид натрия | NaOH |
Гидроксид калия | КОН |
Гидроксид рубидия | RbOH |
гидроксид цезия | CsOH |
Гидроксид магния | Мг(ОН) 2 |
Гидроксид кальция | Са(ОН) 2 |
Гидроксид стронция | Ср(ОН) 2 |
Гидроксид бария | Ба(ОН) 2 |
Гидроксид тетраметиламмония | N(CH 3 ) 4 ОН |
Гуанидин | HNC(НХ 2 ) 2 |
Катионы этих сильных оснований встречаются в первой и второй группах таблицы Менделеева (щелочные и щелочноземельные металлы). Гидроксиды тетраалкилированного аммония также являются сильными основаниями, поскольку полностью диссоциируют в воде. Гуанидин представляет собой особый случай соединения, которое исключительно стабильно при протонировании, по аналогии с причиной, по которой хлорная кислота и серная кислота являются очень сильными кислотами.
Кислоты с ap K a более примерно 13 считаются очень слабыми, а сопряженные с ними основания - сильными основаниями.
Супербазы
Соли карбанионов , амид-ионов и гидридов группы 1 имеют тенденцию быть еще более сильными основаниями из-за чрезвычайной слабости их сопряженных кислот, которые представляют собой стабильные углеводороды, амины и дигидроген. Обычно эти основания создаются путем добавления чистых щелочных металлов, таких как натрий, в сопряженную кислоту. Их называют супероснованиями , и их невозможно хранить в водных растворах, поскольку они являются более сильными основаниями, чем гидроксид- ион (См. выравнивающий эффект ). Например, этоксид-ион (сопряженное основание этанола) количественно подвергается этой реакции в присутствии вода. [10]
Примеры распространенных супербаз:
- Бутиллитий (nC 4 H 9 Li)
- Диизопропиламид лития (LDA) [(CH 3 ) 2 CH] 2 NLi
- Диэтиламид лития (LDEA) (C
22Ч
5 )
2 НЛи - Амид натрия (NaNH 2 )
- Гидрид натрия (NaH)
- Бис(триметилсилил)амид лития [(CH
3 )
3 Си]
2 НЛи
Сильнейшие супероснования синтезируются только в газовой фазе:
- Орто-диэтинилбензолдианион (C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2− (самая сильная супероснова, когда-либо синтезированная)
- Мета-диэтинилбензолдианион (C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2− (вторая по силе супербаза)
- Пара-диэтинилбензолдианион (C 6 H 4 (C 2 ) 2 ) 2− (третья по силе супербаза)
- Анион монооксида лития (LiO − ) считался самым сильным супероснованием до создания дианионов диэтилбензола.
Слабые основания
Слабое основание — это основание, которое не полностью ионизируется в водном растворе или в котором протонирование неполное. Например, аммиак передает протон воде по уравнению [11]
- NH 3 (водн.) + H 2 O(ж) → NH +
4 (водный) + ОН - (вода)
Константа равновесия этой реакции при 25 °C составляет 1,8 х 10. −5 , [12] так что степень реакции или степень ионизации весьма мала.
Базы Льюиса
или Донор основания Льюиса электронной пары — это молекула с одной или несколькими неподеленными высокоэнергетическими парами электронов, которые могут быть разделены с низкоэнергетической вакантной орбиталью в молекуле-акцепторе с образованием аддукта . В дополнение к Х. + Возможные акцепторы электронных пар (кислоты Льюиса) включают нейтральные молекулы, такие как BF 3 , и ионы металлов с высокой степенью окисления, такие как Ag. 2+ , Фе 3+ и Мн 7+ . Аддукты с участием ионов металлов обычно называют координационными комплексами . [13]
Согласно оригинальной формулировке Льюиса , когда нейтральное основание образует связь с нейтральной кислотой, возникает состояние электрического напряжения. [7] Кислота и основание имеют общую электронную пару, которая раньше принадлежала основанию. [7] В результате создается высокий дипольный момент, уменьшить который до нуля можно только путем перестановки молекул. [7]
Твердые основания
Примеры твердых оснований включают:
- Оксидные смеси: SiO 2 , Al 2 O 3 ; MgO, SiO 2 ; СаО, SiO 2 [14]
- Установленные основания: LiCO 3 на кремнеземе; NR 3 , NH 3 , KNH 2 на оксиде алюминия; NaOH, КОН, закрепленные на кремнеземе на оксиде алюминия [14]
- Неорганические химические вещества: BaO, KNaCO 3 , BeO, MgO, CaO, KCN. [14]
- Анионообменные смолы [14]
- Древесный уголь, обработанный при 900 градусах Цельсия или активированный N 2 O, NH 3 , ZnCl 2 -NH 4 Cl-CO 2 [14]
В зависимости от способности твердой поверхности успешно образовывать сопряженное основание путем поглощения электрически нейтральной кислоты определяется основная прочность поверхности. [15] «Количество основных центров на единицу площади поверхности твердого вещества» используется для выражения того, какая основная сила наблюдается у твердоосновного катализатора. [15] Ученые разработали два метода измерения количества основных центров: титрование бензойной кислотой с использованием индикаторов и адсорбцию газообразной кислоты. [15] Твердое вещество с достаточной основной силой поглотит электрически нейтральный кислотный индикатор и приведет к изменению цвета кислотного индикатора на цвет его сопряженного основания. [15] При осуществлении метода адсорбции газообразной кислоты оксид азота . используют [15] Затем основные сайты определяются путем расчета количества поглощенного углекислого газа. [15]
