База (химия) - Base (chemistry)

Для использования в других целях см. База (значения).

Мыло являются слабыми основаниями, образованными реакцией жирные кислоты с едкий натр или же гидроксид калия.
Кислоты и основания
Схематическое изображение диссоциации уксусной кислоты в водном растворе на ионы ацетата и гидроксония.
Кислота типы
Основание типы

В химии есть три основных определения слова основание, известные как базы Аррениуса, базы Бренстеда и базы Льюиса. Все определения согласны с тем, что основания - это вещества, которые реагируют с кислоты как первоначально было предложено Г.-Ф. Руэль в середине 18 века.

Аррениус предложил в 1884 году, что основание - это вещество, которое диссоциирует в водном растворе с образованием гидроксид-ионов ОН−. Эти ионы могут реагировать с ионами водорода (H+ согласно Аррениусу) от диссоциации кислот с образованием воды в кислотно-основная реакция. Следовательно, основанием был гидроксид металла, такой как NaOH или Ca (OH).2. Такие водные растворы гидроксидов также характеризовались некоторыми характерными свойствами. Они скользкие на ощупь, чувствуют вкус Горький[1] и измените цвет индикаторы pH (например, покраснеть лакмусовая бумага синий).

В воде, изменяя автоионизация равновесие, основания дают растворы, в которых ион водорода Мероприятия ниже, чем в чистой воде, т. е. вода имеет pH выше 7,0 в стандартных условиях. Растворимое основание называется щелочь если он содержит и высвобождает ОН− ионы количественно. Оксиды металлов, гидроксиды и особенно алкоксиды являются основными, и сопряженные основания из слабые кислоты слабые основания.

Основания и кислоты рассматриваются как химические противоположности, потому что действие кислоты заключается в увеличении гидроксоний (ЧАС3О+) концентрация в воде, тогда как основания уменьшают эту концентрацию. Реакция между водными растворами кислоты и основания называется нейтрализация, производя раствор воды и соль в котором соль разделяется на составляющие ионы. Если водный раствор насыщенный с данной солью растворенное вещество, любая дополнительная такая соль осаждает из решения.

В более общем плане Кислотно-основная теория Бренстеда – Лоури (1923) основа - это вещество, которое может принимать катионы водорода (ЧАС+) - иначе известный как протоны. Это действительно включает водные гидроксиды, поскольку ОН− реагирует с H+ для образования воды, так что основания Аррениуса являются подмножеством оснований Бренстеда. Однако есть и другие основания Бренстеда, которые принимают протоны, такие как водные растворы аммиак (NH3) или его органические производные (амины ).[2] Эти основания не содержат иона гидроксида, но, тем не менее, реагируют с водой, что приводит к увеличению концентрации иона гидроксида.[3] Кроме того, некоторые неводные растворители содержат основания Бренстеда, которые реагируют с растворенный протоны. Например в жидкий аммиак, NH2− является основной ионной разновидностью, которая принимает протоны от NH4+, кислые частицы в этом растворителе.

Г. Н. Льюис понял, что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном из-за неразделенная пара электронов, которыми обладают основания.[3] в Теория Льюиса, база - это электронная пара донор, который может делить 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, но может быть другой молекулой (или ионом) с вакантной низкорасположенной орбитальный который может принять пару электронов. Одним из ярких примеров является трифторид бора (BF3).

Немного другие определения оснований и кислот были предложены в прошлом, но обычно не используются сегодня.

Характеристики

Общие свойства баз включают:

  • Концентрированные или сильные основания едкий на органические вещества и бурно реагирует с кислотными веществами.
  • Водные растворы или расплавленные основания диссоциируют на ионы и проводят электричество.
  • Реакции с индикаторы: основы превращаются в красную лакмусовую бумагу в синий цвет, фенолфталеин - в розовый, сохраняют бромтимоловый синий естественный синий цвет и превращаются в метиловый оранжево-желтый.
  • В pH базового раствора при 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 конъюгированной кислоты (BH+) и сопряженное основание (OH−):[3]

B(водн.) + H2О(л) ⇌ BH+(водн.) + ОН−(водн.)

