Хидроксиди: свойства, номенклатура и примери
Хидроксидите са неорганични и трикомпонентни съединения, които се състоят от взаимодействието между метален катион и ОН функционална група (хидроксиден анион, ОН-). Повечето от тях са йонни по природа, въпреки че могат да имат и ковалентни връзки.
Например, хидроксид може да бъде представен като електростатично взаимодействие между М + катиона и ОН-аниона, или като ковалентна връзка чрез връзката М-ОН (по-ниско изображение). В първата е дадена йонната връзка, а във втората - ковалентната връзка. Този факт зависи основно от метала или М + катиона, както и от неговия заряд и йонния радиус.
Тъй като повечето от тях идват от метали, е равностойно да се споменават като метални хидроксиди.
Как се формират те?
Има два основни синтетични пътя: чрез взаимодействие на съответния оксид с вода или със силна основа в кисела среда:
МО + Н20 => М (ОН) 2
МО + Н + + ОН = = М (ОН) 2
Само тези метални оксиди, разтворими във вода, реагират директно за образуване на хидроксид (първото химическо уравнение). Други са неразтворими и изискват киселинни видове, които освобождават М +, който след това взаимодейства с ОН- от силните бази (второ химично уравнение).
Обаче, споменатите силни основи са метални хидроксиди NaOH, КОН и други от групата на алкалните метали (LiOH, RbOH, CsOH). Това са йонни съединения, които са силно разтворими във вода, следователно техните OH- свободни да участват в химични реакции.
От друга страна, съществуват метални хидроксиди, които са неразтворими и следователно са много слаби основи. Дори някои от тях са киселинни, какъвто е случаят с телуриновата киселина, Te (OH) 6 .
Хидроксидът установява баланс на разтворимост с разтворителя около него. Ако е вода, например, тогава балансът се изразява, както следва:
M (OH) 2 M2 + (ac) + OH- (ac)
Където (ac) означава, че средата е водна. Когато твърдото вещество е неразтворимо, концентрацията на разтворения ОН е малка или незначителна. Поради тази причина неразтворимите метални хидроксиди не могат да генерират разтвори като основни, като тези на NaOH.
От гореизложеното може да се заключи, че хидроксидите показват много различни свойства, свързани с химическата структура и взаимодействията между метала и ОН. По този начин, въпреки че много от тях са йонни, с разнообразни кристални структури, други от друга страна имат сложни и неуправляеми полимерни структури.
Свойства на хидроксиди
Anion OH-
Хидроксилният йон е кислороден атом, ковалентно свързан с водород. По този начин, това може лесно да бъде представено като ОН-. Отрицателният заряд е разположен върху кислорода, което прави този анион един вид дарител на електрони: база.
Ако OH- предава своите електрони на водород, се образува молекула от H 2 O, която също може да дари електроните си на положително заредени видове: като М + металните центрове. По този начин се образува координационен комплекс чрез Dative Link M-OH (кислородът допринася за двойката електрони).
Обаче, за да стане това, кислородът трябва да може да се координира ефективно с метала, в противен случай взаимодействията между М и ОН ще имат значителен йонен характер (М + ОН-). Тъй като хидроксилният йон е един и същ във всички хидроксиди, разликата между тях е в катиона, който го придружава.
Също така, тъй като този катион може да дойде от който и да е метал в периодичната таблица (групи 1, 2, 13, 14, 15, 16 или от преходните метали), свойствата на такива хидроксиди варират значително, въпреки че всички те се разглеждат някои общи аспекти.
Йонийски и основен характер
В хидроксидите, въпреки че имат координационни връзки, те имат латентен йонен характер. В някои от тях, като NaOH, техните йони са част от кристална мрежа, състояща се от Na + катиони и OH-аниони в пропорции 1: 1; т.е. за всеки Na + йон има противоположна ОН-йон.
В зависимост от металното натоварване около него ще има повече или по-малко ОН-аниони. Например, за метален катион М2 + ще има две ОН-йони, взаимодействащи с него: М (ОН) 2, която е очертана като НО-М2 + ОН-. Същото се случва с М3 + метали и други с по-положителни заряди (макар и рядко надвишаващи 3+).
