Щёлочи

Щёлочи (в рус. языке от слова «щёлок»; производное от того же корня, что и др.-исл. skola «стирать»^[1]) — гидроксиды щелочных и некоторых других элементов, например таллия. К щелочам относятся хорошо растворимые в воде основания. При электролитической диссоциации щёлочи образуют анионы OH⁻ и катион металла.

К щелочам относятся гидроксиды металлов подгрупп IA и IIA (начиная с кальция) периодической системы химических элементов, например NaOH (едкий натр), KOH (едкое кали), Ba(OH)₂ (едкий барий). В качестве исключения к щелочам относится 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 химические 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^[2].

Физические свойства

Гидроксиды щелочных металлов (едкие щёлочи) представляют собой твёрдые, белые, очень гигроскопичные вещества. Щёлочи — это 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 оснóвные свойства. В твёрдом состоянии все щёлочи поглощают H₂O, 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^[3]	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	О	1,3-3,2	жёлтый
Метиловый фиолетовый [III]		2,0-3,0 [III]	фиолетовый
(Ди)метиловый жёлтый	О	3,0-4,0	жёлтый
Бромфеноловый синий	К	3,0-4,6	сине-фиолетовый
Конго красный		3,0-5,2	синий
Метиловый оранжевый	О	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	О	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	О	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^[4] [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

Реакция нейтрализации между гидроксидом натрия и соляной кислотой. Индикаторный агент бромтимоловый синий.

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

[math]\displaystyle{ \mathsf{NaOH + HCl \longrightarrow NaCl + H_2O} }[/math];

[math]\displaystyle{ \mathsf{NaOH + HNO_3 \longrightarrow NaNO_3 + H_2O} }[/math].

Взаимодействие с кислотными оксидами

Щёлочи взаимодействуют с кислотными оксидами с образованием соли и воды:

Щёлочь + Кислотный оксид → Соль + Вода

[math]\displaystyle{ \mathsf{Ca(OH)_2 + CO_2 \longrightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O} }[/math];

Взаимодействие с амфотерными оксидами

[math]\displaystyle{ \mathsf{2KOH + ZnO \xrightarrow{t^oC} K_2ZnO_2 + H_2O} }[/math].

Взаимодействие с переходными (амфотерными) металлами

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

[math]\displaystyle{ \mathsf{Zn + 2NaOH \longrightarrow Na_2ZnO_2 + H_2 \uparrow} }[/math];

[math]\displaystyle{ \mathsf{2Al + 2KOH + 2H_2O \longrightarrow 2KAlO_2 + 3H_2 \uparrow} }[/math].

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

[math]\displaystyle{ \mathsf{Zn + 2NaOH + 2H_2O \longrightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2 \uparrow} }[/math];

[math]\displaystyle{ \mathsf{2Al + 2KOH + 6H_2O \longrightarrow 2K[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow} }[/math];

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

[math]\displaystyle{ \mathsf{2NaOH + CuSO_4 \longrightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4} }[/math];

[math]\displaystyle{ \mathsf{Ba(OH)_2 + Na_2SO_4 \longrightarrow 2NaOH + BaSO_4 \downarrow} }[/math];

Получение

Растворимые основания получают различными способами.

Электролиз растворов солей щелочных/щёлочноземельных металлов

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. Большинство растений предпочитает слабокислые почвы (с pH от 6,0 до 6,8)^[5]. Кочанная капуста предпочитает щелочные почвы, и это может помешать другим растениям.

Примечания

↑ Щёлок // Словарь Фасмера
↑ А. С. Арсеньев. Анализ развивающегося понятия. М., «Наука», 1067. С. 332.
↑ *Столбец «х» — характер индикатора: К—кислота, О—основание.
↑ Фенолфталеин в сильно щелочной среде обесцвечивается. В среде концентрированной серной кислоты также он даёт красную окраску, обусловленную строением катиона фенолфталеина, хотя и не такую интенсивную. Эти малоизвестные факты могут привести к ошибкам при определении реакции среды.
↑ Chambers's Encyclopaedia^[en]. — 1888.

Литература

Колотов С. С. Щёлочи // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
Едкие щёлочи // Казахстан. Национальная энциклопедия (рус.). — Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2005. — Т. II. — ISBN 9965-9746-3-2. (CC BY-SA 3.0)

При написании этой статьи использовался материал из издания «Казахстан. Национальная энциклопедия» (1998—2007), предоставленного редакцией «Қазақ энциклопедиясы» по лицензии Creative Commons BY-SA 3.0 Unported.

[1] Щёлок // Словарь Фасмера

[2] А. С. Арсеньев. Анализ развивающегося понятия. М., «Наука», 1067. С. 332.

[3] *Столбец «х» — характер индикатора: К—кислота, О—основание.

[4] Фенолфталеин в сильно щелочной среде обесцвечивается. В среде концентрированной серной кислоты также он даёт красную окраску, обусловленную строением катиона фенолфталеина, хотя и не такую интенсивную. Эти малоизвестные факты могут привести к ошибкам при определении реакции среды.

[5] Chambers's Encyclopaedia^[en]. — 1888.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]