Одним из наиболее широко используемых в промышленности веществ является гидроксид алюминия. В этой статье о нем и пойдет речь.
Что такое гидроксид?
Это химическое соединение, которое образуется при взаимодействии оксида с водой. Существует три их разновидности: кислотные, основные и амфотерные. Первые и вторые разделяются на группы в зависимости от их химической активности, свойств и формулы.
Что такое амфотерные вещества?
Амфотерными могут быть оксиды и гидроксиды. Это такие вещества, для которых характерно проявлять как кислотные, так и основные свойства, в зависимости от условий реакции, используемых реагентов и т. д. К амфотерным оксидам относятся два вида оксида железа, оксид марганца, свинца, бериллия, цинка, а также алюминия. Последний, кстати, чаще всего получают из его гидроксида. К амфотерным же гидроксидам можно отнести гидроксид бериллия, железа, а также гидроксид алюминия, который мы сегодня и рассмотрим в нашей статье.
Физические свойства гидроксида алюминия
Данное химическое соединение представляет собой твердое белое вещество. Оно не растворяется в воде.
Гидроксид алюминия — химические свойства
Как уже было сказано выше, это наиболее яркий представитель группы амфотерных гидроксидов. В зависимости от условий реакции, он может проявлять как основные, так и кислотные свойства. Данное вещество способно растворяться в кислотах, при этом образуется соль и вода.
К примеру, если смешать его с хлорной кислотой в равном количестве, то получим алюминий хлорид с водой также в одинаковых пропорциях. Также еще одно вещество, с которым реагирует гидроксид алюминия, — гидроксид натрия. Это типичный основной гидроксид. Если смешать в равных количествах рассматриваемое вещество и раствор гидроксида натрия, то получим соединение под названием тетрагидроксоалюминат натрия. В его химической структуре содержится атом натрия, атом алюминия, по четыре атома оксигена и гидрогена. Однако при сплавлении этих веществ реакция идет несколько по-другому, и образуется уже не это соединение. В результате данного процесса можно получить метаалюминат натрия (в его формулу входят по одному атому натрия и алюминия и два атома оксигена) с водой в равных пропорциях, при условии, если смешать одинаковое количество сухих гидроксидов натрия и алюминия и подействовать на них высокой температурой. Если же смешать его с гидроксидом натрия в других пропорциях, можно получить гексагидроксоалюминат натрия, который содержит три атома натрия, один атом алюминия и по шесть оксигена и гидрогена. Для того чтобы образовалось данное вещество, нужно смешать рассматриваемое вещество и раствор гидроксида натрия в пропорциях 1:3 соответственно. По описанному выше принципу можно получить соединения под названием тетрагидроксоалюминат калия и гексагидроксоалюминат калия. Также рассматриваемое вещество подвержено разложению при воздействии на него очень высоких температур. Вследствие такого рода химической реакции образуется оксид алюминия, который также обладает амфотерностью, и вода. Если взять 200 г гидроксида и нагреть его, то получим 50 г оксида и 150 г воды. Кроме своеобразных химических свойств, данное вещество проявляет также и обычные для всех гидроксидов свойства. Оно вступает во взаимодействие с солями металлов, которые имеют более низкую химическую активность, нежели алюминий. Для примера можно рассмотреть реакцию между ним и хлоридом меди, для которой нужно взять их в соотношении 2:3. При этом выделится водорастворимый хлорид алюминия и осадок в виде гидроксида купрума в пропорциях 2:3. Также рассматриваемое вещество реагирует и с оксидами подобных металлов, для примера можно взять соединение той же меди. Для проведения реакции потребуется гидроксид алюминия и оксид купрума в соотношении 2:3, в результате чего получим алюминий оксид и гидроксид меди. Свойствами, которые были описаны выше, также обладают и другие амфотерные гидроксиды, такие как гидроксид железа или бериллия.
Что такое гидроксид натрия?
Как видно выше, существует много вариантов химических реакций гидроксида алюминия с гидроксидом натрия. Что же это за вещество? Это типичный основной гидроксид, то есть химически активная, растворимая в воде основа. Он обладает всеми химическими свойствами, которые характерны для основных гидроксидов.
То есть он может растворяться в кислотах, к примеру, при смешивании натрий гидроксида с хлорной кислотой в равных количествах можно получить пищевую соль (хлорид натрия) и воду в пропорции 1:1. Также данный гидроксид вступает в реакции с солями металлов, которые обладают более низкой химической активностью, нежели натрий, и их оксидами. В первом случае происходит стандартная реакция обмена. При добавлении к нему, к примеру, хлорида серебра, образуется хлорид натрия и гидроксид серебра, который выпадает в осадок (реакция обмена осуществима только в случае, если одно из веществ, полученных в ее результате, будет осадком, газом либо водой). При добавлении к натрий гидроксиду, например, оксида цинка, получаем гидроксид последнего и воду. Однако намного более специфическими являются реакции данного гидроксида AlOH, которые были описаны выше.
Получение AlOH
Когда мы уже рассмотрели основные его химические свойства, можно поговорить о том, как же его добывают. Основной способ получения данного вещества — проведение химической реакции между солью алюминия и натрий гидроксидом (может использоваться и калий гидроксид).
