В химии обычно используются три определения слова « основания »: основания Аррениуса , основания Брёнстеда и основания Льюиса . Все определения сходятся во мнении, что основания — это вещества, реагирующие с кислотами , как это первоначально предложил Г.-Ф. Руэль в середине 18 века.
В 1884 году Сванте Аррениус предположил, что основание — это вещество, которое диссоциирует в водном растворе с образованием гидроксид- ионов OH- . Эти ионы могут вступать в реакцию с ионами водорода (Н + по Аррениусу) при диссоциации кислот с образованием воды в кислотно-основной реакции . Таким образом, основание представляло собой гидроксид металла, такой как NaOH или Ca(OH) 2 . Такие водные растворы гидроксидов также характеризовались некоторыми характерными свойствами. Они скользкие на ощупь, могут горчить [1] и изменять цвет показателей pH (например, краснеть лакмусовой бумажкой в синем цвете).
В воде основания, изменяя автоионизационное равновесие , 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 количественно выделяет ионы OH- . Оксиды , гидроксиды и особенно алкоксиды металлов являются основными, а сопряженные основания слабых кислот — слабыми основаниями.
Основания и кислоты рассматриваются как химические противоположности, поскольку действие кислоты заключается в увеличении концентрации гидроксония (H 3 O + ) в воде, тогда как основания уменьшают 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 + ), также известные как протоны . Сюда входят водные гидроксиды, поскольку OH − действительно реагирует с H + с образованием воды, так что основания Аррениуса являются подмножеством оснований Бренстеда. Однако существуют и другие основания Бренстеда, принимающие протоны, например водные растворы аммиака (NH 3 ) или его органические производные ( амины ). [2] Эти основания не содержат гидроксид-иона, но тем не менее реагируют с водой, что приводит к увеличению концентрации гидроксид-иона. [3] Кроме того, некоторые неводные растворители содержат основания Бренстеда, которые реагируют с сольватированными протонами. Например, в жидком аммиаке NH 2 − является основной разновидностью ионов, которая принимает протоны от NH 4 + , кислотной разновидности в этом растворителе.
Г. Н. Льюис понял , что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном благодаря неподеленной паре электронов , которой обладают основания. [3] В теории Льюиса основание — это донор электронной пары , который может делиться парой 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, а может быть другой молекулой (или ионом) с вакантной низколежащей орбиталью , которая может принять пару электронов. Одним из ярких примеров является трифторид бора (BF 3 ).
В прошлом предлагались и некоторые другие определения оснований и кислот, но сегодня они широко не используются.
К общим свойствам баз относятся:
Следующая реакция представляет собой общую реакцию между основанием (B) и водой с образованием сопряженной кислоты (BH + ) и сопряженного основания (OH - ): [3]
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] База слабее, когда она имеет более низкое значение константы равновесия. [3]
Основания реагируют с кислотами, быстро нейтрализуя друг друга как в воде, так и в спирте. [7] При растворении в воде сильноосновный гидроксид натрия ионизируется на гидроксид и ионы натрия:
аналогично в воде кислый хлороводород образует ионы гидроксония и хлорида:
Когда два раствора смешиваются, H
3О+
и ох−
ионы объединяются, образуя молекулы воды:
Если растворить равные количества NaOH и HCl, основание и кислота точно нейтрализуются, оставляя в растворе только NaCl, фактически поваренную соль .
Для нейтрализации разливов кислоты следует использовать слабые основания, такие как пищевая сода или яичный белок. Нейтрализация разливов кислоты сильными основаниями, такими как гидроксид натрия или гидроксид калия , может вызвать бурную экзотермическую реакцию, а само основание может нанести такой же ущерб, как и первоначальный разлив кислоты.
Основания обычно представляют собой соединения, которые могут нейтрализовать определенное количество кислоты. 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:
Отсюда можно рассчитать pH или кислотность водных растворов оснований.
Основание также определяется как молекула, которая обладает способностью принимать связь электронной пары, входя в валентную оболочку другого атома благодаря обладанию одной электронной парой. [7] Существует ограниченное число элементов, атомы которых способны придавать молекуле основные свойства. [7] Углерод может выступать в качестве основания так же, как азот и кислород . Такой способностью обладают также фтор, а иногда и инертные газы. [7] Обычно это происходит в таких соединениях, как бутиллитий , алкоксиды и амиды металлов, такие как амид натрия . Основания углерода, азота и кислорода без резонансной стабилизации обычно являются очень сильными, или супероснованиями , 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 является слабым основанием .
Сильное основание — это основное химическое соединение, способное удалить протон (H + ) из молекулы (или депротонировать ) даже очень слабой кислоты (например, воды) в кислотно-основной реакции. Общие примеры сильных оснований включают гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, таких как NaOH и Ca(OH).
2, соответственно. Некоторые основания, например гидроксиды щелочноземельных металлов, из-за их низкой растворимости можно использовать без учета фактора растворимости. [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] соединения с низкой растворимостью и 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 гидролизуются в воде почти полностью, 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 нескольких сильных оснований:
Катионы этих сильных оснований встречаются в первой и второй группах таблицы Менделеева (щелочные и щелочноземельные металлы). Гидроксиды тетраалкилированного аммония также являются сильными основаниями, поскольку полностью диссоциируют в воде. Гуанидин представляет собой особый случай соединения, которое исключительно стабильно при протонировании, аналогично причине, которая делает хлорную кислоту и серную кислоту очень сильными кислотами.
Кислоты с ap K a более примерно 13 считаются очень слабыми, а сопряженные с ними основания - сильными основаниями.
