База (химия)

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Поиск источников:  «Базовая» химия  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( сентябрь 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Мыла - это слабые основания, образующиеся в результате реакции жирных кислот с гидроксидом натрия или гидроксидом калия .

Кислоты и основания
Кислота Кислотно-основная реакция Кислотно-щелочной гомеостаз Кислотная сила Функция кислотности Амфотеризм Основание Буферные растворы Константа диссоциации Равновесная химия Добыча Функция кислотности Гаммета pH Протонное сродство Самоионизация воды Титрование Кислотный катализ Льюиса Разочарованная пара Льюиса Хиральная кислота Льюиса
Кислотные типы
Brønsted – Lowry Льюис Акцептор Минеральная Органический Окись Сильный Суперкислоты Слабый Твердый
Базовые типы
Brønsted – Lowry Льюис Донор Органический Окись Сильный Супербазы Ненуклеофильный Слабый
v т е

В химии есть три общих определения слова « база» , известные как основания Аррениуса, основания Бренстеда и основания Льюиса. Все определения согласны с тем, что основания - это вещества, которые реагируют с кислотами, как первоначально было предложено Г.-Ф. Руэль в середине 18 века.

Сванте Аррениус в 1884 году предположил, что основание - это вещество, которое диссоциирует в водном растворе с образованием гидроксид-ионов ОН ^- . Эти ионы могут реагировать с ионами водорода (H ⁺ по Аррениусу) в результате диссоциации кислот с образованием воды в кислотно-щелочной реакции . 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, могут иметь горький вкус ^[1] и меняют цвет индикаторов pH (например, становятся красной лакмусовой бумажкой на синий).

В воде, изменяя равновесие автоионизации , основания дают растворы, в которых активность ионов водорода ниже, чем в чистой воде, т. Е. Вода имеет pH выше 7,0 при стандартных условиях. Растворимое основание называется щелочью, если оно содержит и выделяет ионы ОН ^- количественно . Металлические оксиды , гидроксиды и особенно алкоксиды являются основными, и сопряженными основами из слабых кислот являются слабыми основаниями.

Основания и кислоты рассматриваются как химические противоположности, потому что действие кислоты заключается в увеличении концентрации гидроксония (H ₃ O ⁺ ) в воде, тогда как основания снижают эту концентрацию. Реакция между водными растворами кислоты и основания называется нейтрализацией , при которой образуется раствор воды и соли, в котором соль разделяется на составляющие ионы. Если водный раствор насыщен данным растворенным веществом соли , любая дополнительная такая соль выпадает в осадок из раствора.

В более общей кислотно-основной теории Бренстеда – Лоури (1923) основание - это вещество, которое может принимать катионы водорода (H ⁺ ), иначе известные как протоны . Это действительно включает водные гидроксиды, поскольку OH ^- действительно реагирует с H ⁺ с образованием воды, так что основания Аррениуса являются подмножеством оснований Бренстеда. Однако есть и другие основания Бренстеда, которые принимают протоны, такие как водные растворы аммиака (NH ₃ ) или его органических производных ( аминов ). ^[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 сольватированными протонами. Например, в жидком аммиаке NH ₂ ^- является основной ионной разновидностью, которая принимает протоны от NH ₄ ⁺ , кислой разновидности в этом растворителе.

Г. Н. Льюис понял, что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном из-за неподеленной пары электронов, которыми обладают основания. ^[3] В теории Льюиса основание - это донор электронной пары, который может делить пару электронов с акцептором электронов, который описывается как кислота Льюиса. ^[4] Теория Льюиса является более общей, чем модель Бренстеда, потому что кислота Льюиса не обязательно является протоном, но может быть другой молекулой (или ионом) с пустой низколежащей орбиталью, которая может принимать пару электронов. Одним из ярких примеров является трифторид бора (BF ₃ ).

Некоторые другие определения как оснований, так и кислот предлагались в прошлом, но сегодня обычно не используются.

Характеристики

Общие свойства баз включают:

• Концентрированные или сильные основания являются едкими для органических веществ и бурно реагируют с кислотными веществами.
• Водные растворы или расплавленные основания диссоциируют на ионы и проводят электричество.
• Реакции с индикаторами : основания превращаются в красную лакмусовую бумажку в синий цвет, фенолфталеин в розовый цвет, бромтимоловый синий остается в его естественном синем цвете и становится метиловым оранжево-желтым.
• РН 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 конъюгированного основания (OH ^- ): ^[3]

B _(водн.) + H ₂ O _{( l )} ⇌ BH ⁺ _(водн.) + OH ^- _(водн.)

