Основания и амфотерные гидроксиды

Цели урока

• Систематизировать знания о классификации оснований (щёлочи, нерастворимые) и амфотерные гидроксиды.
• Изучить химические свойства щелочей, нерастворимых оснований, амфотерных гидроксидов и гидрата аммиака.
• Научиться составлять уравнения реакций, характеризующих свойства оснований.
• Отработать навыки решения заданий ЕГЭ по теме «Основания и амфотерные гидроксиды».

Зачем это нужно на ЕГЭ

Основания и амфотерные гидроксиды — один из ключевых классов неорганических соединений, знание свойств которых необходимо для успешного выполнения заданий:

• Задания 5–9 (базовый и повышенный уровни) проверяют умение классифицировать вещества, определять их принадлежность к определённому классу, составлять уравнения реакций с участием оснований.
• Задания 29–31 (высокий уровень) требуют составления окислительно-восстановительных реакций, реакций ионного обмена и схем генетических превращений с участием оснований и амфотерных гидроксидов.

Без прочного понимания темы невозможно получить высокий балл на ЕГЭ по химии.

Теория

Определение и общая характеристика

Основания (основные гидроксиды) — это сложные вещества, содержание в своем составе атомы металла (или катион аммония) и гидроксогруппы $\mathrm{OH}$.

Неорганические основания состоят из иона металла и одной или нескольких гидроксогрупп. Также основными свойствами обладают аммиак и его водные растворы, а также некоторые органические соединения (амины, аминокислоты).

По международной номенклатуре основания называются гидроксидами. Если металл имеет переменную степень окисления, её указывают в скобках: $\mathrm{Cu(OH)_2}$ — гидроксид меди(II), но $\mathrm{KOH}$ — гидроксид калия.

Тривиальные названия некоторых оснований:

• $\mathrm{Ca(OH)_2}$ — гашёная известь, известковая вода (раствор), известковое молоко (суспензия);
• $\mathrm{Ba(OH)_2}$ — баритовая вода;
• $\mathrm{NaOH}$ — едкий натр;
• $\mathrm{KOH}$ — едкое кали.

Основания классифицируют:

• По кислотности (числу гидроксогрупп): однокислотные ($\mathrm{NaOH}$), двухкислотные ($\mathrm{Ca(OH)_2}$) и т.д.
• По силе:
  • Сильные (щёлочи) — хорошо растворимые в воде гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов ($\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{KOH}$, $\mathrm{Ba(OH)_2}$, $\mathrm{Sr(OH)_2}$, $\mathrm{Ca(OH)_2}$ — малорастворим, но считается сильным).
  • Слабые — нерастворимые в воде основания ($\mathrm{Cu(OH)_2}$, $\mathrm{Fe(OH)_2}$, $\mathrm{Mg(OH)_2}$) и гидрат аммиака $\mathrm{NH_3\cdot H_2O}$.
• Амфотерные гидроксиды — проявляют свойства как оснований, так и кислот: $\mathrm{Al(OH)_3}$, $\mathrm{Zn(OH)_2}$, $\mathrm{Be(OH)_2}$, $\mathrm{Cr(OH)_3}$, $\mathrm{Fe(OH)_3}$, $\mathrm{Pb(OH)_2}$, $\mathrm{Sn(OH)_2}$.

Закономерности изменения основных свойств:

• В периоде слева направо основные свойства гидроксидов ослабевают.
• В главной подгруппе сверху вниз основные свойства усиливаются.
• Для одного металла с увеличением степени окисления основные свойства ослабевают (например, $\mathrm{Fe(OH)_2}$ — более сильное основание, чем $\mathrm{Fe(OH)_3}$).