Константа равновесия, Kб, для этой реакции можно найти с помощью следующего общего уравнения:[3]

Kб = [BH+][ОЙ−] / [B]

В этом уравнении основание (B) и крайнее сильная база (сопряженное основание OH−) соревнуются за протон.[6] В результате основания, которые реагируют с водой, имеют относительно небольшие значения константы равновесия.[6] Основание слабее, когда оно имеет более низкое значение константы равновесия.[3]

Нейтрализация кислот

Аммиак пары из водных гидроксид аммония (в пробирке) реагируя с соляная кислота (в стакан ) производить хлорид аммония (белый дым).

Основания реагируют с кислотами, нейтрализуя друг друга с высокой скоростью как в воде, так и в спирте.[7] При растворении в воде сильное основание едкий натр ионизируется на гидроксид и ионы натрия:

NaOH → Na+
 + ОЙ−

и аналогично в воде кислота хлористый водород образует ионы гидроксония и хлорида:

HCl + ЧАС
2О → ЧАС
3О+
 + Cl−

Когда два раствора смешиваются, ЧАС
3О+
 и ОЙ−
 ионы объединяются в молекулы воды:

ЧАС
3О+
 + ОЙ−
 → 2 ЧАС
2О

Если равные количества NaOH и HCl растворяются, основание и кислота точно нейтрализуются, эффективно оставляя только NaCl. столовая соль, в растворе.

Для нейтрализации пролитой кислоты следует использовать слабые основания, такие как пищевая сода или яичный белок. Нейтрализация пролитой кислоты сильными основаниями, такими как едкий натр или же гидроксид калия, может вызвать бурную экзотермическую реакцию, а сама основа может нанести такой же ущерб, как и первоначальная утечка кислоты.

Щелочность негидроксидов

Основания обычно представляют собой соединения, которые могут нейтрализовать некоторое количество кислот. Обе карбонат натрия и аммиак являются основаниями, хотя ни одно из этих веществ не содержит ОЙ−
 группы. Оба соединения принимают H+ когда растворяется в протонные растворители например вода:

Na2CO3 + H2O → 2 Na+ + HCO3− + ОН−
NH3 + H2O → NH4+ + ОН−

Отсюда pH, или кислотность, можно рассчитать для водных растворов оснований. Базы также непосредственно действуют как доноры электронных пар:

CO32− + H+ → HCO3−
NH3 + H+ → NH4+

Основание также определяется как молекула, которая обладает способностью принимать парную связь электронов, входя в валентную оболочку другого атома через обладание одной электронной парой.[7] Существует ограниченное количество элементов, у которых есть атомы, способные придавать молекуле основные свойства.[7] Углерод может выступать в качестве базы, а также азот и кислород. Этой способностью обладают фтор, а иногда и инертные газы.[7] Обычно это происходит в таких соединениях, как бутиллитий, алкоксиды и металл амиды Такие как амид натрия. Основания углерода, азота и кислорода без резонанс стабилизация обычно очень сильная, или супербазы, который не может существовать в водном растворе из-за кислотности воды. Однако резонансная стабилизация позволяет использовать более слабые основания, такие как карбоксилаты; Например, ацетат натрия это слабая база.