Основания как катализаторы
Основные вещества могут использоваться в качестве нерастворимых гетерогенных катализаторов химических реакций . Некоторыми примерами являются оксиды металлов, такие как оксид магния , оксид кальция и оксид бария , а также фторид калия на оксиде алюминия и некоторые цеолиты . Многие переходные металлы являются хорошими катализаторами, многие из которых образуют основные вещества. Основные катализаторы используются для гидрирования , миграции двойных связей , восстановления Меервейна-Понндорфа-Верли , реакции Михаэля и многих других. И CaO, и BaO могут быть высокоактивными катализаторами, если их нагреть до высоких температур. [15]
Использование баз
- Гидроксид натрия используется в производстве мыла, бумаги и синтетического волокна .
- Гидроксид кальция (гашеная известь) используется при производстве хлорки.
- Гидроксид кальция также используется для очистки от диоксида серы, образующегося в выхлопных газах электростанций и заводов. [9]
- Гидроксид магния используется в качестве «антацида» для нейтрализации избытка кислоты в желудке и лечения расстройства желудка.
- Карбонат натрия используется в качестве стиральной соды и для смягчения жесткой воды.
- Бикарбонат натрия (или гидрокарбонат натрия) используется в качестве пищевой соды при приготовлении пищи, для изготовления разрыхлителей, в качестве антацида при расстройстве желудка и в натриево-кислотном огнетушителе.
- Гидроксид аммония используется для удаления жирных пятен с одежды.
Монопротонные и полипротонные основания
Основания, содержащие только один ионизируемый гидроксид (OH − ) иона на формульную единицу называются монопротонными , так как они могут принять один протон (H + ). Основания, содержащие более одного ОН- на формульную единицу, являются полипротонными . [16]
Количество ионизируемого гидроксида (OH − ) ионы, присутствующие в одной формульной единице основания, также называют кислотностью основания . [17] [18] По признаку кислотности основания можно разделить на три типа: однокислотные, двухкислотные и трехкислотные.
Монокислотные основания

Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует один гидроксид -ион, основание называется однокислотным или монопротонным основанием. Примеры однокислотных оснований:
Гидроксид натрия , гидроксид калия , гидроксид серебра , гидроксид аммония и т. д.
Двухосновные основания
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует два гидроксид -иона, основание называется двухкислотным или двупротонным . Примеры двухосновных оснований:

Гидроксид бария , гидроксид магния , гидроксид кальция , гидроксид цинка , гидроксид железа(II) , гидроксид олова (II) , гидроксид свинца(II) , гидроксид меди(II) и т.д.
Трикислотные основания
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует три гидроксид- иона, основание называется трехкислотным или трехпротонным . Примеры трехкислотных оснований:
Гидроксид алюминия , гидроксид железа , тригидроксид золота , [18]
Этимология термина
Концепция базы происходит от более старого алхимического понятия «матрицы»:
Термин «основание», по-видимому, впервые был использован в 1717 году французским химиком Луи Лемери как синоним старого термина Парацельса «матрица». В соответствии с анимизмом 16-го века Парацельс постулировал, что встречающиеся в природе соли росли в земле в результате того, что универсальная кислота или семенной принцип оплодотворили земную матрицу или матку. ... Однако его современное значение и общее введение в химический словарь обычно приписывают французскому химику Гийому-Франсуа Руэлю . ... В 1754 году Руэль четко определил нейтральную соль как продукт, образованный соединением кислоты с любым веществом, будь то водорастворимая щелочь, летучая щелочь, поглощающая земля, металл или масло, способная служить «основой» для соли, «придавая ей конкретную или твердую форму». Большинство кислот, известных в XVIII веке, представляли собой летучие жидкости или «спирты», способные к перегонке, тогда как соли по самой своей природе представляли собой кристаллические твердые вещества. Следовательно, именно вещество, нейтрализующее кислоту, предположительно разрушало летучесть или спирт кислоты и придавало полученной соли свойство твердости (т. е. давало конкретное основание).