Химические свойства нерастворимых оснований

1. Диссоциация (обратимая, незначительная):

   $$\mathrm{Cu(OH)_2 \rightleftharpoons CuOH^+ + OH^-}$$ $$\mathrm{CuOH^+ \rightleftharpoons Cu^{2+} + OH^-}$$

2. Разложение при нагревании с образованием оксида и воды:

   $$\mathrm{Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O}$$ $$\mathrm{Mg(OH)_2 \xrightarrow{t} MgO + H_2O}$$

3. Реакция с кислотами (нейтрализация):

   $$\mathrm{Cu(OH)_2 + H_2SO_4 = CuSO_4 + 2H_2O}$$ $$\mathrm{Mg(OH)_2 + 2HNO_3 = Mg(NO_3)_2 + 2H_2O}$$

4. Взаимодействие с кислотными оксидами (при нагревании):

   $$\mathrm{Mg(OH)_2 + SO_3 \xrightarrow{t} MgSO_4 + H_2O}$$ $$\mathrm{Cu(OH)_2 + SiO_2 \xrightarrow{t} CuSiO_3 + H_2O}$$

Химические свойства щелочей

1. Диссоциация (полная):

   $$\mathrm{NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-}$$ $$\mathrm{Ba(OH)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2OH^-}$$

   Щелочи изменяют окраску индикаторов: лакмус — синий, метилоранж — жёлтый, фенолфталеин — малиновый.

2. Взаимодействие с кислотными оксидами (в растворе или при сплавлении):

   $$\mathrm{2NaOH + CO_2 = Na_2CO_3 + H_2O}$$ $$\mathrm{NaOH + CO_2 \text{(изб.)} = NaHCO_3}$$ $$\mathrm{2KOH + SiO_2 \xrightarrow{t} K_2SiO_3 + H_2O}$$

3. Взаимодействие с амфотерными оксидами (при сплавлении или в растворе):

   $$\mathrm{Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O}$$ $$\mathrm{Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O = 2Na[Al(OH)_4]}$$

   (образование тетрагидроксоалюмината натрия)

4. Реакция нейтрализации с кислотами:

   $$\mathrm{2NaOH + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + 2H_2O}$$ $$\mathrm{KOH + HCl = KCl + H_2O}$$

5. Взаимодействие с амфотерными гидроксидами (в растворе или при сплавлении):

   • В растворе: $$\mathrm{2NaOH + Zn(OH)_2 = Na_2[Zn(OH)_4]}$$ $$\mathrm{3KOH + Al(OH)_3 = K_3[Al(OH)_6]}$$
   • При сплавлении: $$\mathrm{2NaOH + Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + 2H_2O\uparrow}$$ $$\mathrm{KOH + Al(OH)_3 \xrightarrow{t} KAlO_2 + 2H_2O\uparrow}$$

6. Реакции обмена с растворимыми солями (если образуется осадок, газ или слабый электролит):

   $$\mathrm{2KOH + MgCl_2 = Mg(OH)_2\downarrow + 2KCl}$$ $$\mathrm{NaOH + NH_4NO_3 = NaNO_3 + NH_3\uparrow + H_2O}$$ $$\mathrm{Ba(OH)_2 + Na_2SO_4 = BaSO_4\downarrow + 2NaOH}$$

   Со щелочами реагируют все соли аммония (выделяется $\mathrm{NH_3}$ или гидрат аммиака).

7. Взаимодействие с неметаллами (галогенами, серой, фосфором, кремнием):

   $$\mathrm{2KOH + Cl_2 = KCl + KClO + H_2O}$$ $$\mathrm{6KOH + 3Cl_2 = 5KCl + KClO_3 + 3H_2O}$$ $$\mathrm{2NaOH + Si + H_2O = Na_2SiO_3 + 2H_2\uparrow}$$ $$\mathrm{6KOH + 3S = 2K_2S + K_2SO_3 + 3H_2O}$$

8. Взаимодействие с некоторыми металлами (Al, Zn, Be):

   $$\mathrm{2Al + 2NaOH + 6H_2O = 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow}$$ $$\mathrm{Zn + 2NaOH + 2H_2O = Na_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow}$$

9. Взаимодействие с органическими веществами (фенолами, сложными эфирами, жирами).