Сильные базы

Сильное основание - это базовое химическое соединение, способное удалять протон (H+) из (или депротонировать ) молекула даже очень слабой кислоты (например, воды) в кислотно-основной реакции. Общие примеры сильных оснований включают гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, таких как NaOH и Са (ОН)
2, соответственно. Из-за их низкой растворимости некоторые основания, такие как гидроксиды щелочноземельных металлов, могут использоваться, когда фактор растворимости не принимается во внимание.[8] Одним из преимуществ этой низкой растворимости является то, что «многие антациды были суспензиями гидроксидов металлов, таких как гидроксид алюминия и гидроксид магния».[9] Эти соединения имеют низкую растворимость и обладают способностью останавливать рост концентрации гидроксид-иона, предотвращая повреждение тканей во рту, пищеводе и желудке.[9] По мере продолжения реакции и растворения солей желудочная кислота вступает в реакцию с гидроксидом, образующимся в суспензиях.[9] Сильные основания почти полностью гидролизуются в воде, в результате чего выравнивающий эффект."[7] В этом процессе молекула воды соединяется с сильным основанием из-за амфотерной способности воды; и высвобождается гидроксид-ион.[7] Очень сильные основания могут даже депротонировать очень слабокислые C – H-группы в отсутствие воды. Вот список из нескольких сильных оснований:

Гидроксид литияLiOH
Едкий натрNaOH
Гидроксид калияКОН
Гидроксид рубидияRbOH
Гидроксид цезияCsOH
Гидроксид магнияMg (OH)
2
Гидроксид кальцияСа (ОН)
2
Гидроксид стронцияSr (ОН)
2
Гидроксид барияВа (ОН)
2
Гидроксид тетраметиламмонияN (CH
3)
4ОЙ
ГуанидинHNC (NH
2)
2

Катионы этих сильных оснований входят в первую и вторую группы периодической таблицы (щелочные и щелочноземельные металлы). Гидроксиды тетраалкилированного аммония также являются сильными основаниями, поскольку они полностью диссоциируют в воде. Гуанидин является частным случаем разновидностей, которые исключительно стабильны при протонировании, по аналогии с причиной, которая делает хлорная кислота и серная кислота очень сильные кислоты.

Кислоты с п. Kа более 13 считаются очень слабыми, а их сопряженные основания сильные основания.

Супербазы

Основная статья: Superbase

Соли группы 1 карбанионов, амидов и гидридов, как правило, являются еще более сильными основаниями из-за крайней 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. Они называются супербазы, и их невозможно хранить в водном растворе, потому что они являются более сильными основаниями, чем гидроксид-ион. Как таковые, они депротонируют конъюгированную кислотную воду. Например, этоксид-ион (сопряженное основание этанола) в присутствии воды подвергается этой реакции.

CH
3CH
2О−
 + ЧАС
2О → CH
3CH
2ОЙ + ОЙ−

Примеры распространенных супербазов:

Сильнейшие супероснования были синтезированы только в газовой фазе:

Слабые базы

Основная статья: слабая база

Слабое основание - это основание, которое не полностью ионизируется в водный раствор, или в котором протонирование неполный. Например, аммиак переносит протон в воду по уравнению[10]

В константа равновесия для этой реакции при 25 ° C составляет 1,8 x 10−5,[11] так что степень реакции или степень ионизации довольно маленький.

Базы Льюиса

А База Льюиса или же донор электронных пар представляет собой молекулу с высокоэнергетической парой электронов, которая может быть разделена с низкоэнергетической вакантной орбиталью в молекуле акцептора с образованием аддукт. Помимо H+возможные акцепторы (кислоты Льюиса) включают нейтральные молекулы, такие как BF3 и ионы металлов, такие как Ag+ или Fe3+. Аддукты с участием ионов металлов обычно описываются как координационные комплексы.[12]

Согласно первоначальной формулировке Льюис, когда нейтральное основание образует связь с нейтральной кислотой, возникает состояние электрического напряжения.[7] Кислота и основание имеют общую электронную пару, которая раньше принадлежала только основанию.[7] В результате создается высокий дипольный момент, который можно разрушить, только переставив молекулы.[7]

Твердые основания

Примеры твердых оснований включают:

  • Смеси оксидов: SiO2, Al2О3; MgO, SiO2; CaO, SiO2[13]
  • Установленные основания: LiCO3 на кремнеземе; NR3, NH3, KNH2 на глиноземе; NaOH, КОН на диоксиде кремния на оксиде алюминия[13]
  • Неорганические химические вещества: BaO, KNaCO3, BeO, MgO, CaO, KCN[13]
  • Анионообменные смолы[13]
  • Древесный уголь, обработанный при 900 градусах Цельсия или активируемый азотом2O, NH3, ZnCl2-NH4Cl-CO2[13]