- Уильям Б. Дженсен , Происхождение термина «база». [19]
См. также
- Кислотно-основные реакции
- Кислоты
- Базовое богатство (используется в экологии, имея в виду окружающую среду)
- Сопряженная база
- Кислоты и основания Льюиса
- Титрование
Ссылки
- ^ Йохлубл, Мэтью Э. (2009). Исследование химии: взгляд на судебную медицину (2-е изд.). WH Freeman and Co. Нью-Йорк: ISBN 978-1429209892 . OCLC 392223218 .
- ^ Уиттен и др. (2009) , стр. 363.
- ^ Jump up to: а б с д и Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 257.
- ^ Уиттен и др. (2009) , стр. 349.
- ^ «Определение БАЗЫ» . www.merriam-webster.com . Архивировано из оригинала 21 марта 2018 года . Проверено 3 мая 2018 г.
- ^ Jump up to: а б Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 258.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Льюис, Гилберт Н. (сентябрь 1938 г.). «Кислоты и основания» . Журнал Института Франклина . 226 (3): 293–313. дои : 10.1016/S0016-0032(38)91691-6 . Архивировано из оригинала 2 ноября 2021 года . Проверено 3 сентября 2020 г.
- ^ Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 255.
- ^ Jump up to: а б с д Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 256.
- ^ «10.4.1. Алкоксид-ионы» . Либретексты по химии . Либретекст. 16 июля 2015 года . Проверено 28 октября 2022 г.
- ^ Уиттен, Кеннет В.; Гейли, Кеннет Д.; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство Колледжа Сондерса. п. 358. ИСБН 0-03-072373-6 .
- ^ Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия. Принципы и современные приложения (8-е изд.). Прентис Холл. п. 678. ИСБН 0-13-014329-4 .
- ^ Мисслер, Гэри Л.; Тарр, Дональд А. (1999). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис-Холл. стр. 157–159. ISBN 0-13-841891-8 .
- ^ Jump up to: а б с д и Танабэ, Кодзо (1970). Твердые кислоты и основания: их каталитические свойства . Академическая пресса. п. 2. ISBN 9780323160582 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 19 февраля 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Танабэ, К.; Мисоно, М.; Оно, Ю.; Хаттори, Х. (1990). Новые твердые кислоты и основания: их каталитические свойства . Эльзевир. п. 14. ISBN 9780080887555 . Архивировано из оригинала 8 октября 2022 года . Проверено 19 февраля 2015 г.
- ^ «Полипротонные кислоты и основания» . Химия LibreTexts . 13 июля 2016 г. Архивировано из оригинала 9 января 2022 г. Проверено 9 января 2022 г.
- ^ «Электрофил – Нуклеофил – Основность – Кислотность – Шкала pH» . Городская коллегия . Архивировано из оригинала 30 июня 2016 года . Проверено 20 июня 2016 г.
- ^ Jump up to: а б «Введение в основы: классификация, примеры с вопросами и видео» . Топпр-гиды . 2 февраля 2018 г. Архивировано из оригинала 26 июля 2020 г. . Проверено 14 марта 2019 г.
- ^ Дженсен, Уильям Б. (2006). «Происхождение термина «база» » (PDF) . Журнал химического образования . 83 (8): 1130. Бибкод : 2006JChEd..83.1130J . дои : 10.1021/ed083p1130 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 года.
- Уиттен, Кеннет В.; Пек, Ларри; Дэвис, Рэймонд Э.; Локвуд, Лиза; Стэнли, Джордж Г. (2009). Химия (9-е изд.). ISBN 978-0-495-39163-0 .
- Зумдал, Стивен; ДеКост, Дональд (2013). Химические принципы (7-е изд.). Мэри Финч.
Внешние ссылки
Словарное определение базы в Викисловаре