Щёлочи — свойства, получение и применение

Содержание

Физические свойства
Химические свойства
Качественные реакции на щёлочи
Взаимодействие с кислотами
Взаимодействие с кислотными оксидами
Взаимодействие с амфотерными оксидами
Взаимодействие с переходными (амфотерными) металлами
Взаимодействие с растворами солей
Получение
Гидролиз щелочных/щёлочноземельных металлов
Применение
В почвоведении

Щёлочи — гидроксиды щелочных, щёлочноземельных металлов и некоторых других элементов, например, таллия. К щелочам относятся хорошо растворимые в воде основания. При диссоциации щёлочи образуют анионы OH⁻ и катион металла.

К щелочам относятся гидроксиды металлов подгрупп Iа и IIа (начиная с кальция) периодической системы, например NaOH (едкий натр), KOH (едкое кали), Ba(OH)₂ (едкий барий). В качестве исключения можно отнести к щелочам гидроксид одновалентного таллия TlOH, который хорошо растворим в воде и является сильным основанием. Едкие щёлочи — тривиальное название гидроксидов лития LiOH, натрия NaOH, калия КОН, рубидия RbOH и цезия CsOH. Название «едкая щёлочь» обусловлено свойством разъедать кожу и слизистые оболочки, (вызывая сильные ожоги), бумагу и другие органические вещества.

Из-за очень большой химической активности щелочных металлов едкие щёлочи долгое время не удавалось разложить и они потому 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.

Физические свойства

Гидроксиды щелочных металлов (едкие щёлочи) представляют собой твёрдые, белые, очень гигроскопичные вещества. Щёлочи — сильные основания, очень хорошо растворимые в воде, причём реакция сопровождается значительным тепловыделением. 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 Ia и гидроксид радия в группе IIa. Кроме того, едкие щёлочи растворимы в этаноле и метаноле.

Химические свойства

Щёлочи проявляют основные свойства. В твёрдом состоянии все щёлочи поглощают H₂O из воздуха, а также CO₂ (также и в состоянии раствора) из воздуха, постепенно превращаясь в карбонаты. Щёлочи широко применяются в промышленности.

Качественные реакции на щёлочи

Водные растворы щелочей изменяют окраску индикаторов.

Индикатор и номер перехода	х	Интервал pH и номер перехода
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	o	1,3-3,2	жёлтый
Метиловый фиолетовый [III]		2,0-3,0 [III]	фиолетовый
(Ди)метиловый жёлтый	o	3,0-4,0	жёлтый
Бромфеноловый синий	к	3,0-4,6	сине-фиолетовый
Конго красный		3,0-5,2	синий
Метиловый оранжевый	o	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	o	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	o	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 [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

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

{mathsf {NaOH+HCllongrightarrow NaCl+H_{2}O}}

;

{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

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

;

Взаимодействие с амфотерными оксидами

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

Взаимодействие с переходными (амфотерными) металлами

Растворы щелочей взаимодействуют с металлами, которые образуют амфотерные оксиды и гидроксиды ( ${mathsf {Zn,Al}}$ и др). Уравнения этих реакций в упрощённом виде могут быть записаны следующим образом:

{mathsf {Zn+2NaOHlongrightarrow Na_{2}ZnO_{2}+H_{2}uparrow }}

;

{mathsf {2Al+2KOH+2H_{2}Olongrightarrow 2KAlO_{2}+3H_{2}uparrow }}

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

{mathsf {Zn+2NaOH+2H_{2}Olongrightarrow Na_{2}[Zn(OH)_{4}]+H_{2}uparrow }}

;

{mathsf {2Al+2KOH+6H_{2}Olongrightarrow 2K[Al(OH)_{4}]+3H_{2}uparrow }}

;

Взаимодействие с растворами солей

Растворы щелочей взаимодействуют с растворами солей, если образуется нерастворимое основание или нерастворимая соль:

Раствор щёлочи + Раствор соли → Новое основание + Новая соль

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

;

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

;

Получение

Растворимые основания получают различными способами.

Гидролиз щелочных/щёлочноземельных металлов

Получают путём электролиза хлоридов щелочных металлов или действием воды на оксиды щелочных металлов.

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 почвоведении

Слабощелочная почва в почвоведении — это почва, водородный показатель которой выше 7,3. Хотя кочанная капуста предпочитает именно щелочные почвы, они могут помешать другим растениям. Большинство растений предпочитает слабокислые почвы (с pH от 6,0 до 6,8).