В зависимости от способности твердой поверхности успешно образовывать сопряженное основание путем абсорбции электрически нейтральной кислоты, определяется основная прочность поверхности.[14] «Число основных центров на единицу площади поверхности твердого вещества» используется для выражения того, сколько основания находится на твердом основном катализаторе.[14] Ученые разработали два метода измерения количества основных центров: титрование бензойной кислотой с использованием индикаторов и адсорбция газообразной кислоты.[14] Твердое вещество с достаточной щелочной силой поглотит электрически нейтральный кислотный индикатор и вызовет изменение цвета кислотного индикатора на цвет его сопряженного основания.[14] При проведении метода адсорбции газообразной кислоты используется оксид азота.[14] Затем определяют основные участки, используя количество углекислого газа, которое поглощается.[14]

Основы как катализаторы

Основные вещества можно использовать как нерастворимый неоднородный катализаторы за химические реакции. Некоторыми примерами являются оксиды металлов, такие как оксид магния, оксид кальция, и оксид бария а также фторид калия на оксиде алюминия и немного цеолиты. Много переходные металлы делают хорошие катализаторы, многие из которых образуют основные вещества. Базовые катализаторы использовались для гидрогенизация, миграция двойные связи, в Редукция Меервейна-Понндорфа-Верлея, то Реакция Майкла, и многие другие реакции. И CaO, и BaO могут быть высокоактивными катализаторами, если их обработать высокотемпературным нагревом.[14]

Использование баз

  • Гидроксид натрия используется в производстве мыла, бумаги и синтетического волокна. район.
  • Гидроксид кальция (гашеная известь) используется при производстве хлорной извести.
  • Гидроксид кальция также используется для очистки диоксида серы, который образуется в выхлопных газах электростанций и фабрик.[9]
  • Гидроксид магния используется в качестве «антацида» для нейтрализации избытка кислоты в желудке и лечения расстройства желудка.
  • Карбонат натрия используется как стиральная сода и для смягчения жесткой воды.
  • Бикарбонат натрия (или гидрокарбонат натрия) используется в качестве пищевой соды при приготовлении пищи, для изготовления разрыхлителей, в качестве антацида для лечения расстройства желудка и в огнетушителях с содовой кислотой.
  • Гидроксид аммония используется для удаления жирных пятен с одежды

Кислотность оснований

Количество ионизируемый гидроксид (OH-) ионы, присутствующие в одной молекуле основания, называют кислотностью основания.[15] По кислотности основания можно разделить на три типа: одноосновные, двухосновные и трехосновные.

Одноосновные кислоты

Едкий натр

Когда одна молекула основания через полный ионизация производит один гидроксид иона, считается, что основание является одноосновным. Примеры одноосновных кислот:

Едкий натр, гидроксид калия, гидроксид серебра, гидроксид аммония, так далее

Диацидные основы

Когда одна молекула основания через полный ионизация производит два гидроксид ионов, основание считается двухосновным. Примеры двухосновных кислот:

Гидроксид бария

Гидроксид бария, гидроксид магния, гидроксид кальция, гидроксид цинка, гидроксид железа (II), гидроксид олова (II), гидроксид свинца (II), гидроксид меди (II), так далее.