При такого рода реакции образуется сам AlOH, выпадающий в белый осадок, а также новая соль. Например, если взять алюминий хлорид и добавить к нему в три раза больше гидроксида калия, то полученными веществами будут рассматриваемое в статье химическое соединение и в три раза больше хлорида калия. Также существует метод получения AlOH, который предусматривает проведение химической реакции между раствором соли алюминия и карбонатом основного металла, для примера возьмем натрий. Для получения гидроксида алюминия, кухонной соли и углекислого газа в пропорциях 2:6:3 необходимо смешать хлорид алюминия, карбонат натрия (соду) и воду в соотношении 2:3:3.
Где используется алюминий гидроксид?
Гидроксид алюминия находит свое применение в медицине.
Благодаря его способности нейтрализовать кислоты, препараты с его содержанием рекомендуются при изжоге. Также его выписывают при язвах, острых и хронических воспалительных процессах кишечника. Кроме того, гидроксид алюминия используют в изготовлении эластомеров. Также он широко применяется в химической промышленности для синтеза оксида алюминия, алюминатов натрия — эти процессы были рассмотрены выше. Кроме того, его часто используют во время очистки воды от загрязнений. Также данное вещество широко применяется в изготовлении косметических средств.
Где применяются вещества, которые можно получить с его помощью?
Оксид алюминия, который может быть получен вследствие термического разложения гидроксида, используется при изготовлении керамики, применяется в качестве катализатора для проведения разнообразных химических реакций. Тетрагидроксоалюминат натрия находит свое использование в технологии окрашивания тканей.
Алюминия гидроксид также называется гидроокисью алюминия, обладает антацидными свойствами (снижает кислотность желудочного сока), и поэтому применяется в медицинской практике для симптоматического лечения заболеваний желудка или двенадцатиперстной кишки. Данное вещество используется в медицине довольно длительный промежуток времени, но в настоящее время его вытесняют более современные препараты группы антацидов. Однако во многих случаях до сих пор гидроксид алюминия остается оптимальным препаратом по многим параметрам, вследствие чего необходимо хорошо знать его свойства и терапевтические эффекты.
Гидроксид алюминия – краткая характеристика вещества, его свойства и способы применения
Гидроксид алюминия представляет собой химическое соединение, которое входит в перечень медицинских средств группы антацидов. Все антациды снижают кислотность желудочного сока, благодаря чему устраняют изжогу, чувство тяжести, дискомфорта и боли в животе после еды, а также применяются для комплексного лечения язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гастро-эзофагеального рефлюкса и т. д. Гидроксид алюминия, являясь антацидом, также снижает кислотность желудочного сока и, соответственно, может применяться для терапии вышеуказанных состояний и заболеваний.В странах бывшего СССР к гидроксиду алюминия часто относят вещество, которое называется алгелдрат (моногидрат оксида алюминия) , что не совсем правильно, поскольку химическая структура данных соединений различна. Так, гидроксид алюминия – это, по сути, щелочь, а алгелдрат – оксид, содержащий дополнительно молекулу воды. Поэтому, с позиции академической науки, да и с практической точки зрения объединять данные вещества в одно не следует, ведь они имеют различные химические и физические свойства. Более того, в анатомо-терапевто-химической классификации лекарственных веществ алгелдрат и алюминия гидроксид также разделены и имеют различные коды, вследствие чего объединять их не следует. Мы также не станем объединять алгелдрат и алюминия гидроксид в одно вещество, и рассмотрим свойства только первого соединения, чтобы не создавать путаницу.
В настоящее время в качестве самостоятельного антацидного средства гидроксид алюминия практически не применяется в медицинской практике, поскольку, во-первых, обладает рядом весьма неприятных побочных эффектов, а во-вторых, потому что появились современные, более эффективные средства с лучшей переносимостью. Как правило, алюминия гидроксид в медицинской практике применяется в сочетании с магния гидроксидом, поскольку последний улучшает переносимость соединения алюминия. В странах СНГ имеется всего несколько препаратов, содержащих алюминия гидроксид в качестве активного вещества – это Рокжель (Рокгель) и Алюминия гидроокись-Ривофарм. В США и Европе имеется более широкий спектр препаратов, содержащих алюминия гидроксид и применяющихся в медицинской практике по сей день.
Однако многие могут возразить, что алюминия гидроксид входит в состав многих современных антацидных препаратов в качестве одного из активных компонентов наравне с другими веществами, например, магния гидроксидом. Подобное мнение является не совсем правильным, поскольку в современных препаратах содержится не алюминия гидроксид, а алгелдрат, который просто часто считают тем же веществом, что и гидроксид алюминия. Но, как мы уже говорили, алгелдрат и алюминия гидроксид – это разные химические соединения, которые не следует объединять в одно целое.
Алюминия гидроксид, несмотря на недостатки, входит в перечень лекарственных веществ и пусть не часто, но используется в практической медицине. Поэтому мы рассмотрим его свойства и правила применения.
Итак, гидроксид алюминия представляет собой рыхлый порошок, практически не растворимый в воде, но способный формировать гелеобразную структуру. Именно благодаря способности формировать гелеобразную структуру порошок гидроксида алюминия для медицинского применения взбалтывают с водой, получая суспензию для приема внутрь. Вещество обладает антацидным, адсорбирующим и обволакивающим свойствами.
