Epäorgaanisten aineiden pääluokkiin kuuluu oksidien, happojen ja suolojen lisäksi joukko yhdisteitä, joita kutsutaan emäksiksi tai hydroksideiksi. Niillä kaikilla on yksittäinen molekyylirakennesuunnitelma: ne sisältävät välttämättä yhden tai useamman hydroksyyliryhmän, joka on liitetty metalli-ioniin sen koostumuksessa. Perushydroksidit ovat geneettisesti sukua metallioksideille ja -suoloille, mikä määrää niiden kemiallisten ominaisuuksien lisäksi myös valmistustavat laboratoriossa ja teollisuudessa.
Emästen luokittelussa on useita muotoja, jotka perustuvat sekä molekyyliin kuuluvan metallin ominaisuuksiin että aineen kykyyn liueta veteen. Artikkelissamme tarkastelemme näitä hydroksidien ominaisuuksia sekä tutustumme niiden kemiallisiin ominaisuuksiin, joista emästen käyttö teollisuudessa ja jokapäiväisessä elämässä riippuu.
Fysikaaliset ominaisuudet
Kaikki aktiivisten tai tyypillisten metallien muodostamat emäkset ovat kiinteitä aineita, joilla on laaja sulamispistealue. Mitä tulee veteen, hejaetaan erittäin liukeneviin - alkaleihin ja veteen liukenemattomiin. Esimerkiksi emäksiset hydroksidit, jotka sisältävät ryhmän IA alkuaineita kationeina, liukenevat helposti veteen ja ovat vahvoja elektrolyyttejä. Ne ovat saippuaisia kosketukselle, syövyttävät kangasta, ihoa ja niitä kutsutaan alkaleiksi. Kun ne dissosioituvat liuoksessa, havaitaan OH- ioneja, jotka määritetään indikaattoreilla. Esimerkiksi värittömästä fenolftaleiinista tulee karmiininpunainen alkalisessa väliaineessa. Sekä natrium-, kalium-, barium- ja kalsiumhydroksidin liuokset ja sulatteet ovat elektrolyyttejä; johtavat sähköä ja niitä pidetään toisen tyyppisinä johtimina. Teollisuudessa yleisimmin käytettyjä liukoisia emäksiä ovat noin 11 yhdistettä, kuten natriumin, kaliumin, ammoniumin jne. emäksiset hydroksidit.
Perusmolekyylin rakenne
Ainemolekyylissä metallikationin ja hydroksyyliryhmien anionien välille muodostuu ionisidos. Se on tarpeeksi vahva veteen liukenemattomille hydroksideille, joten polaariset vesimolekyylit eivät pysty tuhoamaan tällaisen yhdisteen kidehilaa. Alkalit ovat pysyviä aineita eivätkä käytännössä muodosta oksideja ja vettä kuumennettaessa. Siten kaliumin ja natriumin emäksiset hydroksidit kiehuvat yli 1000 °C:n lämpötiloissa, vaikka ne eivät hajoa. Kaikkien emästen graafisissa kaavoissa näkyy selvästi, että hydroksyyliryhmän happiatomi on sitoutunut kovalenttisella sidoksella metalliatomiin ja toinen vetyatomiin. Molekyylin rakenne ja kemiallisen sidoksen tyyppi määräävät paitsi fysikaalisen, myösja kaikki aineiden kemialliset ominaisuudet. Katsotaanpa niitä tarkemmin.
Kalsium ja magnesium sekä niiden yhdisteiden ominaisuuksien ominaisuudet
Molemmat alkuaineet ovat aktiivisten metallien tyypillisiä edustajia ja voivat olla vuorovaikutuksessa hapen ja veden kanssa. Ensimmäisen reaktion tuote on emäksinen oksidi. Hydroksidi muodostuu eksotermisen prosessin seurauksena, joka vapauttaa suuren määrän lämpöä. Kalsium- ja magnesiumemäkset ovat niukkaliukoisia valkoisia jauhemaisia aineita. Kalsiumyhdisteille käytetään usein seuraavia nimiä: kalkkimaito (jos se on suspensio vedessä) ja kalkkivesi. Tyypillisenä emäksisenä hydroksidina Ca(OH)2 on vuorovaikutuksessa happamien ja amfoteeristen oksidien, happojen ja amfoteeristen emästen, kuten alumiini- ja sinkkihydroksidien, kanssa. Toisin kuin tyypilliset lämmönkestävät alkalit, magnesium- ja kalsiumyhdisteet hajoavat oksidiksi ja vedeksi lämpötilan vaikutuksesta. Molempia emäksiä, erityisesti Ca(OH)2, käytetään laaj alti teollisuudessa, maataloudessa ja kotitalouksissa. Harkitsemme heidän hakemustaan tarkemmin.
Kalsium- ja magnesiumyhdisteiden käyttöalat
On hyvin tunnettua, että rakentamisessa käytetään kemiallista materiaalia, jota kutsutaan revinnäksi tai sammutetuksi kalkiksi. Se on kalsiumpohja. Useimmiten se saadaan veden reaktiolla emäksisen kalsiumoksidin kanssa. Emäksisten hydroksidien kemialliset ominaisuudet mahdollistavat niiden laajan käytön kansantalouden eri aloilla. Esimerkiksi tuotannon epäpuhtauksien puhdistamiseenraakasokeri valkaisuaineen saamiseksi puuvillan ja pellavalangan valkaisussa. Ennen ioninvaihtimien - kationinvaihtimien - keksimistä vedenpehmennystekniikoissa käytettiin kalsium- ja magnesiumemäksiä, mikä mahdollisti sen, että sen laatua heikentävistä hiilivedyistä pääsi eroon. Tätä varten vesi keitettiin pienellä määrällä soodaa tai sammutettua kalkkia. Magnesiumhydroksidin vesisuspensiota voidaan käyttää gastriittipotilaiden lääkkeenä mahanesteen happamuuden vähentämiseksi.