Соли карбанионов , амид-ионов и гидридов группы 1 имеют тенденцию быть еще более сильными основаниями из-за чрезвычайной 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. Их называют супероснованиями , и их невозможно хранить в водных растворах, поскольку они являются более сильными основаниями, чем гидроксид -ион (См. выравнивающий эффект ). Например, этоксид-ион (сопряженное основание этанола) количественно подвергается этой реакции в присутствии вода. [10]
Примеры распространенных супербаз:
Сильнейшие супероснования синтезируются только в газовой фазе:
Слабое основание — это основание, которое не полностью ионизируется в водном растворе или в котором протонирование неполное. Например, аммиак передает протон воде по уравнению [11]
Константа равновесия этой реакции при 25 °C составляет 1,8 x 10 -5 [12] , так что степень реакции или степень ионизации весьма мала.
Донор основания Льюиса или электронной пары представляет собой молекулу с одной или несколькими неподеленными высокоэнергетическими парами электронов, которые могут быть разделены с низкоэнергетической вакантной орбиталью в молекуле-акцепторе с образованием аддукта . Помимо H + , возможные акцепторы электронных пар (кислоты Льюиса) включают нейтральные молекулы, такие как BF3 , и ионы металлов с высокой степенью окисления, такие как Ag2 + , Fe3 + и Mn7 + . Аддукты с участием ионов металлов обычно называют координационными комплексами . [13]
Согласно оригинальной 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 основанию. [7] В результате создается высокий дипольный момент, который можно уменьшить до нуля только путем перестановки молекул. [7]
Примеры твердых оснований включают:
В зависимости от способности твердой поверхности успешно образовывать сопряженное основание путем поглощения электрически нейтральной кислоты определяется основная прочность поверхности. [15] «Количество основных центров на единицу площади поверхности твердого вещества» используется для выражения того, какая основная сила обнаруживается в твердоосновном катализаторе. [15] Ученые разработали два метода измерения количества основных центров: титрование бензойной кислотой с использованием индикаторов и адсорбцию газообразной кислоты. [15] Твердое вещество с достаточной основной силой поглотит электрически нейтральный кислотный индикатор и приведет к изменению цвета кислотного индикатора на цвет его сопряженного основания. [15] При осуществлении метода адсорбции газообразной кислоты используется оксид азота . [15] Затем основные сайты определяются путем расчета количества поглощенного углекислого газа. [15]
Основные вещества могут использоваться в качестве нерастворимых гетерогенных катализаторов химических реакций . Некоторыми примерами являются оксиды металлов, такие как оксид магния , оксид кальция и оксид бария , а также фторид калия на оксиде алюминия и некоторые цеолиты . Многие переходные металлы являются хорошими катализаторами, многие из которых образуют основные вещества. Основные катализаторы используются для гидрирования , миграции двойных связей , восстановления Меервейна-Понндорфа-Верли , реакции Михаэля и многих других. И CaO, и BaO могут быть высокоактивными катализаторами, если их нагреть до высоких температур. [15]
Основания, содержащие только один ионизируемый ион гидроксида (OH - ) на формульную единицу, называются монопротонными, поскольку они могут принять один протон (H + ). Основания, содержащие более одного ОН- на формульную единицу, являются полипротонными . [16]
Количество ионизируемых ионов гидроксида (OH - ), присутствующих в одной формульной единице основания, также называется кислотностью основания . [17] [18] По признаку кислотности основания можно разделить на три типа: однокислотные, двухкислотные и трехкислотные.
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует один гидроксид- ион, основание называется однокислотным или монопротонным основанием. Примеры однокислотных оснований:
Гидроксид натрия , гидроксид калия , гидроксид серебра , гидроксид аммония и т.д.
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует два гидроксид- иона, основание называется двухкислотным или двупротонным . Примеры двухосновных оснований:
Гидроксид бария , гидроксид магния , гидроксид кальция , гидроксид цинка , гидроксид железа(II) , гидроксид олова( II) , гидроксид свинца(II) , гидроксид меди(II) и т.д.
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации образует три гидроксид- иона, основание называется трехкислотным или трехпротонным . Примеры трехкислотных оснований:
Гидроксид алюминия , гидроксид железа , тригидроксид золота , [18]
Концепция базы происходит от более старого алхимического понятия «матрицы»:
Термин «основание», по-видимому, впервые был использован в 1717 году французским химиком Луи Лемери как синоним старого термина Парацельса «матрица». В соответствии с анимизмом 16-го века Парацельс постулировал, что встречающиеся в природе соли росли в земле в результате того, что универсальная кислота или семенной принцип оплодотворили земную матрицу или матку. ... Однако его современное значение и общее введение в химический словарь обычно приписывают французскому химику Гийому-Франсуа Руэлю . ... В 1754 году Руэль четко определил нейтральную соль как продукт, образованный соединением кислоты с любым веществом, будь то водорастворимая щелочь, летучая щелочь, поглощающая земля, металл или масло, способная служить «основой» для соли, «придавая ей конкретную или твердую форму». Большинство кислот, известных в XVIII веке, представляли собой летучие жидкости или «спирты», способные к перегонке, тогда как соли по своей природе были кристаллическими твердыми веществами. Следовательно, именно вещество, нейтрализующее кислоту, предположительно разрушало летучесть или спирт кислоты и придавало полученной соли свойство твердости (т. е. давало конкретное основание).
- Уильям Б. Дженсен , Происхождение термина «база» [19]
Словарное определение базы в Викисловаре
![{\displaystyle K_{b}={\frac {[BH^{+}][OH^{-}]}{[B]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/de7d95e634a1ba7312137590076cad060dafa085)