Гидроксид алюминия, как правило, применяется внутрь для лечения заболеваний пищеварительного тракта, связанных с повышенной кислотностью желудочного сока, таких, как язвенная болезнь желудка или двенадцатиперстной кишки, гастриты , эзофагиты , колит и т. д.
Несколько реже алюминия гидроксид применяют для устранения гиперфосфатемии (повышенный уровень фосфатов в крови) на фоне почечной недостаточности. Дело в том, что гидроксид алюминия связывает избыток фосфатов в кишечнике, которые при почечной недостаточности не выводятся из организма в нормальном объеме, тем самым как бы помогая почкам удалять данные соли.
Кроме того, в редких случаях гидроксид алюминия применяют наружно в качестве вяжущего средства при заболеваниях кожи.
Внутрь гидроксид алюминия, как правило, принимают в виде суспензии, которая представляет собой тщательно разболтанный в воде порошок. В редких случаях при невозможности приготовить суспензию гидроксид алюминия принимают внутрь непосредственно в виде порошка.
Наружно гидроксид алюминия используют только в порошке, присыпая им пораженные участки кожного покрова.
Лекарственные препараты, содержащие гидроксид алюминия
В странах СНГ имеется только два лекарственных препарата, содержащих гидроксид алюминия в качестве активного вещества – это Рокжель (Рокгель) и Алюминия гидроксид-Ривофарм. В странах Европы и США имеется гораздо более широкий спектр лекарственных препаратов с гидроксидом алюминия в качестве единственного активного вещества, таких, как например Alternagel, Amphojel, Aloh-Gel и т. д.Препаратов, которые содержат в качестве одного из активных компонентов алгелдрат, на рынке стран СНГ существенно больше, поскольку они являются более эффективными, безопасными и современными. Для облегчения ориентирования приведем перечень антацидных препаратов, присутствующих на фармацевтическом рынке стран СНГ, содержащих алгелдрат в качестве активного вещества:
- Аджифлюкс (алгелдрат + гидроксид магния) таблетки;
- Алмагель, Алмагель А и Алмагель Нео (алгелдрат + гидроксид магния) – суспензия;
- Алтацид (алгелдрат + гидроксид магния) – суспензия и таблетки жевательные;
- Алюмаг (алгелдрат + гидроксид магния) таблетки;
- Гастрацид (алгелдрат + гидроксид магния) таблетки;
- Маалокс и Маалокс мини (алгелдрат + гидроксид магния) таблетки и суспензия;
- Палмагель (алгелдрат + гидроксид магния) гель для приема внутрь;
- Сималгел ВМ (алгелдрат + гидроксид магния + симетикон) суспензия для приема внутрь.
Терапевтическое действие
Гидроксид алюминия обладает тремя основными фармакологическими свойствами:- Антацидное действие;
- Адсорбирующее действие;
- Обволакивающее действие.
В кишечнике алюминий не всасывается, а образует нерастворимые соли – фосфаты, которые провоцируют запоры. Поэтому при применении в качестве антацидного средства только алюминия гидроксида следует принимать слабительные препараты . Устранить запоры можно комплексным приемом гидроксида алюминия в сочетании с гидроксидом магния, что, как правило, успешно и делается.
Адсорбирующее свойство гидроксида алюминия заключается в его способности связывать молекулы соляной кислоты и, тем самым, нейтрализовывать их, усиливая антацидный эффект, основанный на химической реакции.
Обволакивающее свойство гидроксида алюминия заключается в его способности равномерно распределяться по слизистой оболочке желудка, образуя на ней тонкую защитную пленку, предохраняющую от повреждающего воздействия как соляной кислоты, так и некоторых видов пищи.
Таким образом, гидроксид алюминия применяется в качестве симптоматического средства для устранения различных неприятных ощущений, обусловленных повышенной кислотностью желудочного сока. Поскольку кислотность желудочного сока может быть повышенной не только при тяжелых серьезных заболеваниях, но и на фоне функциональных расстройств, то гидроксид алюминия нельзя считать препаратом только для лечения патологии, поскольку его можно применять и исключительно в качестве симптоматического средства для устранения неприятных ощущений.
Отдельно следует сказать еще об одном свойстве гидроксида алюминия, которое также используется в медицинской практике. Так, данное вещество, попадая из желудка в кишечник, связывает фосфаты , образуя с ними нерастворимые соли и выводя их из организма вместе с калом. Способность гидроксида алюминия выводить из организма фосфаты используется в комплексной терапии почечной недостаточности, при которой, напротив, данные соли накапливаются и вызывают различные расстройства. Ведь фосфаты в норме выводятся в основном почками, а при почечной недостаточности, соответственно, эти соли не удаляются из организма в необходимом объеме и накапливаются. Применение гидроксида алюминия позволяет удалить избыток фосфатов из организма и, тем самым, улучшить самочувствие человека, страдающего почечной недостаточностью.
Показания к применению
Гидроксид алюминия показан к применению в составе комплексной терапии следующих заболеваний, а также для устранения диспепсических симптомов:- Эзофагит;
Электронная конфигурация внешнего уровня алюминия … 3s 2 3p 1 .
В возбужденном состоянии один из s-электронов переходит на свободную ячейку p-подуровня, такое состояние отвечает валентности III и степени окисления +3.
