В химии существуют три общепринятых определения слова « основание »: основания Аррениуса , основания Бренстеда и основания Льюиса . Все определения сходятся в том, что основания — это вещества, которые реагируют с кислотами , как первоначально было предложено Ж.-Ф. Руэлем в середине XVIII века.
В 1884 году Сванте Аррениус предположил, что основание — это вещество, которое диссоциирует в водном растворе с образованием гидроксид -ионов OH− . Эти ионы могут реагировать с ионами водорода (H + по Аррениусу) при диссоциации кислот с образованием воды в кислотно -щелочной реакции . Таким образом, основанием был гидроксид металла, такой как NaOH или Ca(OH) 2 . Такие водные растворы гидроксида также были описаны некоторыми характерными свойствами. Они скользкие на ощупь, могут иметь горький вкус [1] и изменять цвет индикаторов pH (например, окрашивать красную лакмусовую бумажку в синюю).
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 количественно ионы ОН− . Оксиды металлов , гидроксиды и особенно алкоголяты 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 , в результате которой образуется раствор воды и соли , в котором соль разделяется на составляющие ее ионы. Если водный раствор насыщен данным растворенным солевым веществом , любая дополнительная такая соль выпадает в осадок из раствора.
В более общей теории кислот и оснований Бренстеда-Лоури (1923) основание — это вещество, которое может принимать катионы водорода (H + ) — также известные как протоны . Это включает водные гидроксиды, поскольку OH − реагирует с H + с образованием воды, так что основания Аррениуса являются подмножеством оснований Бренстеда. Однако существуют и другие основания Бренстеда, которые принимают протоны, такие как водные растворы аммиака (NH 3 ) или его органических производных ( амины ). [2] Эти основания не содержат гидроксид-ион, 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 основным видом ионов, который принимает протоны от NH 4 + , кислотного вида в этом растворителе.
GN Lewis понял, что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном из-за неподеленной пары электронов , которой обладают основания. [3] В теории Льюиса основание является донором электронной пары , который может делить пару электронов с акцептором электронов, который описывается как кислота Льюиса. [ 4] Теория Льюиса более общая, чем модель Бренстеда, поскольку кислота Льюиса не обязательно является протоном, но может быть другой молекулой (или ионом) с вакантной низколежащей орбиталью , которая может принять пару электронов. Одним из примечательных примеров является трифторид бора (BF 3 ).
В прошлом предлагались и другие определения оснований и кислот, но в настоящее время они не получили широкого распространения.
Общие свойства оснований включают:
Следующая реакция представляет собой общую реакцию между основанием (B) и водой для получения сопряженной кислоты (BH + ) и сопряженного основания (OH − ): [3] Константу равновесия, K b , для этой реакции можно найти с помощью следующего общего уравнения: [3]
В этом уравнении основание (B) и чрезвычайно сильное основание (сопряженное основание OH − ) конкурируют за протон. [6] В результате основания, реагирующие с водой, имеют относительно небольшие значения константы равновесия. [6] Основание слабее, когда оно имеет более низкое значение константы равновесия. [3]
Основания реагируют с кислотами, нейтрализуя друг друга с высокой скоростью как в воде, так и в спирте. [7] При растворении в воде сильное основание гидроксид натрия ионизируется в гидроксид и ионы натрия:
и аналогично, в воде кислота хлороводород образует ионы гидроксония и хлорида:
Когда два раствора смешиваются, H
3О+
и ОН−
ионы объединяются, образуя молекулы воды:
Если растворить равные количества NaOH и HCl, основание и кислота полностью нейтрализуются, оставляя в растворе только NaCl, по сути, поваренную соль .
Для нейтрализации любых кислотных пятен следует использовать слабые основания, такие как пищевая сода или яичный белок. Нейтрализация кислотных пятен сильными основаниями, такими как гидроксид натрия или гидроксид калия , может вызвать бурную экзотермическую реакцию, а само основание может нанести такой же ущерб, как и исходное кислотное пятно.
Основания — это, как правило, 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:
Исходя из этого, 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 посредством обладания одной электронной парой. [7] Существует ограниченное число элементов, атомы которых обладают способностью обеспечивать молекулу основными свойствами. [7] Углерод может выступать в качестве основания, так же как азот и кислород . Фтор и иногда инертные газы также обладают этой способностью. [7] Это обычно 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. Резонансная стабилизация, однако, позволяет использовать более слабые основания, такие как карбоксилаты; например, ацетат натрия является слабым основанием .
Сильное основание — это основное химическое соединение, которое может удалить протон (H + ) из (или депротонировать ) молекулы даже очень слабой кислоты (например, воды) в кислотно-щелочной реакции. Распространенными примерами сильных оснований являются гидроксиды щелочных металлов и щелочноземельных металлов, такие как NaOH и Ca(OH)
2, соответственно. Некоторые основания, такие как гидроксиды щелочноземельных металлов, ввиду их низкой растворимости могут использоваться, когда фактор растворимости не принимается во внимание. [8]
Одним из преимуществ этой 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 рост концентрации гидроксид-иона, предотвращая повреждение тканей во рту, пищеводе и желудке. [9] По мере продолжения реакции и растворения солей желудочная кислота реагирует 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 амфотерных свойств 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 появляются в первой и второй группах периодической таблицы (щелочные и щелочноземельные металлы). Тетраалкилированные гидроксиды аммония также являются сильными основаниями, поскольку они полностью диссоциируют в воде. Гуанидин является особым случаем вида, который исключительно стабилен при протонировании, аналогично причине, которая делает хлорную кислоту и серную кислоту очень сильными кислотами.