10. Разложение при нагревании (только для $\mathrm{LiOH}$ и $\mathrm{Ca(OH)_2}$; другие щёлочи плавятся без разложения):

    $$\mathrm{2LiOH \xrightarrow{950^\circ C} Li_2O + H_2O}$$ $$\mathrm{Ca(OH)_2 \xrightarrow{550^\circ C} CaO + H_2O}$$

Химические свойства гидрата аммиака

Гидрат аммиака $\mathrm{NH_3\cdot H_2O}$ — слабое основание, проявляет свойства, аналогичные щелочам, но слабее.

• Реагирует с кислотными оксидами: $$\mathrm{2NH_3\cdot H_2O + SO_2 = (NH_4)_2SO_3 + H_2O}$$
• Реагирует с растворимыми солями (если выпадает осадок): $$\mathrm{3NH_3\cdot H_2O + AlCl_3 = Al(OH)_3\downarrow + 3NH_4Cl}$$
• Реакция нейтрализации с кислотами: $$\mathrm{NH_3\cdot H_2O + HCl = NH_4Cl + H_2O}$$

Химические свойства амфотерных гидроксидов

1. Нерастворимы в воде, диссоциируют обратимо и слабо.

2. Разлагаются при нагревании до амфотерного оксида и воды:

   $$\mathrm{2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O}$$ $$\mathrm{Zn(OH)_2 \xrightarrow{t} ZnO + H_2O}$$

3. Реагируют со щелочами (в растворе или при сплавлении) — проявляют кислотные свойства:

   • В растворе (комплексные соли): $$\mathrm{Al(OH)_3 + 3NaOH = Na_3[Al(OH)_6]}$$ $$\mathrm{Zn(OH)_2 + 2NaOH = Na_2[Zn(OH)_4]}$$
   • При сплавлении (средние соли): $$\mathrm{Al(OH)_3 + NaOH \xrightarrow{t} NaAlO_2 + 2H_2O\uparrow}$$ $$\mathrm{Zn(OH)_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + 2H_2O\uparrow}$$

4. Реагируют с кислотами — проявляют основные свойства:

   $$\mathrm{Al(OH)_3 + 3HNO_3 = Al(NO_3)_3 + 3H_2O}$$ $$\mathrm{Zn(OH)_2 + H_2SO_4 = ZnSO_4 + 2H_2O}$$ $$\mathrm{Cr(OH)_3 + H_3PO_4 = CrPO_4\downarrow + 3H_2O}$$

5. Реагируют с основными оксидами (при сплавлении) — проявляют кислотные свойства:

   $$\mathrm{2Al(OH)_3 + K_2O \xrightarrow{t} 2KAlO_2 + 3H_2O\uparrow}$$ $$\mathrm{Zn(OH)_2 + BaO \xrightarrow{t} BaZnO_2 + H_2O\uparrow}$$

6. Реагируют с кислотными оксидами (при нагревании) — проявляют основные свойства:

   $$\mathrm{2Al(OH)_3 + 3SO_3 \xrightarrow{t} Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O}$$ $$\mathrm{3Zn(OH)_2 + P_2O_5 \xrightarrow{t} Zn_3(PO_4)_2 + 3H_2O}$$

7. Взаимодействуют с карбонатами при сплавлении:

   $$\mathrm{2Al(OH)_3 + CaCO_3 \xrightarrow{t} Ca(AlO_2)_2 + CO_2\uparrow + 3H_2O}$$

Способы получения оснований

Получение нерастворимых оснований и амфотерных гидроксидов

Они получаются обменной реакцией между растворимой солью и щелочью (или гидратом аммиака, чтобы избежать растворения амфотерного гидроксида в избытке щёлочи):

$$\mathrm{MgSO_4 + 2KOH = Mg(OH)_2\downarrow + K_2SO_4}$$ $$\mathrm{CrCl_3 + 3NH_3\cdot H_2O = Cr(OH)_3\downarrow + 3NH_4Cl}$$

Получение щелочей

Получение гидрата аммиака

Растворение аммиака в воде или обменная реакция:

$$\mathrm{NH_3 + H_2O = NH_3\cdot H_2O}$$ $$\mathrm{(NH_4)_2SO_4 + Ba(OH)_2 = BaSO_4\downarrow + 2NH_3\cdot H_2O}$$

Примеры

Пример 1 (задание 5)

Установите соответствие между формулой гидроксида и его характеристикой.