Во внешнем электронном слое атома алюминия существуют свободные d-подуровни. Благодаря этому его координационное число в соединениях может равняться не только 4 ([А1(ОН) 4 ] -), но и 6 – ([А1(ОН) 6 ] 3-).
Нахождение в природе
Самый распространенный в земной коре металл, общее содержание алюминия в земной коре составляет 8, 8%.
В свободном виде в природе не встречается.
Важнейшие природные соединения – алюмосиликаты:
белая глина Al 2 O 3 ∙ 2SiO 2 ∙ 2H 2 O, полевой шпат K 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙ 6SiO 2 , слюда K 2 O ∙ Al 2 O 3 ∙ 6SiO 2 ∙ H 2 O
Из других природных форм нахождения алюминия наибольшее значение имеют бокситы А1 2 Оз ∙ nН 2 О, минералы корунд А1 2 Оз и криолит А1Fз ∙3NaF.
Получение
В настоящее время в промышленности алюминий получают электролизом оксида алюминия А1 2 О 3 в расплаве криолита.
Процесс электролиза сводится в конечном итоге к разложению А1 2 Оз электрическим током
2А1 2 Оз = 4А1 + 3О 2 (950 0 C, А1Fз ∙3NaF,эл.ток)
На катоде выделяется жидкий алюминий:
А1 3+ + 3е- = Al 0
На аноде выделяется кислород.
Физические свойства
Легкий, серебристо-белый, пластичный металл, хорошо проводит электрический ток и тепло.
На воздухе алюминий покрывается тончайшей (0,00001 мм), но очень плотной пленкой оксида, предохраняющей металл от дальнейшего окисления и придающей ему матовый вид.
Алюминий легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.
Химические свойства
Алюминий является весьма активным металлом, немного уступающим по активности элементам начала периода – натрию и магнию.
1. алюминий легко соединяется с кислородом при комнатной температуре, при этом на поверхности алюминия образуется оксидная пленка (слой А1 2 О 3). Эта пленка очень тонкая (≈ 10 -5 мм), но прочная. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и поэтому называется защитной пленкой
4Al + 3O 2 = 2Al 2 O 3
2. при взаимодействии с галогенами образуются галогениды:
с хлором и бромом взаимодействие происходит уже при обычной температуре, с йодом и серой - при нагревании.
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3
2Al + 3S= Al 2 S 3
3. при очень высоких температурах алюминий непосредственно соединяется также с азотом и углеродом.
2Al + N 2 = 2AlN нитрид алюминия
4Al + 3С = Al 4 С 3 карбид алюминия
C водородом алюминий не взаимодействует.
4. по отношению к воде алюминий вполне устойчив. Но если механическим путем или амальгамированием снять предохраняющее действие оксидной пленки, то происходит энергичная реакция:
2Al + 6Н 2 О = 2Al(ОН) 3 + 3H 2
5. взаимодействие алюминия с кислотами
С разб. кислотами (HCl, H 2 SO 4) алюминий взаимодействует с образованием водорода.
2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2
На холоду алюминий не взаимодействует с концентрированными серной и азотной кислотой.
Взаимодействует с конц. серной кислотой при нагревании
8Al + 15H 2 SO 4 = 4Al 2 (SO 4) 3 + 3H 2 S + 12H 2 O
С разбавленной азотной кислотой алюминий реагирует с образованием NO
Al + 4HNO 3 = Al(NO 3) 3 + NO +2H 2 O
6. взаимодействие алюминия со щелочами
Алюминий, как и другие металлы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, взаимодействуют с растворами щелочей.
Алюминий при обычных условиях, как уже было отмечено, покрыт защитной пленкой А1 2 О 3 . При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида алюминия А1 2 О 3 растворяется, причем образуются алюминаты - соли, содержащие алюминий в составе аниона:
А1 2 О 3 + 2NaOH + 3Н 2 О = 2Na
Алюминий, лишенный защитной пленки, взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород
2Al + 6Н 2 О = 2Al (ОН) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия, реагирует с избытком щелочи, образуя тетрагидроксоалюминат
Аl(ОН) 3 + NaOH = Na
Суммарное уравнение растворения алюминия в водном растворе щелочи:
2Al + 2NaOH + 6Н 2 О = 2Na+ 3H 2
Оксид алюминия А1 2 О 3
Белое твердое вещество, нерастворимое в воде, температура плавления 2050 0 С.
Природный А1 2 О 3 - минерал корунд. Прозрачные окрашенные кристаллы корунда - красный рубин – содержит примесь хрома - и синий сапфир - примесь титана и железа - драгоценные камни. Их получают так же искусственно и используют для технических целей, например, для изготовления деталей точных приборов, камней в часах и т.п.
Химические свойства
Оксид алюминия проявляет амфотерные свойства
1. взаимодействие с кислотами
А1 2 О 3 +6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O
2. взаимодействие со щелочами
А1 2 О 3 + 2NaOH – 2NaAlO 2 + H 2 O
Al 2 O 3 + 2NaOH + 5H 2 O = 2Na
3. при накаливании смеси оксида соответствующего металла с порошком алюминия происходит бурная реакция, ведущая к выделению из взятого оксида свободного металла. Метод восстановления при помощи Al (алюмотермия) часто применяют для получения ряда элементов (Cr, Мп, V, W и др.) в свободном состоянии
2А1 + WO 3 = А1 2 Оз + W
4. взаимодействие с солями, имеющими сильнощелочную среду, вследствие гидролиза
Al 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2 NaAlO 2 + CO 2
Гидроксид алюминия А1(ОН) 3
А1(ОН) 3 представляет собой объемистый студенистый осадок белого цвета, практически нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в кислотах и сильных щелочах. Он имеет, следовательно, амфотерный характер.
