Введение

Гидроксид — это двуатомный анион с химической формулой OH−. Он состоит из атома кислорода и атома водорода, связанных одной ковалентной связью, и несет отрицательный электрический заряд. Это важный, но обычно малый компонент воды. Он выполняет функции основания, лиганда, нуклеофила и катализатора. Ионы гидроксида образуют соли, некоторые из которых диссоциируют в водном растворе, высвобождая сольватированные ионы гидроксида. Гидроксид натрия — это химический продукт, производимый в миллионах тонн в год. Соответствующее электрически нейтральное соединение HO• является гидроксильным радикалом. Соответствующая ковалентно связанная группа атомов –OH — это гидроксильная группа. Как ион гидроксида, так и гидроксильная группа являются нуклеофилами и могут выступать в качестве катализаторов в органической химии. Многие неорганические вещества, в названии которых присутствует слово «гидроксид», не являются ионными соединениями гидроксид-иона, а ковалентными соединениями, содержащими гидроксильные группы.

Вибрационные спектры

Инфракрасные спектры соединений, содержащих функциональную группу OH, имеют сильные полосы поглощения в области, центрированной около 3500 см−1. Высокая частота молекулярных колебаний является следствием малой массы атома водорода по сравнению с массой атома кислорода, что облегчает обнаружение гидроксильных групп с помощью инфракрасной спектроскопии. Полоса, обусловленная группой OH, как правило, является резкой. Однако ширина полосы увеличивается при участии группы OH в водородной связи. Молекула воды имеет колебание изгиба HOH около 1600 см−1, поэтому отсутствие этой полосы может быть использовано для различения группы OH и молекулы воды. При связывании группы OH с ионом металла в координационном комплексе наблюдается колебание изгиба M−OH. Например, в [Sn(OH)6]2− оно проявляется при 1065 см−1. Колебание изгиба для мостикового гидроксида обычно находится на более низкой частоте, как в [(бипиридин)Cu(OH)2Cu(бипиридин)]2+ (955 см−1). Колебания растяжения M−OH возникают ниже примерно 600 см−1. Например, тетраэдрический ион [Zn(OH)4]2− имеет полосы при 470 см−1 (активный в комбинационном рассеянии, поляризованный) и 420 см−1 (инфракрасный). Тот же ион имеет колебание изгиба (HO)–Zn–(OH) при 300 см−1.

Приложения

Растворы гидроксида натрия, также известные как едкий натр и каустическая сода, используются в производстве целлюлозы и бумаги, текстиля, питьевой воды, мыла и моющих средств, а также для прочистки засоров. Мировое производство в 2004 году составило около 60 миллионов тонн. Основным методом производства является хлоралкалийный процесс. Растворы, содержащие ион гидроксида, образуются при растворении соли слабой кислоты в воде. Карбонат натрия используется в качестве щелочи, например, благодаря реакции гидролиза: CO32− + H2O ⇌ HCO3− + OH− (pKa2 = 10,33 при 25 °C и нулевой ионной силе). Хотя основность растворов карбоната натрия ниже, чем у концентрированного раствора гидроксида натрия, он имеет преимущество, заключающееся в том, что является твердым веществом. Он также производится в больших масштабах (42 миллиона тонн в 2005 году) с помощью процесса Сольве. Примером использования карбоната натрия в качестве щелочи является его действие в виде кальцинированной соды (другое название карбоната натрия) на нерастворимые эфиры, такие как триглицериды, обычно известные как жиры, для их гидролиза и придания им растворимости. Боксит, основной гидроксид алюминия, является основной рудой, из которой получают металл. Аналогично, гоетит (α-FeO(OH)) и лепидокроцит (γ-FeO(OH)), основные гидроксиды железа, являются одними из основных руд, используемых для производства металлического железа.