Кислоты с ap Ka более 13 считаются очень слабыми, а их сопряженные основания — сильными основаниями.
Соли карбанионов , амид-ионов и гидридов группы 1 имеют тенденцию быть еще более сильными основаниями из-за крайней слабости их сопряженных кислот, которые являются стабильными углеводородами, аминами и дигидрогенами. Обычно эти основания создаются путем добавления чистых щелочных металлов, таких как натрий, в сопряженную кислоту. Их называют супероснованиями , и их невозможно содержать в водных растворах, поскольку они являются более сильными основаниями, чем гидроксид- ион (см. эффект выравнивания ). Например, ион этоксида (сопряженное основание этанола) подвергается этой реакции количественно в присутствии воды. [10]
Примерами распространенных супербаз являются:
Наиболее сильные супероснования синтезируются только в газовой фазе:
Слабое основание — это основание, которое не полностью ионизируется в водном растворе , или в котором протонирование неполное. Например, аммиак переносит протон в воду согласно уравнению [11]
Константа равновесия для этой реакции при 25 °C составляет 1,8 x 10−5 [ 12] , так что степень реакции или степень ионизации довольно мала.
Основание Льюиса или донор электронной пары — это молекула с одной или несколькими высокоэнергетическими неподеленными парами электронов, которые могут быть разделены с низкоэнергетической вакантной орбиталью в молекуле акцептора для образования аддукта . Помимо H + возможные акцепторы электронной пары (кислоты Льюиса) включают нейтральные молекулы, такие как BF 3 , и ионы металлов с высокой степенью окисления, такие как Ag 2+ , Fe 3+ и Mn 7+ . Аддукты, включающие ионы металлов, обычно описываются как координационные комплексы . [13]
Согласно оригинальной формулировке Льюиса , когда нейтральное основание образует связь с нейтральной кислотой, возникает состояние электрического напряжения. [7] Кислота и основание делят электронную пару, которая ранее принадлежала основанию. [7] В результате создается высокий дипольный момент, который можно уменьшить до нуля только путем перегруппировки молекул. [7]
Примеры твердых оснований включают в себя:
В зависимости от способности твердой поверхности успешно образовывать сопряженное основание путем поглощения электронейтральной кислоты, определяется основная сила поверхности. [15] «Количество основных участков на единицу площади поверхности твердого тела» используется для выражения того, сколько основной силы обнаружено на твердом базовом катализаторе. [15] Ученые разработали два метода измерения количества основных участков: один — титрование бензойной кислотой с использованием индикаторов и адсорбция газообразной кислоты. [15] Твердое тело с достаточной основной силой будет поглощать электронейтральный кислотный индикатор и вызывать изменение цвета кислотного индикатора на цвет его сопряженного основания. [15] При выполнении метода адсорбции газообразной кислоты используется оксид азота . [15] Затем основные участки определяются путем расчета количества поглощенного диоксида углерода. [15]
Основные вещества могут использоваться в качестве нерастворимых гетерогенных катализаторов для химических реакций . Некоторые примеры - 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 , в восстановлении Меервейна-Понндорфа-Верлея , реакции Михаэля и многих других. Как CaO, так и BaO могут быть высокоактивными катализаторами, если их нагревать до высоких температур. [15]
Основания с одним ионизируемым гидроксидным ионом (ОН− ) на формульную единицу называются монопротонными , поскольку они могут принимать один протон (Н + ). Основания с более чем одним ОН- на формульную единицу являются полипротонными . [16]
Число ионизируемых гидроксидных (ОН− ) ионов, присутствующих в одной формульной единице основания, также называется кислотностью основания . [17] [18] По кислотности основания можно разделить на три типа: однокислотные, двухкислотные и трехкислотные.
Когда одна молекула основания в результате полной ионизации производит один гидроксид -ион, основание называется монокислотным или монопротонным основанием. Примерами монокислотных оснований являются:
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 дикислотным или дипротонным . Примерами дикислотных оснований являются:
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 трикислотным или трипротонным . Примерами трикислотных оснований являются:
Гидроксид алюминия , гидроксид железа , тригидроксид золота , [18]
Концепция основания происходит от более древнего алхимического понятия «матрица»:
Термин «основание», по-видимому, был впервые использован в 1717 году французским химиком Луи Лемери в качестве синонима более старого парацельсовского термина «матрица». В соответствии с анимизмом XVI века Парацельс постулировал, что естественные соли вырастают в земле в результате того, что универсальная кислота или семенной принцип оплодотворяют земную матрицу или матку. ... Его современное значение и общее введение в химический словарь, однако, обычно приписывают французскому химику Гийому-Франсуа Руэлю . ... В 1754 году Руэлль четко определил нейтральную соль как продукт, образованный в результате соединения кислоты с любым веществом, будь то водорастворимая щелочь, летучая щелочь, поглощающая земля, металл или масло, способное служить «основанием» для соли, «придавая ей конкретную или твердую форму». Большинство кислот, известных в XVIII веке, были летучими жидкостями или «духами», способными к перегонке, тогда как соли по своей природе были кристаллическими твердыми телами. Следовательно, именно вещество, нейтрализующее кислоту, якобы разрушало летучесть или дух кислоты и придавало свойство твердости (т. е. давало конкретную основу) полученной соли.
— Уильям Б. Дженсен , Происхождение термина «база» [19]
Словарное определение слова base в Викисловаре
![{\displaystyle K_{b}={\frac {[BH^{+}][OH^{-}]}{[B]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/de7d95e634a1ba7312137590076cad060dafa085)