Получают гидроксид алюминия реакцией обмена растворимых солей алюминия со щелочами
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 ↓ + 3NaCl
Al 3+ + 3OH - = Al(OH) 3 ↓
Данную реакцию можно использовать как качественную на ион Al 3+
Химические свойства
1. взаимодействие с кислотами
Al(OH) 3 +3HCl = 2AlCl 3 + 3H 2 O
2. при взаимодействии с сильными щелочами образуются соответствующие алюминаты:
NaOH + А1(ОН)з = Na
3. термическое разложение
2Al(OH) 3 = Al 2 О 3 + 3H 2 O
Соли алюминия подвергаются гидролизу по катиону, среда кислая (рН < 7)
Al 3+ + Н + ОН - ↔ AlОН 2+ + Н +
Al(NO 3) 3 + H 2 O↔ AlOH(NO 3) 2 + HNO 3
Растворимые соли алюминия и слабых кислот подвергаются полному (необратимому гидролизу)
Al 2 S 3 + 3H 2 O = 2Al(OH) 3 +3H 2 S
Применение в медицине и народном хозяйстве алюминия и его соединений.
Легкость алюминия и его сплавов и большая устойчивость к воздуху и воде обуславливают их применение в машиностроении, авиастроении. В виде чистого металла алюминий применяется для изготовления электрических проводов.
Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и препаратов.
Оксид алюминия Al 2 O 3 – входит в состав некоторых антацидных средств (например, Almagel), используется при повышенной кислотности желудочного сока.
КAl(SO 4) 3 12H 2 О – алюмокалиевые квасцы применяются в медицине для лечения кожных заболеваний, как кровоостанавливающие средство. А также используют как дубильное вещество в кожевенной промышленности.
(CH 3 COO) 3 Al - Жидкость Бурова- 8% раствор ацетата алюминия оказывает вяжущее и противовоспалительное действие, в больших концентрациях обладает умеренными антисептическими свойствами. Применяется в разведенном виде для полоскания, примочек, при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек.
AlCl 3 - применяется в качестве катализатора в органическом синтезе.
Al 2 (SO 4) 3 · 18 H 2 0 – применяется при очистки воды.
Контрольные вопросы для закрепления:
1. Назовите высшую валентность степень окисления элементов III А группы. Объясните с точки зрения строения атома.
2.Назовите важнейшие соединения бора. Что является качественной реакцией на борат-ион?
3. Какие химические свойства имеют оксид и гидроксид алюминия?
Обязательная
Пустовалова Л.М., Никанорова И.Е. Неорганическая химия. Ростов-на-Дону. Феникс. 2005. –352с. гл. 2.1 с. 283-294
Дополнительная
1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.:Высшая школа, 2009.- 368с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. КноРус, 2009.-436 с.
3. Ерохин Ю.М. Химия. Учебник для студ. Сред проф.образ.-М.: Академия, 2006.- 384с.
Электронные ресурсы
1. Открытая химия: полный интерактивный курс химии для уч-ся школ, лицеев, гимназий, колледжей, студ. технич.вузов: версия 2.5-М.: Физикон, 2006. Электронный оптический диск CD-ROM
2. .1С: Репетитор – Химия, для абитуриентов, старшеклассников и учителей, ЗАО «1С», 1998-2005. Электронный оптический диск CD-ROM
3. Химия. Основы теоретической химии. [Электронный ресурс]. URL: http://chemistry.narod.ru/himiya/default.html
4. Электронная библиотека учебных материалов по химии [Электронный ресурс]. URL: http://www.chem.msu.su/rus/elibrary/
Основания – сложные вещества, которые состоят из катиона металла Ме + (или металлоподобного катиона, например, иона аммония NH 4 +) и гидроксид-аниона ОН — .
По растворимости в воде основания делят на растворимые (щелочи) и нерастворимые основания . Также есть неустойчивые основания , которые самопроизвольно разлагаются.
Получение оснований
1. Взаимодействие основных оксидов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое основание (щелочь). Т.е. таким способом можно получить только щёлочи:
основный оксид + вода = основание
Например , оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):
Na 2 O + H 2 O → 2NaOH
При этом оксид меди (II) с водой не реагирует :
CuO + H 2 O ≠
2. Взаимодействие металлов с водой. При этом с водой реагируют в обычных условиях только щелочные металлы (литий, натрий, калий. рубидий, цезий) , кальций, стронций и барий. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, окислителем выступает водород, восстановителем является металл.
металл + вода = щёлочь + водород
Например , калий реагирует с водой очень бурно :
2K 0 + 2H 2 + O → 2K + OH + H 2 0
3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов . Как правило, для получения щелочей электролизу подвергают растворы солей, образованных щелочными или щелочноземельными металлами и бескилородными кислотами (кроме плавиковой) – хлоридами, бромидами, сульфидами и др. Более подробно этот вопрос рассмотрен в статье .