Решение:

• $\mathrm{Al(OH)_3}$ — амфотерный гидроксид (В).
• $\mathrm{NaOH}$ — щёлочь (А).
• $\mathrm{Fe(OH)_2}$ — нерастворимое основание (Б).
• $\mathrm{Ca(OH)_2}$ — щёлочь (хотя малорастворим, но сильный электролит) (А). Однако в списке нет второго А, поэтому можно отнести к щелочам, но в данном случае правильнее будет отнести к нерастворимым? Нет, Ca(OH)₂ — щёлочь. Но так как у нас только одна характеристика для Ca(OH)₂, возможно, в задании подразумевается, что это щёлочь. Но чтобы избежать ошибки, можно сделать так: для 4) указать "Щёлочь". Тогда ответ: 1-В, 2-А, 3-Б, 4-А — но это повторение. Лучше изменить задание: дать другие гидроксиды.

Изменим пример: Пусть будут $\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{Mg(OH)_2}$, $\mathrm{Al(OH)_3}$, $\mathrm{NH_3\cdot H_2O}$ и характеристики: А) Щёлочь, Б) Нерастворимое основание, В) Амфотерный гидроксид, Г) Слабое основание (гидрат аммиака). Тогда:

• NaOH — А
• Mg(OH)₂ — Б
• Al(OH)₃ — В
• NH₃·H₂O — Г

Ответ: 1-А, 2-Б, 3-В, 4-Г.

Пример 2 (задание 6/7)

Гидроксид алюминия может реагировать с каждым из двух веществ:

1. $\mathrm{NaOH}$ и $\mathrm{HCl}$
2. $\mathrm{CO_2}$ и $\mathrm{H_2O}$
3. $\mathrm{Cu(OH)_2}$ и $\mathrm{HNO_3}$
4. $\mathrm{BaO}$ и $\mathrm{NaCl}$

Решение: $\mathrm{Al(OH)_3}$ — амфотерный, реагирует с щелочами (NaOH) и кислотами (HCl). С водой не реагирует, с основными оксидами реагирует при сплавлении, но в варианте есть BaO — с ним реагирует при нагревании, но в паре с NaCl — нет. Правильный ответ: 1.

Ответ: 1.

Пример 3 (задание 30 — ионный обмен)

Составьте молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнение реакции между гидроксидом калия и хлоридом магния.

Решение:

• Молекулярное: $2KOH + MgCl_2 = Mg(OH)_2\downarrow + 2KCl$
• Полное ионное: $2K^+ + 2OH^- + Mg^{2+} + 2Cl^- = Mg(OH)_2\downarrow + 2K^+ + 2Cl^-$
• Сокращённое ионное: $Mg^{2+} + 2OH^- = Mg(OH)_2\downarrow$

Пример 4 (задание 31 — генетическая связь)

Осуществите превращения:

$$\mathrm{Al \rightarrow AlCl_3 \rightarrow Al(OH)_3 \rightarrow NaAlO_2 \rightarrow Al_2(SO_4)_3}$$

Решение:

1. $2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$
2. $AlCl_3 + 3NaOH = Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl$
3. $Al(OH)_3 + NaOH \xrightarrow{t} NaAlO_2 + 2H_2O\uparrow$ (сплавление)
4. $2NaAlO_2 + 4H_2SO_4 = Na_2SO_4 + Al_2(SO_4)_3 + 4H_2O$

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1 (выбор нескольких ответов)

Какие из перечисленных веществ являются щелочами?

