Основания в химии: определения и свойства

Введение

Тип химического вещества

В химии существует три общепринятых определения слова "основание": основания Аррениуса, основания Брёнстеда и основания Льюиса. Все определения сходятся в том, что основания – это вещества, которые реагируют с кислотами, как впервые предложил Г. Ф. Руэль 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+ согласно Аррениусу) при диссоциации кислот, образуя воду в кислотно-основной реакции. Таким образом, основанием являлся гидроксид металла, такой как NaOH или Ca(OH)2. Такие водные растворы гидроксидов также описывались определёнными характерными свойствами. Они скользкие на ощупь, могут иметь горький вкус и изменять цвет индикаторов pH (например, превращают красную лакмусовую бумагу в синюю). В воде, изменяя равновесие автоионизации, основания дают растворы, в которых активность ионов водорода ниже, чем в чистой воде, то есть вода имеет pH выше 7,0 при стандартных условиях. Растворимое основание называют щёлочью, если оно содержит и количественно выделяет ионы OH−. Оксиды металлов, гидроксиды и особенно алкоксиды являются основными, а сопряжённые основания слабых кислот – слабыми основаниями. Основания и кислоты рассматриваются как химические противоположности, поскольку действие кислоты заключается в увеличении концентрации гидроксония (H3O+) в воде, в то время 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 распадается на составляющие её ионы. Если водный раствор насыщен данным солью, любая дополнительная соль выпадает в осадок. В более общей теории Брёнстеда – Лоури (1923) основание – это вещество, которое может принимать ионы водорода (H+) – также известные как протоны. Это включает в себя водные гидроксиды, поскольку OH− реагирует с H+ с образованием воды, таким образом, основания Аррениуса являются подмножеством оснований Брёнстеда. Однако существуют и другие основания Брёнстеда, которые принимают протоны, такие как водные растворы аммиака (NH3) или его органических производных (амины). Эти основания не содержат гидроксид-иона, но тем не менее реагируют с водой, что приводит к увеличению концентрации гидроксид-иона. Кроме того, некоторые неводные растворители содержат основания Брёнстеда, которые реагируют с сольватированными протонами. Например, в жидком аммиаке NH2− является основным ионным видом, который принимает протоны от NH4+, кислотного вида в этом растворителе. Г. Н. Льюис понял, что вода, аммиак и другие основания могут образовывать связь с протоном благодаря неподелённой паре электронов, которыми обладают основания. В теории Льюиса основание – это донор электронной пары, который может делиться парой электронов с акцептором электронов, который описывается как кислота Льюиса. Теория Льюиса более общая, чем модель Брёнстеда, поскольку кислота Льюиса не обязательно является протоном, но может быть другой молекулой (или ионом) с вакантной низколежащей орбиталью, которая может принимать пару электронов. Ярким примером является трифторид бора (BF3). В прошлом были предложены некоторые другие определения как оснований, так и кислот, но в настоящее время они не получили широкого распространения.

In chemistry, there are three definitions in common use of the word "base": Arrhenius bases, Brønsted bases, and Lewis bases. All definitions agree that bases are substances that react with acids, as originally proposed by G. F. Rouelle in the mid 18th century. In 1884, Svante Arrhenius proposed that a base is a substance which dissociates in aqueous solution to form hydroxide ions OH−. These ions can react with hydrogen ions (H+ according to Arrhenius) from the dissociation of acids to form water in an acid–base reaction. A base was therefore a metal hydroxide such as NaOH or Ca(OH)2. Such aqueous hydroxide solutions were also described by certain characteristic properties. They are slippery to the touch, can taste bitter and change the color of pH indicators (e. g., turn red litmus paper blue). In water, by altering the autoionization equilibrium, bases yield solutions in which the hydrogen ion activity is lower than it is in pure water, i. e., the water has a pH higher than 7.0 at standard conditions. A soluble base is called an alkali if it contains and releases OH− ions quantitatively. Metal oxides, hydroxides, and especially alkoxides are basic, and conjugate bases of weak acids are weak bases. Bases and acids are seen as chemical opposites because the effect of an acid is to increase the hydronium (H3O+) concentration in water, whereas bases reduce this concentration. A reaction between aqueous solutions of an acid and a base is called neutralization, producing a solution of water and a salt in which the salt separates into its component ions. If the aqueous solution is saturated with a given salt solute, any additional such salt precipitates out of the solution. In the more general Brønsted–Lowry acid–base theory (1923), a base is a substance that can accept hydrogen cations (H+)—otherwise known as protons. This does include aqueous hydroxides since OH− does react with H+ to form water, so that Arrhenius bases are a subset of Brønsted bases. However, there are also other Brønsted bases which accept protons, such as aqueous solutions of ammonia (NH3) or its organic derivatives (amines). These bases do not contain a hydroxide ion but nevertheless react with water, resulting in an increase in the concentration of hydroxide ion. Also, some non aqueous solvents contain Brønsted bases which react with solvated protons. For example in liquid ammonia, NH2− is the basic ion species which accepts protons from NH4+, the acidic species in this solvent. G. N. Lewis realized that water, ammonia, and other bases can form a bond with a proton due to the unshared pair of electrons that the bases possess. In the Lewis theory, a base is an electron pair donor which can share a pair of electrons with an electron acceptor which is described as a Lewis acid. The Lewis theory is more general than the Brønsted model because the Lewis acid is not necessarily a proton, but can be another molecule (or ion) with a vacant low lying orbital which can accept a pair of electrons. One notable example is boron trifluoride (BF3). Some other definitions of both bases and acids have been proposed in the past, but are not commonly used today.

Монопрототические и полипрототические основания

Основания, содержащие только один ионизируемый гидроксид-ион (OH−) на формульную единицу, называются одноосновными, поскольку они могут принять один протон (H+). Основания, содержащие более одного OH− на формульную единицу, являются многоосновными. Число ионизируемых гидроксид-ионов (OH−), присутствующих в одной формульной единице основания, также называют основностью основания. В зависимости от основности основания можно выделить три типа: одноосновные, двухосновные и трехосновные.

Диацидные основания

Когда одна молекула основания при полной ионизации образует два гидроксид-иона, такое основание называется двухосновным или дипротонным. Примерами двухосновных 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.