Переходные и постпереходные металлы

Гидроксиды переходных металлов и послепереходных металлов обычно содержат металл в степени окисления +2 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) или +3 (M = Fe, Ru, Rh, Ir). Ни один из них не растворим в воде, и многие имеют нечетко выраженный состав. Одной из особенностей гидроксидов является их склонность к дальнейшей конденсации с образованием оксидов, процесс, называемый олацией. Гидроксиды металлов в степени окисления +1 также имеют нечетко выраженный состав или нестабильны. Например, гидроксид серебра Ag(OH) самопроизвольно разлагается до оксида (Ag2O). Гидроксиды меди(I) и золота(I) также нестабильны, хотя известны стабильные аддукты CuOH и AuOH. Полимерные соединения M(OH)2 и M(OH)3 обычно получают, повышая pH водного раствора соответствующих катионов металлов до тех пор, пока гидроксид не выпадет в осадок. В обратном случае гидроксиды растворяются в кислой среде. Гидроксид цинка Zn(OH)2 является амфотерным, образуя тетрагидроксидцинкат-ион Zn(OH)42− в сильнощелочном растворе.

Соли основные, содержащие гидроксид

В некоторых случаях продукты частичного гидролиза ионов металлов, описанные выше, могут быть обнаружены в кристаллических соединениях. Ярким примером служит цирконий(IV). Из-за высокой степени окисления соли Zr4+ интенсивно гидролизуются в воде даже при низком pH. Соединение, первоначально представленное формулой ZrOCl2·8H2O, оказалось хлоридом тетрамерного катиона [Zr4(OH)8(H2O)16]8+, в котором квадрат ионов Zr4+ соединен гидроксильными группами, мостиками между атомами Zr с каждой стороны квадрата, и к каждому атому Zr присоединены четыре молекулы воды. Минерал малахит является типичным примером основного карбоната. Формула Cu2CO3(OH)2 показывает, что он находится на полпути между карбонатом меди и гидроксидом меди. Действительно, в прошлом формула записывалась как CuCO3·Cu(OH)2. Кристаллическая структура состоит из ионов меди, карбоната и гидроксида. Медь образует гидроксифосфат (либетени́т), арсенаты (оливени́т), сульфаты (броканти́т) и нитратные соединения. Белила – это основной карбонат свинца, (PbCO3)2·Pb(OH)2, который использовался в качестве белого пигмента благодаря своей укрывистости, хотя его применение сейчас ограничено из-за возможности отравления свинцом. Он постепенно кристаллизуется в моноклинно искаженной структуре хлорида натрия при температурах ниже примерно 300 °C. Гидроксильные группы продолжают вращаться вокруг своих осей симметрии даже при комнатной температуре и, следовательно, не обнаруживаются методом рентгеновской дифракции. Комнатная форма NaOH имеет структуру йодида таллия. Однако LiOH имеет слоистую структуру, состоящую из тетраэдрических единиц Li(OH)4 и (OH)Li4. Это согласуется со слабоосновным характером LiOH в растворе, что указывает на значительный ковалентный характер связи Li–OH. Гидроксид-ион проявляет цилиндрическую симметрию в гидроксидах двухвалентных металлов Ca, Cd, Mn, Fe и Co. Например, гидроксид магния Mg(OH)2 (бруцит) кристаллизуется в слоистой структуре, подобной йодиду кадмия, с определенной плотной упаковкой ионов магния и гидроксида. Амфотерный гидроксид Al(OH)3 имеет четыре основные кристаллические формы: гиббсит (наиболее стабильный), баерит, нордстрандит и дойлеит. Все эти полиморфы построены из двойных слоев гидроксид-ионов, атомов алюминия, занимающих две трети октаэдрических положений между слоями, и отличаются только последовательностью укладки слоев. Структуры аналогичны структуре бруцита. Однако, в то время как структуру бруцита можно описать как плотноупакованную, в гиббсите гидроксильные группы на нижней стороне одного слоя опираются на группы слоя ниже. Эта организация привела к предположению о наличии направленных связей между гидроксильными группами в соседних слоях. Это необычная форма водородной связи, поскольку ожидается, что два вовлеченных гидроксид-иона будут направлены друг от друга. Положение атомов водорода было определено в экспериментах по нейтронной дифракции на α-AlO(OH) (диаспоре). Расстояние O–H–O очень короткое – 265 пм; водород не находится на равном расстоянии между атомами кислорода, а короткая связь O–H образует угол 12° с линией O–O. Подобный тип водородной связи был предложен и для других амфотерных гидроксидов, включая Be(OH)2, Zn(OH)2 и Fe(OH)3. Слоистые двойные гидроксиды можно представить формулой. Чаще всего z = 2, а M2+ = Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+ или Zn2+; следовательно, q = x.

В органических реакциях

Гидроксид калия и гидроксид натрия — два широко известных реагента в органической химии.