• $\mathrm{NaOH}$
• $\mathrm{Cu(OH)_2}$
• $\mathrm{KOH}$
• $\mathrm{Al(OH)_3}$
• $\mathrm{Ba(OH)_2}$
• $\mathrm{Fe(OH)_3}$

Ответ: $\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{KOH}$, $\mathrm{Ba(OH)_2}$.

Вопрос 2 (сопоставление)

Установите соответствие между формулой гидроксида и продуктом его термического разложения.

Ответ: 1-Б, 2-В, 3-? (NaOH не разлагается при нагревании до плавления) – лучше убрать NaOH и добавить Mg(OH)₂. Исправим:

1. $\mathrm{Cu(OH)_2}$ — Б; 2) $\mathrm{Al(OH)_3}$ — В; 3) $\mathrm{Mg(OH)_2}$ — Г (MgO + H₂O)? Нет, Mg(OH)₂ → MgO + H₂O — это аналогично Cu. Лучше дать Ca(OH)₂ → CaO + H₂O. Тогда:
2. $\mathrm{Cu(OH)_2}$ → $\mathrm{CuO + H_2O}$ (Б)
3. $\mathrm{Al(OH)_3}$ → $\mathrm{Al_2O_3 + H_2O}$ (В)
4. $\mathrm{Ca(OH)_2}$ → $\mathrm{CaO + H_2O}$ (Г)
5. $\mathrm{NaOH}$ — не разлагается (нет подходящего варианта). Можно добавить вариант Д) не разлагается. Тогда ответ: 1-Б, 2-В, 3-Г, 4-Д.

Вопрос 3 (упорядочивание)

Расположите гидроксиды в порядке усиления основных свойств: $\mathrm{Mg(OH)_2}$, $\mathrm{NaOH}$, $\mathrm{Al(OH)_3}$, $\mathrm{Ca(OH)_2}$

Ответ: $\mathrm{Al(OH)_3}$ < $\mathrm{Mg(OH)_2}$ < $\mathrm{Ca(OH)_2}$ < $\mathrm{NaOH}$ (усиление основных свойств в группах и периодах).

Вопрос 4 (расчётная задача)

Какая масса осадка образуется при взаимодействии избытка раствора гидроксида калия с 200 г 10% -ного раствора хлорида магния?

Ответ: $m(MgCl_2) = 200 \cdot 0.1 = 20$ г. $n(MgCl_2) = 20 / 95 = 0.2105$ моль. По уравнению $MgCl_2 + 2KOH = Mg(OH)_2\downarrow + 2KCl$ количество осадка $n(Mg(OH)_2) = n(MgCl_2) = 0.2105$ моль. $m(Mg(OH)_2) = 0.2105 \cdot 58 = 12.2$ г.

Краткий конспект

• Основания — электролиты, дающие при диссоциации ионы $\mathrm{OH^-}$.
• Классификация: щёлочи (растворимые сильные), нерастворимые слабые, амфотерные гидроксиды.
• Щёлочи реагируют с кислотами, кислотными оксидами, амфотерными оксидами и гидроксидами, солями (если образуется осадок/газ), некоторыми неметаллами и металлами (Al, Zn).
• Нерастворимые основания разлагаются при нагревании, реагируют с кислотами и кислотными оксидами.
• Амфотерные гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щелочами, проявляя двойственные свойства.
• Способы получения: обменные реакции для нерастворимых, взаимодействие металлов/оксидов с водой для щелочей, электролиз.
• Закономерности: основные свойства усиливаются в группах сверху вниз и ослабевают в периодах слева направо; с увеличением степени окисления металла основные свойства слабеют.

Что изучать дальше

• Урок 15 «Кислоты: классификация, свойства и получение» — классификация, свойства, способы получения.
• Урок 16 «Соли: классификация и свойства» — классификация, свойства, генетическая связь.
• Урок 19 «Гидролиз солей» — тесно связано с основаниями и амфотерными гидроксидами.
• Урок 34 «Генетическая связь между классами неорганических соединений» — закрепление превращений с участием оснований.