Emäksisten oksidien ja hydroksidien ominaisuudet
Tämän ryhmän aineille tärkeimmät ovat reaktiot happamien oksidien, happojen, amfoteeristen emästen ja suolojen kanssa. Mielenkiintoista on, että liukenemattomia emäksiä, kuten kupari-, rauta- tai nikkelihydroksideja, ei voida saada oksidin suoralla reaktiolla veden kanssa. Tässä tapauksessa laboratorio käyttää vastaavan suolan ja alkalin välistä reaktiota. Tämän seurauksena muodostuu emäksiä, jotka saostuvat. Esimerkiksi näin saadaan sininen kuparihydroksidisakka, vihreä rautaemäksen sakka. Sen jälkeen ne haihdutetaan kiinteiksi jauhemaisiksi aineiksi, jotka liittyvät veteen liukenemattomiin hydroksideihin. Näiden yhdisteiden erottuva piirre on, että ne hajoavat korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta vastaavaksi oksidiksi ja vedeksi, mitä ei voida sanoa alkaleista. Loppujen lopuksi vesiliukoiset emäkset ovat lämpöstabiileja.
Elektrolyysikyky
Jatkamme hydroksidien perusominaisuuksien tutkimista, pysähdytään vielä yhteen piirteeseen, jolla voidaan erottaa alkali- ja maa-alkalimetallien emäkset veteen liukenemattomista yhdisteistä. Tämä on viimeksi mainittujen mahdottomuus hajota ioneiksi sähkövirran vaikutuksesta. Päinvastoin, kalium-, natrium-, barium- ja strontiumhydroksidisulat ja -liuokset joutuvat helposti elektrolyysiin ja ovat toisen tyyppisiä johtimia.
Perustelua
Tämän epäorgaanisten aineiden luokan ominaisuuksista puhuttaessa olemme listanneet osittain kemialliset reaktiot, jotka ovat niiden tuotannon taustalla laboratorio- ja teollisuusolosuhteissa. Saavutettavimpana ja kustannustehokkaimpana menetelmänä voidaan pitää luonnonkalkkikiven lämpöhajoamista, jonka seurauksena saadaan poltettua kalkkia. Jos suoritat reaktion veden kanssa, se muodostaa emäksisen hydroksidin - Ca (OH) 2. Tämän aineen seosta hiekan ja veden kanssa kutsutaan laastiksi. Sitä käytetään edelleen seinien rappaukseen, tiilien liimaamiseen ja muihin rakennustöihin. Alkaleita voidaan saada myös saattamalla vastaavat oksidit reagoimaan veden kanssa. Esimerkki: K2O + H2O=2KON. Prosessi on eksoterminen ja vapauttaa paljon lämpöä.
Alkalien vuorovaikutus happamien ja amfoteeristen oksidien kanssa
Vesiliukoisille emäksille ominaisia kemiallisia ominaisuuksia ovat niiden kyky muodostaa suoloja reaktioissa oksidien kanssa, jotka sisältävät ei-metalliatomeja molekyyleissä,esimerkiksi hiilidioksidi, rikkidioksidi tai piioksidi. Erityisesti kalsiumhydroksidia käytetään kaasujen kuivaamiseen ja natrium- ja kaliumhydroksideja vastaavien karbonaattien saamiseksi. Amfoteerisiin aineisiin liittyvät sinkin ja alumiinin oksidit voivat olla vuorovaikutuksessa sekä happojen että alkalien kanssa. Jälkimmäisessä tapauksessa voi muodostua monimutkaisia yhdisteitä, kuten natriumhydroksisinkaattia.
Neutralointireaktio
Yksi veteen ja emäksiin liukenemattomien emästen tärkeimmistä ominaisuuksista on niiden kyky reagoida epäorgaanisten tai orgaanisten happojen kanssa. Tämä reaktio pelkistyy kahden tyyppisten ionien: vety- ja hydroksyyliryhmien väliseen vuorovaikutukseen. Se johtaa vesimolekyylien muodostumiseen: HCI + KOH=KCI + H2O. Elektrolyyttisen dissosiaation teorian näkökulmasta koko reaktio pelkistyy heikon, hieman dissosioituneen elektrolyytin - veden - muodostumiseen.
Yllä olevassa esimerkissä muodostui keskimääräinen suola - kaliumkloridi. Jos reaktioon otetaan emäksisiä hydroksideja pienempi määrä kuin on tarpeen moniemäksisen hapon täydelliseen neutraloimiseen, niin tuloksena olevan tuotteen haihduttamisen jälkeen löytyy happosuolan kiteitä. Neutralointireaktiolla on tärkeä rooli elävissä järjestelmissä - soluissa - tapahtuvissa aineenvaihduntaprosesseissa ja se mahdollistaa niiden omien puskurikompleksiensa avulla neutraloida dissimilaatioreaktioissa kertyneet ylimääräiset vetyionit.