Например , электролиз хлорида натрия:
2NaCl + 2H 2 O → 2NaOH + H 2 + Cl 2
4. Основания образуются при взаимодействии других щелочей с солями. При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:
либо
щелочь + соль 1 = соль 2 ↓ + щелочь
Например: карбонат калия реагирует в растворе с гидроксидом кальция:
K 2 CO 3 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 ↓ + 2KOH
Например: хлорид меди (II) взаимодействет в растворе с гидроксидом натрия. При этом выпадает голубой осадок гидроксида меди (II) :
CuCl 2 + 2NaOH → Cu(OH) 2 ↓ + 2NaCl
Химические свойства нерастворимых оснований
1. Нерастворимые основания взаимодействуют с сильными кислотами и их оксидами (и некоторыми средними кислотами). При этом образуются соль и вода .
нерастворимое основание + кислота = соль + вода
нерастворимое основание + кислотный оксид = соль + вода
Например , гидроксид меди (II) взаимодействует с сильной соляной кислотой:
Cu(OH) 2 + 2HCl = CuCl 2 + 2H 2 O
При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:
Cu(OH) 2 + CO 2 ≠
2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду.
Например , гидроксид железа (III) разлагается на оксид железа (III) и воду при прокаливании:
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами.
нерастворимое оснвоание + амфотерный оксид ≠
нерастворимое основание + амфотерный гидроксид ≠
4. Некоторые нерастворимые основания могут выступать в качестве восстановителей . Восстановителями являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления , которые могут повысить свою степень окисления (гидроксид железа (II), гидроксид хрома (II) и др.).
Например , гидроксид железа (II) можно окислить кислородом воздуха в присутствии воды до гидроксида железа (III):
4Fe +2 (OH) 2 + O 2 0 + 2H 2 O → 4Fe +3 (O -2 H) 3
Химические свойства щелочей
1. Щёлочи взаимодействуют с любыми кислотами – и сильными, и слабыми . При этом образуются средняя соль и вода. Эти реакции называются реакциями нейтрализации . Возможно и образование кислой соли , если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты . В избытке щёлочи образуется средняя соль и вода:
щёлочь (избыток) + кислота = средняя соль + вода
щёлочь + многоосновная кислота (избыток) = кислая соль + вода
Например , гидроксид натрия при взаимодействии с трёхосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: дигидрофосфаты , фосфаты или гидрофосфаты .
При этом дигидрофосфаты образуются в избытке кислоты, либо при мольном соотношении (соотношении количеств веществ) реагентов 1:1.
NaOH + H 3 PO 4 → NaH 2 PO 4 + H 2 O
При мольном соотношении количества щелочи и кислоты 2:1 образуются гидрофосфаты:
2NaOH + H 3 PO 4 → Na 2 HPO 4 + 2H 2 O
В избытке щелочи, либо при мольном соотношении количества щелочи и кислоты 3:1 образуется фосфат щелочного металла.
3NaOH + H 3 PO 4 → Na 3 PO 4 + 3H 2 O
2. Щёлочи взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами. При этом в расплаве образуются обычные соли , а в растворе – комплексные соли .
щёлочь (расплав) + амфотерный оксид = средняя соль + вода
щёлочь (расплав) + амфотерный гидроксид = средняя соль + вода
щёлочь (раствор) + амфотерный оксид = комплексная соль
щёлочь (раствор) + амфотерный гидроксид = комплексная соль
Например , при взаимодействии гидроксида алюминия с гидроксидом натрия в расплаве образуется алюминат натрия. Более кислотный гидроксид образует кислотный остаток:
NaOH + Al(OH) 3 = NaAlO 2 + 2H 2 O
А в растворе образуется комплексная соль:
NaOH + Al(OH) 3 = Na
Обратите внимание, как составляется формула комплексной соли: сначала мы выбираем центральный атом (к ак правило, это металл из амфотерного гидроксида). Затем дописываем к нему лиганды — в нашем случае это гидроксид-ионы. Число лигандов, как правило, в 2 раза больше, чем степень окисления центрального атома. Но комплекс алюминия — исключение, у него число лигандов чаще всего равно 4. Заключаем полученный фрагмент в квадртаные скобки — это комплексный ион. Определяем его заряд и снаружи дописываем нужное количество катионов или анионов.
3. Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами. При этом возможно образование кислой или средней соли , в зависимости от мольного соотношения щёлочи и кислотного оксида. В избытке щёлочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида образуется кислая соль:
щёлочь (избыток) + кислотный оксид = средняя соль + вода
либо:
щёлочь + кислотный оксид (избыток) = кислая соль
Например , при взаимодействии избытка гидроксида натрия с углекислым газом образуется карбонат натрия и вода:
2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O
А при взаимодействии избытка углекислого газа с гидроксидом натрия образуется только гидрокарбонат натрия:
2NaOH + CO 2 = NaHCO 3
4. Щёлочи взаимодействуют с солями. Щёлочи реагируют только с растворимыми солями в растворе , при условии, что в продуктах образуется газ или осадок . Такие реакции протекают по механизму ионного обмена .
щёлочь + растворимая соль = соль + соответствующий гидроксид
Щёлочи взаимодействуют с растворами солей металлов, которым соответствуют нерастворимые или неустойчивые гидроксиды.
