Щёлочи

Запрос «Каустик» перенаправляется сюда; о других значениях см. Каустик (значения).

Щёлочи (в рус. языке от слова «щёлок»; производное от того же корня, что и др.-исл. skola «стирать»^[1]) — гидроксиды щелочных, щелочноземельных металлов (кроме обладающего слабыми основными свойствами гидроксида магния, амфотерных гидроксидов бериллия и цинка – они практически нерастворимы в воде), таллия (гидроксид таллия(I) — является щелочью, несмотря на то что таллий это постпереходный металл, но гидроксид таллия(III) уже не является щелочью — это слабое основание, не растворимое в воде) и европия (гидроксид европия (ІІ)). К щелочам относятся хорошо растворимые в воде основания и гидроксид кальция (малорастворимое основание). При электролитической диссоциации щёлочи образуют анионы OH⁻ и катион металла.

К щелочам относятся гидроксиды металлов подгрупп IA и IIA (начиная с кальция) периодической системы химических элементов, например NaOH (едкий натр), KOH (едкое кали), Ba(OH)₂ (едкий барий). В качестве исключений к щелочам относят гидроксид одновалентного таллия TlOH, который хорошо растворим в воде и является сильным основанием и гидроксид европия(II) Eu(OH)₂. «Едкие щёлочи» — тривиальное название гидроксидов металлов ІА и ІІА (начиная с кальция) группы. Название обусловлено свойством разъедать кожу и слизистые оболочки (вызывая сильные химические ожоги), бумагу и другие органические вещества.

Из-за очень большой химической активности щелочных металлов едкие щёлочи долгое время не удавалось разложить и потому они считались простыми веществами. Одним из первых предположение о сложном составе едких щелочей высказал Лавуазье. Основываясь на своей теории о том, что все простые вещества могут окисляться, Лавуазье решил, что едкие щёлочи — это уже окисленные сложные вещества. Однако подтвердить это удалось лишь Дэви в начале XIX века после применения им электрохимии^[2].

Физические свойства

Гидроксиды щелочных металлов (едкие щёлочи) представляют собой твёрдые, белые (кроме гидроксида цезия — он выглядит грязно-бежевым), очень гигроскопичные вещества. Щёлочи — это сильные основания, очень хорошо растворимые в воде (и малорастворимый гидроксид кальция), причём реакция сопровождается значительным тепловыделением, из-за которого вода в растворе может даже закипеть, что очень опасно. Сила основания и растворимость в воде возрастает с увеличением радиуса катиона в каждой группе периодической системы. Самые сильные щёлочи — гидроксид цезия (поскольку из-за очень малого периода полураспада гидроксид франция не получен в макроскопических количествах) в группе IА и гидроксид радия в группе IIА. Кроме того, едкие щёлочи растворимы в этаноле и метаноле.

Химические свойства

Щёлочи проявляют осно́вные свойства. В твёрдом состоянии все щёлочи поглощают H₂O и CO₂ (поглощение возможно и в растворённом состоянии) из воздуха, постепенно превращаясь в карбонаты (при поглощении СО₂). Щёлочи широко применяются в промышленности: гидроксиды натрия и калия – в мыловарении, гидроксид кальция – в строительстве.

Качественные реакции на щёлочи

Водные растворы щелочей изменяют окраску индикаторов.

Индикатор и номер перехода	х[3]	Интервал pH и номер перехода	Цвет щелочной формы
Метиловый фиолетовый		0,13-0,5 [I]		зелёный
Крезоловый красный [I]		0,2-1,8 [I]		жёлтый
Метиловый фиолетовый [II]		1,0-1,5 [II]		синий
Тимоловый синий [I]	К	1,2-2,8 [I]		жёлтый
Тропеолин 00	О	1,3-3,2		жёлтый
Метиловый фиолетовый [III]		2,0-3,0 [III]		фиолетовый
(Ди)метиловый жёлтый	О	3,0-4,0		жёлтый
Бромфеноловый синий	К	3,0-4,6		сине-фиолетовый
Конго красный		3,0-5,2		синий
Метиловый оранжевый	О	3,1-(4,0)4,4		(оранжево-)жёлтый
Бромкрезоловый зелёный	К	3,8-5,4		синий
Бромкрезоловый синий		3,8-5,4		синий
Лакмоид	К	4,0-6,4		синий
Метиловый красный	О	4,2(4,4)-6,2(6,3)		жёлтый
Хлорфеноловый красный	К	5,0-6,6		красный
Лакмус (азолитмин)		5,0-8,0 (4,5-8,3)		синий
Бромкрезоловый пурпурный	К	5,2-6,8(6,7)		ярко-красный
Бромтимоловый синий	К	6,0-7,6		синий
Нейтральный красный	О	6,8-8,0		янтарно-жёлтый
Феноловый красный	О	6,8-(8,0)8,4		ярко-красный
Крезоловый красный [II]	К	7,0(7,2)-8,8 [II]		тёмно-красный
α-Нафтолфталеин	К	7,3-8,7		синий
Тимоловый синий [II]	К	8,0-9,6 [II]		синий
Фенолфталеин[4] [I]	К	8,2-10,0 [I]		малиново-красный
Тимолфталеин	К	9,3(9,4)-10,5(10,6)		синий
Ализариновый жёлтый ЖЖ	К	10,1-12,0		коричнево-жёлтый
Нильский голубой		10,1-11,1		красный
Диазофиолетовый		10,1-12,0		фиолетовый
Индигокармин		11,6-14,0		жёлтый
Epsilon Blue		11,6-13,0		тёмно-фиолетовый

Взаимодействие с кислотами

Реакция нейтрализации между гидроксидом натрия и соляной кислотой. Индикаторный агент бромтимоловый синий.

