Jump to content

База (химия)

(Перенаправлено с «Базовый (химия)

Мыло представляет собой слабые основания, образующиеся в результате реакции жирных кислот с гидроксидом натрия или гидроксидом калия .

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

Пары аммиака от водного гидроксида аммония (в пробирке) реагируют с соляной кислотой стакане ) с образованием хлорида аммония (белый дым).

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
3
+
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:

Сильнейшие супероснования синтезируются только в газовой фазе:

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

Гидроксид натрия

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 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

Ссылки

  1. ^ Йохлубл, Мэтью Э. (2009). Исследование химии: взгляд на судебную медицину (2-е изд.). WH Freeman and Co. Нью-Йорк: ISBN  978-1429209892 . OCLC   392223218 .
  2. ^ Уиттен и др. (2009) , стр. 363.
  3. ^ Jump up to: а б с д и Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 257.
  4. ^ Уиттен и др. (2009) , стр. 349.
  5. ^ «Определение БАЗЫ» . www.merriam-webster.com . Архивировано из оригинала 21 марта 2018 года . Проверено 3 мая 2018 г.
  6. ^ Jump up to: а б Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 258.
  7. ^ 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.
  8. ^ Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 255.
  9. ^ Jump up to: а б с д Зумдал и ДеКосте (2013) , с. 256.
  10. ^ «10.4.1. Алкоксид-ионы» . Либретексты по химии . Либретекст. 16 июля 2015 года . Проверено 28 октября 2022 г.
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ Мисслер, Гэри Л.; Тарр, Дональд А. (1999). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис-Холл. стр. 157–159. ISBN  0-13-841891-8 .
  14. ^ 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.
  15. ^ 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.
  16. ^ «Полипротонные кислоты и основания» . Химия LibreTexts . 13 июля 2016 г. Архивировано из оригинала 9 января 2022 г. Проверено 9 января 2022 г.
  17. ^ «Электрофил – Нуклеофил – Основность – Кислотность – Шкала pH» . Городская коллегия . Архивировано из оригинала 30 июня 2016 года . Проверено 20 июня 2016 г.
  18. ^ 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.
  19. ^ 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.
  • Словарное определение базы в Викисловаре
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: c8c3c81b73fbe7a89d386d27edc93f9a__1719219960
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/c8/9a/c8c3c81b73fbe7a89d386d27edc93f9a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Base (chemistry) - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)