Например , гидроксид натрия взаимодействует с сульфатом меди в растворе :
Cu 2+ SO 4 2- + 2Na + OH — = Cu 2+ (OH) 2 — ↓ + Na 2 + SO 4 2-
Также щёлочи взаимодействуют с растворами солей аммония .
Например , гидроксид калия взаимодействует с раствором нитрата аммония:
NH 4 + NO 3 — + K + OH — = K + NO 3 — + NH 3 + H 2 O
! При взаимодействии солей амфотерных металлов с избытком щёлочи образуется комплексная соль!
Давайте рассмотрим этот вопрос подробнее. Если соль, образованная металлом, которому соответствует амфотерный гидроксид , взаимодействует с небольшим количеством щёлочи, то протекает обычная обменная реакция, и в осадок выпадает гидроксид этого металла .
Например , избыток сульфата цинка реагирует в растворе с гидроксидом калия:
ZnSO 4 + 2KOH = Zn(OH) 2 ↓ + K 2 SO 4
Однако, в данной реакции образуется не основание, а амфотерный гидроксид . А, как мы уже указывали выше, амфотерные гидроксиды растворяются в избытке щелочей с образованием комплексных солей . Таким образом, при взаимодействии сульфата цинка с избытком раствора щёлочи образуется комплексная соль, осадок не выпадает:
ZnSO 4 + 4KOH = K 2 + K 2 SO 4
Таким образом, получаем 2 схемы взаимодействия солей металлов, которым соответствуют амфотерные гидроксиды, с щелочами:
соль амф.металла (избыток) + щёлочь = амфотерный гидроксид↓ + соль
соль амф.металла + щёлочь (избыток) = комплексная соль + соль
5. Щёлочи взаимодействуют с кислыми солями. При этом образуются средние соли, либо менее кислые соли.
кислая соль + щёлочь = средняя соль + вода
Например , гидросульфит калия реагирует с гидроксидом калия с образованием сульфита калия и воды:
KHSO 3 + KOH = K 2 SO 3 + H 2 O
Свойства кислых солей очень удобно определять, разбивая мысленно кислую соль на 2 вещества — кислоту и соль. Например, гидрокарбонта натрия NaHCO 3 мы разбиваем на уольную кислоту H 2 CO 3 и карбонат натрия Na 2 CO 3 . Свойства гидрокарбоната в значительной степени определяются свойствами угольной кислоты и свойствами карбоната натрия.
6. Щёлочи взаимодействуют с металлами в растворе и расплаве. При этом протекает окислительно-восстановительная реакция, в растворе образуется комплексная соль и водород , в расплаве — средняя соль и водород .
Обратите внимание! С щелочами в растворе реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной положительной степенью окисления металла амфотерный!
Например , железо не реагирует с раствором щёлочи, оксид железа (II) — основный. А алюминий растворяется в водном растворе щелочи, оксид алюминия — амфотерный:
2Al + 2NaOH + 6H 2 + O = 2Na + 3H 2 0
7. Щёлочи взаимодействуют с неметалами. При этом протекают окислительно-восстановительные реакции. Как правило, неметаллы диспропорционируют в щелочах . Не реагируют с щелочами кислород, водород, азот, углерод и инертные газы (гелий, неон, аргон и др.):
NaOH +О 2 ≠
NaOH +N 2 ≠
NaOH +C ≠
Сера, хлор, бром, йод, фосфор и другие неметаллы диспропорционируют в щелочах (т.е. самоокисляются-самовосстанавливаются).
Например , хлор при взаимодействии с холодной щелочью переходит в степени окисления -1 и +1:
2NaOH +Cl 2 0 = NaCl — + NaOCl + + H 2 O
Хлор при взаимодействии с горячей щелочью переходит в степени окисления -1 и +5:
6NaOH +Cl 2 0 = 5NaCl — + NaCl +5 O 3 + 3H 2 O
Кремний окисляется щелочами до степени окисления +4.
Например , в растворе:
2NaOH +Si 0 + H 2 + O= NaCl — + Na 2 Si +4 O 3 + 2H 2 0
Фтор окисляет щёлочи:
2F 2 0 + 4NaO -2 H = O 2 0 + 4NaF — + 2H 2 O
Более подробно про эти реакции можно прочитать в статье .
8. Щёлочи не разлагаются при нагревании.
Исключение — гидроксид лития:
2LiOH = Li 2 O + H 2 O
Алюминий — амфотерный металл. Электронная конфигурация атома алюминия 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 . Таким образом, на внешнем электронном слое у него находятся три валентных электрона: 2 — на 3s- и 1 — на 3p-подуровне. В связи с таким строением для него характерны реакции, в результате которых атом алюминия теряет три электрона с внешнего уровня и приобретает степень окисления +3. Алюминий является высокоактивным металлом и проявляет очень сильные восстановительные свойства.