Константу равновесия K _b для этой реакции можно найти с помощью следующего общего уравнения: ^[3]

K _b = [BH ⁺ ] [OH ^- ] / [B]

В этом уравнении основание (B) и чрезвычайно сильное основание (сопряженное основание OH ^- ) конкурируют 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

Основания реагируют с кислотами, нейтрализуя друг друга с высокой скоростью как в воде, так и в спирте. ^[7] При растворении в воде сильный щелочной гидроксид натрия ионизируется с образованием гидроксида и ионов натрия:

NaOH → Na⁺
+ ОН^-

и аналогично, в воде кислый хлористый водород образует ионы гидроксония и хлорида:

HCl + H
₂O → H
₃О⁺
+ Cl^-

Когда два раствора смешиваются, H
₃О⁺
и ОН^-
ионы объединяются, образуя молекулы воды:

ЧАС
₃О⁺
+ ОН^-
→ 2 H
₂О

Если равные количества NaOH и HCl растворяются, основание и кислота точно нейтрализуются, оставляя в растворе только NaCl, по сути, столовую соль .

Для нейтрализации пролитой кислоты следует использовать слабые основания, такие как пищевая сода или яичный белок. Нейтрализация пролитой кислоты сильными основаниями, такими как гидроксид натрия или гидроксид калия , может вызвать бурную экзотермическую реакцию, а само основание может причинить такой же большой ущерб, как и первоначальная утечка кислоты.

Щелочность негидроксидов

Основания - это обычно соединения, которые могут нейтрализовать некоторое количество кислот. И карбонат натрия, и аммиак являются основаниями, хотя ни одно из этих веществ не содержит ОН.^-
группы. Оба соединения принимают H ⁺ при растворении в протонных растворителях, таких как вода:

Na ₂ CO ₃ + H ₂ O → 2 Na ⁺ + HCO ₃ ^- + OH ^-

NH ₃ + H ₂ O → NH ₄ ⁺ + ОН ^-

Исходя из этого, можно рассчитать pH или кислотность водных растворов оснований. Базы также непосредственно действуют как доноры электронных пар:

CO ₃ ²⁻ + H ⁺ → HCO ₃ ^-

NH ₃ + H ⁺ → NH ₄ ⁺

Основание также определяется как молекула, которая имеет способность принимать парную связь электронов, входя в валентную оболочку другого атома через владение одной электронной парой. ^[7] Существует ограниченное количество элементов, у которых есть атомы, способные придавать молекуле основные свойства. ^[7] Углерод может действовать как основание, а также азот и кислород . Этой способностью обладают фтор, а иногда и инертные газы. ^[7] Это обычно происходит в таких соединениях, как бутиллитий , алкоксиды и амиды металлов, такие как амид натрия . Основания углерода, азота и кислорода без резонансастабилизации обычно очень сильные, или супероснования , которые не могут существовать в водном растворе из-за кислотности воды. Однако резонансная стабилизация позволяет использовать более слабые основания, такие как карбоксилаты; например, ацетат натрия - слабое основание .

Сильные базы

Сильное основание - это основное химическое соединение, которое может удалить протон (H ⁺ ) из (или депротонировать ) молекулу даже очень слабой кислоты (такой как вода) в кислотно-основной реакции. Общие примеры сильных оснований включают гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, таких как NaOH и Ca (OH).
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 такой низкой растворимости является то, что «многие антациды представляли собой суспензии гидроксидов металлов, таких как гидроксид алюминия и гидроксид магния». ^[9] Эти соединения имеют низкую растворимость и обладают способностью останавливать повышение концентрации гидроксид-иона, предотвращая повреждение тканей полости рта, пищевода и желудка. ^[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, что приводит к выравнивающему эффекту.. » ^[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 группы C – H в отсутствие воды. Вот список из нескольких сильных оснований:

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 - это особый случай разновидностей, которые исключительно стабильны при протонировании, по аналогии с той причиной, которая делает хлорную и серную кислоты очень сильными кислотами.

Кислоты с ap K _a более 13 считаются очень слабыми, а их сопряженные основания - сильными основаниями.

Супербазы

Соли группы 1 карбанионов, амидов и гидридов имеют тенденцию быть даже более сильными основаниями из-за крайней слабости их сопряженных кислот, которые являются стабильными углеводородами, аминами и дигидрогеном. Обычно эти основания создаются путем добавления чистых щелочных металлов, таких как натрий, в конъюгированную кислоту. Их называют супероснованиями , 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^-
+ H
₂O → CH
₃CH
₂ОН + ОН^-

Примеры распространенных супербазов:

• Бутиллитий (nC ₄ H ₉ Li)
• Диизопропиламид лития (LDA) [(CH ₃ ) ₂ CH] ₂ NLi
• Диэтиламид лития (LDEA) (C
  ₂ЧАС
  ₅)
  ₂NLi
• Амид натрия (NaNH ₂ )
• Гидрид натрия (NaH)
• Бис (триметилсилил) амид лития [(CH
  ₃)
  ₃Si]
  ₂NLi

Сильнейшие супероснования были синтезированы только в газовой фазе:

• Орто-диэтинилбензол дианион (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ^2- (это самое сильное супероснование, когда-либо синтезированное)
• Мета-диэтинилбензол дианион (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ^2- (второе по силе супероснование)
• Пара-диэтилбензол дианион (C ₆ H ₄ (C ₂ ) ₂ ) ^2- (третий по силе)
• Анион монооксида лития (LiO ^- ) считался самым сильным супероснованием до того, как были созданы дианионы диэтинилбензола.