Щёлочи, как основания, взаимодействуют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации). Это одно из самых важных химических свойств щелочей.

Щёлочь + Кислота → Соль + Вода

${\displaystyle {\mathsf {NaOH+HCl\longrightarrow NaCl+H_{2}O}}}$;

${\displaystyle {\mathsf {NaOH+HNO_{3}\longrightarrow NaNO_{3}+H_{2}O}}}$.

Взаимодействие с кислотными оксидами

Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами с образованием соли и воды:

Щёлочь + Кислотный оксид → Соль + Вода

${\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\longrightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}}$;

Взаимодействие с амфотерными оксидами

${\displaystyle {\mathsf {2KOH+ZnO{\xrightarrow {t^{o}C}}K_{2}ZnO_{2}+H_{2}O}}}$.

Взаимодействие с металлами, проявляющими амфотерные свойства

Растворы щелочей взаимодействуют с металлами, которые образуют амфотерные оксиды и гидроксиды (${\displaystyle {\mathsf {Zn,Al}}}$ и др). Уравнения этих реакций при сплавлении можно изобразить следующим образом:

${\displaystyle {\mathsf {Zn+2NaOH\longrightarrow Na_{2}ZnO_{2}+H_{2}\uparrow }}}$;

${\displaystyle {\mathsf {2Al+2KOH+2H_{2}O\longrightarrow 2KAlO_{2}+3H_{2}\uparrow }}}$.

В ходе этих реакций в растворах образуются гидроксокомплексы (продукты гидратации указанных выше солей):

${\displaystyle {\mathsf {Zn+2NaOH+2H_{2}O\longrightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}]+H_{2}\uparrow }}}$;

${\displaystyle {\mathsf {2Al+2KOH+6H_{2}O\longrightarrow 2K[Al(OH)_{4}]+3H_{2}\uparrow }}}$;

Взаимодействие с растворами солей

Растворы щелочей взаимодействуют с растворами солей, если образуется нерастворимый гидроксид или нерастворимая соль:

Раствор щёлочи + Раствор соли → Новый гидроксид + Новая соль

${\displaystyle {\mathsf {2NaOH+CuSO_{4}\longrightarrow Cu(OH)_{2}\downarrow +Na_{2}SO_{4}}}}$;

${\displaystyle {\mathsf {Ba(OH)_{2}+Na_{2}SO_{4}\longrightarrow 2NaOH+BaSO_{4}\downarrow }}}$;

Получение

Растворимые основания получают различными способами.

Электролиз растворов солей щелочных/щёлочноземельных металлов

Путём электролиза хлоридов и бромидов щелочных металлов:

${\displaystyle {\mathsf {2NaCl+2H_{2}O\longrightarrow 2NaOH+Cl_{2}+H_{2}}}}$;

Реакцию нужно проводить под вытяжкой, так как выделяющийся хлор очень вреден для здоровья.

Реакция воды с Щелочными/Щёлочноземельными металлами

Реакцией воды с металлами IA группы и IIA группы, можно получить гидроксид и водород, который может самовоспламениться из-за высоких температур реакции:

${\displaystyle {\mathsf {2Na+2H_{2}O=2NaOH+H_{2}}}}$;

Реакция воды с оксидами и пероксидами Щелочных/Щёлочноземельных металлов

Реакцией оксидов и пероксидов щелочных и щёлочноземельных металлов с водой, можно получить основания, в случае пероксидов продукты зависят от нагрева:

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}O_{2}+2H_{2}O=2NaOH+H_{2}O_{2}}}}$;

${\displaystyle {\mathsf {2Na_{2}O_{2}+2H_{2}O=4NaOH+O_{2}}}}$(t°);

${\displaystyle {\mathsf {CaO+H_{2}O=Ca(OH)_{2}}}}$;

Взаимодействие щелочей с солями Щелочных/Щёлочноземельных металлов в результате реакции щелочей с растворимыми солями образуется новая соль (Для удачного исхода реакции, конечным продуктом должна быть именно нерастворимая соль иначе мы получим лишь раствор свободных ионов) и щелочь.

${\displaystyle {\mathsf {3LiOH+K_{3}PO_{4}=Li_{3}PO_{4}+3KOH}}}$;

Реакция соли Щёлочноземельного металла, подвергаемого гидролизу

При реакции солей щелочных/щёлочноземельных металлов (подвергаемых гидролизу), образуется щёлочь и соответствующая аниону кислота:

${\displaystyle {\mathsf {SrS+H_{2}O=Sr(OH)_{2}+H_{2}S}}}$(t°);

Применение

Щёлочи широко применяются в различных производствах и медицине; также для дезинфекции прудов в рыбоводстве и как удобрение, в качестве электролита для щелочных аккумуляторов. В мыле и чистящих средствах также есть щелочь.

В почвоведении

Слабощелочная почва в почвоведении — это почва, водородный показатель которой выше 7,3. Большинство растений предпочитает слабокислые почвы (с pH от 6,0 до 6,8)^[5]. Кочанная капуста предпочитает щелочные почвы, и это может помешать другим растениям.