Трехосновные кислоты

Когда одна молекула основания через полный ионизация производит три гидроксид ионы, считается, что основание является трехкислым.[16] Примеры трикислотных оснований:

Гидроксид алюминия, гидроксид железа, Тригидроксид золота,[17]

Этимология термина

Концепция базы восходит к более старому алхимический понятие «матрица»:

Термин «основание», по-видимому, впервые был использован в 1717 году французским химиком, Луи Лемери, как синоним старшего Парацельсов термин «матрица». В соответствии с XVI веком анимизм Парацельс постулировал, что встречающиеся в природе соли выросли внутри земли в результате того, что универсальная кислота или семенной принцип пропитали земную матрицу или матку. ... Его современное значение и общее введение в химический словарь, однако, обычно приписывают французскому химику, Гийом-Франсуа Руэль. ... В 1754 году Руэль явно определил нейтральную соль как продукт, образованный объединением кислоты с любым веществом, будь то водорастворимая щелочь, летучая щелочь, абсорбирующая земля, металл или масло, способное к служащая «основой» для соли, «придавая ей бетонную или твердую форму». Большинство кислот, известных в 18 веке, были летучими жидкостями или «спиртами», способными к перегонке, тогда как соли по самой своей природе были кристаллическими твердыми веществами. Следовательно, это было вещество, которое нейтрализовало кислоту, которая предположительно разрушила летучесть или спирт кислоты и придала свойство твердости (то есть давала конкретную основу) полученной соли.

— Уильям Дженсен, Происхождение термина «база»[18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Johlubl, Мэтью Э. (2009). Исследования химии: взгляд на судебную медицину (2-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Freeman and Co. ISBN  978-1429209892. OCLC  392223218.
  2. ^ Whitten et al. (2009), п. 363.
  3. ^ а б c d е Зумдаль и Декост (2013), п. 257.
  4. ^ Whitten et al. (2009), п. 349.
  5. ^ «Определение БАЗЫ». www.merriam-webster.com. В архиве из оригинала 21 марта 2018 г.. Получено 3 мая 2018.
  6. ^ а б Зумдаль и ДеКост (2013), п. 258.
  7. ^ а б c d е ж грамм 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. Получено 3 сентября 2020.
  8. ^ Зумдаль и Декост (2013), п. 255.
  9. ^ а б c d Зумдаль и Декост (2013), п. 256.
  10. ^ Whitten, Kenneth W .; Gailey, Kenneth D .; Дэвис, Раймонд Э. (1992). Общая химия (4-е изд.). Издательство колледжа Сондерс. п. 358. ISBN  0-03-072373-6.
  11. ^ Petrucci, Ralph H .; Харвуд, Уильям S .; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия. Принципы и современные приложения (8-е изд.). Прентис Холл. п. 678. ISBN  0-13-014329-4.
  12. ^ Мисслер, Гэри Л .; Тарр, Дональд А. (1999). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис-Холл. С. 157–159. ISBN  0-13-841891-8.
  13. ^ а б c d е Танабэ, Козо (1970). Твердые кислоты и основания: их каталитические свойства. Академическая пресса. п. 2. ISBN  9780323160582. Получено 19 февраля 2015.
  14. ^ а б c d е ж грамм Tanabe, K .; Misono, M .; Ono, Y .; Хаттори, Х. (1990). Новые твердые кислоты и основания: их каталитические свойства. Эльзевир. п. 14. ISBN  9780080887555. Получено 19 февраля 2015.
  15. ^ «Электрофил - Нуклеофил - Основность - Кислотность - Шкала pH». Городской коллегиальный. В архиве с оригинала 30 июня 2016 г.. Получено 20 июн 2016.
  16. ^ "Что такое TRIACIDIC? Определение TRIACIDIC (Научный словарь)". Научный словарь. 14 сентября 2013 г.. Получено 14 марта 2019.[постоянная мертвая ссылка ]
  17. ^ «Введение в основы: классификация, примеры с вопросами и видео». Toppr-гиды. 2 февраля 2018 г.. Получено 14 марта 2019.
  18. ^ Дженсен, Уильям Б. (2006). "Происхождение термина" база "'" (PDF). Журнал химического образования. 83 (8): 1130. Bibcode:2006JChEd..83.1130J. Дои:10.1021 / ed083p1130. Архивировано из оригинал (PDF) 4 марта 2016 г.
  • Whitten, Kenneth W .; Пек, Ларри; Дэвис, Раймонд 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.CS1 maint: ref = harv (связь)