Взаимодействие алюминия с простыми веществами
с кислородом
При контакте абсолютно чистого алюминия с воздухом атомы алюминия, находящиеся в поверхностном слое, мгновенно взаимодействуют с кислородом воздуха и образуют тончайшую, толщиной в несколько десятков атомарных слоев, прочную оксидную пленку состава Al 2 O 3 , которая защищает алюминий от дальнейшего окисления. Невозможно и окисление крупных образцов алюминия даже при очень высоких температурах. Тем не менее, мелкодисперсный порошок алюминия довольно легко сгорает в пламени горелки:
4Аl + 3О 2 = 2Аl 2 О 3
с галогенами
Алюминий очень энергично реагирует со всеми галогенами. Так, реакция между перемешанными порошками алюминия и йода протекает уже при комнатной температуре после добавления капли воды в качестве катализатора. Уравнение взаимодействия йода с алюминием:
2Al + 3I 2 =2AlI 3
С бромом, представляющим собой тёмно-бурую жидкость, алюминий также реагирует без нагревания. Образец алюминия достаточно просто внести в жидкий бром: тут же начинается бурная реакция с выделением большого количества тепла и света:
2Al + 3Br 2 = 2AlBr 3
Реакция между алюминием и хлором протекает при внесении нагретой алюминиевой фольги или мелкодисперсного порошка алюминия в заполненную хлором колбу. Алюминий эффектно сгорает в хлоре в соответствии с уравнением:
2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3
с серой
При нагревании до 150-200 о С или после поджигания смеси порошкообразных алюминия и серы между ними начинается интенсивная экзотермическая реакция с выделением света:
— сульфид алюминия
с азотом
При взаимодействии алюминия с азотом при температуре около 800 o C образуется нитрид алюминия:
с углеродом
При температуре около 2000 o C алюминий взаимодействует с углеродом и образует карбид (метанид) алюминия, содержащий углерод в степени окисления -4, как в метане.
Взаимодействие алюминия со сложными веществами
с водой
Как уже было сказано выше, стойкая и прочная оксидная пленка из Al 2 O 3 не дает алюминию окисляться на воздухе. Эта же защитная оксидная пленка делает алюминий инертным и по отношению к воде. При снятии защитной оксидной пленки с поверхности такими методами, как обработка водными растворами щелочи, хлорида аммония или солей ртути (амальгирование), алюминий начинает энергично реагировать с водой с образованием гидроксида алюминия и газообразного водорода:
с оксидами металлов
После поджигания смеси алюминия с оксидами менее активных металлов (правее алюминия в ряду активности) начинается крайне бурная сильно-экзотермическая реакция. Так, в случае взаимодействия алюминия с оксидом железа (III) развивается температура 2500-3000 о С. В результате этой реакции образуется высокочистое расплавленное железо:
2AI + Fe 2 O 3 = 2Fe + Аl 2 О 3
Данный метод получения металлов из их оксидов путем восстановления алюминием называется алюмотермией или алюминотермией .
с кислотами-неокислителями
Взаимодействие алюминия с кислотами-неокислителями, т.е. практически всеми кислотами, кроме концентрированной серной и азотной кислот, приводит к образованию соли алюминия соответствующей кислоты и газообразного водорода:
а) 2Аl + 3Н 2 SO 4(разб.) = Аl 2 (SO 4) 3 + 3H 2
2Аl 0 + 6Н + = 2Аl 3+ + 3H 2 0 ;
б) 2AI + 6HCl = 2AICl 3 + 3H 2
с кислотами-окислителями
-концентрированной серной кислотой
Взаимодействие алюминия с концентрированной серной кислотой в обычных условиях, а также низких температурах не происходит вследствие эффекта, называемого пассивацией. При нагревании реакция возможна и приводит к образованию сульфата алюминия, воды и сероводорода, который образуется в результате восстановления серы, входящей в состав серной кислоты:
Такое глубокое восстановление серы со степени окисления +6 (в H 2 SO 4) до степени окисления -2 (в H 2 S) происходит благодаря очень высокой восстановительной способности алюминия.
— концентрированной азотной кислотой
Концентрированная азотная кислота в обычных условиях также пассивирует алюминий, что делает возможным ее хранение в алюминиевых емкостях. Так же, как и в случае с концентрированной серной, взаимодействие алюминия с концентрированной азотной кислотой становится возможным при сильном нагревании, при этом преимущественно протекает реакция:
— разбавленной азотной кислотой
Взаимодействие алюминия с разбавленной по сравнению с концентрированной азотной кислотой приводит к продуктам более глубокого восстановления азота. Вместо NO в зависимости от степени разбавления могут образовываться N 2 O и NH 4 NO 3:
8Al + 30HNO 3(разб.) = 8Al(NO 3) 3 +3N 2 O + 15H 2 O
8Al + 30HNO 3(оч. разб) = 8Al(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O
со щелочами
Алюминий реагирует как с водными растворами щелочей:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2
так и с чистыми щелочами при сплавлении:
В обоих случаях реакция начинается с растворения защитной пленки оксида алюминия:
Аl 2 О 3 + 2NaOH + 3H 2 O = 2Na
Аl 2 О 3 + 2NaOH = 2NaAlO 2 + Н 2 О
В случае водного раствора алюминий, очищенный от защитной оксидной пленки, начинает реагировать с водой по уравнению:
2Al + 6H 2 O = 2Al(OH) 3 + 3H 2
Образующийся гидроксид алюминия, будучи амфотерным, реагирует с водным раствором гидроксида натрия с образованием растворимого тетрагидроксоалюмината натрия:
Al(OH) 3 + NaOH = Na