Слабые базы

Слабое основание - это основание, которое не полностью ионизируется в водном растворе или протонирование в котором не завершено. Например, аммиак передает протон воде согласно уравнению ^[10]

${\ Displaystyle NH_ {3} (водный раствор) + H_ {2} O (l) \ rightleftharpoons NH_ {4} ^ {+} (водный раствор) + OH ^ {-} (водный раствор)}$

Константа равновесия для этой реакции при 25 ° C составляет 1,8 x 10 ^-5 , ^[11], так что степень реакции или степень ионизации довольно мала.

Базы Льюиса

Основание Льюис или электронно-донорный представляет собой молекула с высокой энергией парой электронов , которые могут быть совместно с низкоэнергетическим вакантными орбиталями в молекуле акцептора с образованием аддукта . В дополнение к H ⁺ возможные акцепторы (кислоты Льюиса) включают нейтральные молекулы, такие как BF _3, и ионы металлов, такие как Ag ⁺ или Fe ³⁺ . Аддукты с участием ионов металлов обычно называют координационными комплексами . ^[12]

Согласно первоначальной формулировке Льюиса , 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 путем перегруппировки молекул. ^[7]

Твердые основания

Примеры твердых оснований включают:

• Смеси оксидов: SiO ₂ , Al ₂ O ₃ ; MgO, SiO ₂ ; CaO, SiO ₂ ^[13]
• Установленные основания: LiCO ₃ на кремнеземе; NR ₃ , NH ₃ , KNH ₂ на оксиде алюминия; NaOH, КОН на диоксиде кремния на оксиде алюминия ^[13]
• Неорганические химические вещества: BaO, KNaCO ₃ , BeO, MgO, CaO, KCN ^[13]
• Анионообменные смолы ^[13]
• Древесный уголь, обработанный при 900 градусах Цельсия или активируемый N ₂ O, NH ₃ , ZnCl ₂ -NH ₄ Cl-CO ₂ ^[13]

В зависимости от способности твердой поверхности успешно образовывать сопряженное основание путем поглощения 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 приведет к изменению цвета кислотного индикатора на цвет его сопряженного основания. ^[14] При выполнении метода адсорбции газообразной кислоты используется оксид азота. ^[14]Затем определяют основные участки, используя количество углекислого газа, которое поглощается. ^[14]

Основы как катализаторы

Основные вещества могут быть использованы в качестве нерастворимых гетерогенных катализаторов для химических реакций . Некоторые примеры являются оксиды металлов , такие как оксид магния , оксид кальция , и оксид бария , а также фторид калия на окиси алюминия и некоторых цеолитах . Многие переходные металлы являются хорошими катализаторами, многие из которых образуют основные вещества. Основные катализаторы использовались для гидрирования , миграции двойных связей , в восстановлении Меервейна-Понндорфа-Верли , реакции Михаэля., 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 вискозы .
• Гидроксид кальция (гашеная известь) используется при производстве хлорной извести.
• Гидроксид кальция также используется для очистки диоксида серы, образующегося в выхлопных газах электростанций и фабрик. ^[9]
• Гидроксид магния используется как «антацид» 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 ионизируемых гидроксидных (ОН-) ионов, присутствующих в одной молекуле основания, называется кислотностью оснований. ^[15] По кислотности основания можно разделить на три типа: одноосновные, двухосновные и трехосновные.

Одноосновные кислоты

Когда одна молекула основания в результате полной ионизации производит один гидроксид- ион, говорят, что это одноосновное основание. Примеры одноосновных кислот:

Гидроксид натрия , гидроксид калия , гидроксид серебра , гидроксид аммония , и т.д.

Диацидные основы

Когда одна молекула основания в результате полной ионизации производит два гидроксид- иона, основание считается двухосновным. Примеры двухосновных кислот:

Барий гидроксид , гидроксид магния , гидроксид кальция , цинка гидроксид , железа (II) , гидроксид , олова (II) , гидроксид , свинца (II) , гидроксид , меди (II) , гидроксид и т.д.

Трехосновные кислоты

Когда одна молекула основания в результате полной ионизации производит три гидроксид- иона, основание считается трехкислотным. ^[16] Примеры трикислотных оснований:

Гидроксид алюминия , гидроксид железа , золото тригидроксид , ^[17]

Этимология термина

Концепция базы происходит от более старого алхимического понятия «матрица»:

Термин «основа», по-видимому, впервые был использован в 1717 году французским химиком Луи Лемери в качестве синонима более старого парацельсовского термина «матрица». В соответствии с анимизмом 16-го века 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 Гийому-Франсуа Руэлю.. ... 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

Поищите базу в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Кислоты
• Кислотно-основные реакции
• Базовый модификатор
• Базовое богатство (используется в экологии, относится к окружающей среде)
• Основание конъюгата
• Кислоты и основания Льюиса
• Титрование

Рекомендации