Този йонни характер е отговорен за много от физичните свойства, като точки на топене и кипене. Те са високи, което отразява електростатичните сили, които работят в кристалната решетка. По същия начин, когато хидроксидите се разтворят или стопят, те могат да провеждат електрически ток поради подвижността на техните йони.
Обаче, не всички хидроксиди имат еднакви кристални мрежи. Онези с най-стабилни ще бъдат по-малко склонни да се разтварят в полярни разтворители като вода. Като общо правило, колкото по-несъразмерни са йонните радиуси на М + и ОН-, толкова по-разтворими ще бъдат те.
Периодичен тренд
Горното обяснява защо разтворимостта на хидроксидите на алкалните метали се увеличава с настъпването на групата. По този начин нарастващият ред на разтворимостите във вода за тях е следният: LiOH ОН- е малък анион и тъй като катионът става по-обемна, кристалната решетка енергично отслабва. От друга страна, алкалоземните метали образуват по-малко разтворими хидроксиди поради по-високите си положителни заряди. Това е така, защото М2 + привлича ОН- с по-голяма сила в сравнение с М +. По същия начин, нейните катиони са по-малки и следователно по-малко неравномерни по отношение на OH-. Резултатът от това е експерименталното доказателство, че NaOH е много по-базичен от Ca (OH) 2 . Същото разсъждение може да се приложи за други хидроксиди, както за тези на преходните метали, така и за тези на металите на р-блока (Al, Pb, Te и т.н.). Също така, колкото по-малък и по-голям е йонният радиус и положителният заряд на М +, толкова по-нисък е йонният характер на хидроксида, с други думи, тези с много висока плътност на заряда. Пример за това се случва с берилиев хидроксид, Be (OH) 2 . Be2 + е много малък катион и неговият двувалентен заряд го прави електрически много плътен. Хидроксидите М (ОН) 2 реагират с киселините, за да образуват аквакомплекс, тоест М + краищата, заобиколени от водни молекули. Обаче има ограничен брой хидроксиди, които също могат да реагират с основите. Това са известни като амфотерни хидроксиди. Амфотерните хидроксиди реагират както с киселини, така и с основи. Втората ситуация може да бъде представена чрез следното химическо уравнение: М (ОН) 2 + ОН = = М (ОН) 3 - Но как да се определи дали хидроксидът е амфотерен? Чрез обикновен лабораторен експеримент. Тъй като много метални хидроксиди са неразтворими във вода, чрез добавяне на силна основа към разтвор с разтворените М + йони, например, Al3 +, съответният хидроксид ще се утаи: Al3 + (ac) + 3OH- (ac) => Al (OH) 3 (s) Но с излишък от ОН - хидроксидът продължава да реагира: Al (OH) 3 (s) + OH- => Al (OH) 4 - (ac) В резултат на това новият отрицателно зареден комплекс е солватиран от околните водни молекули, разтваряйки бялото твърдо вещество от алуминиев хидроксид. Тези хидроксиди, които остават непроменени с добавянето на допълнителна основа, не се държат като киселини и следователно не са амфотерни. Хидроксидите могат да имат кристални структури, подобни на тези на много соли или оксиди; някои прости, а други много сложни. В допълнение, тези, в които има понижаване на йонния характер, могат да представляват метални центрове, свързани с кислородни мостове (HOM-O-MOH). В решението структурите са различни. Въпреки че за много разтворими хидроксиди е достатъчно да ги разглеждаме като йони, разтворени във вода, за други е необходимо да се вземе предвид координационната химия. По този начин, всяко М + катиониране може да бъде координирано с ограничен брой видове. Колкото е по-обемно, толкова по-голям е броят на водните молекули или OH-свързаните с него. Оттук и известният координационен октаедър на много метали, разтворен във вода (или във всеки друг разтворител): М (ОН 2 ) 6 + n, п е равен на положителния заряд на метала. Cr (OH) 3, например, всъщност образува октаедър. Как? Като се има предвид съединението като [Cr (OH 2 ) 3 (OH) 3 ], от които три от водните молекули са заменени с OH-аниони. Ако всички молекули се заменят с ОН-, тогава ще се получи комплексът на отрицателния заряд и октаедричната структура [Cr (OH) 6 ] 3-. Зарядът -3 е резултат от шестте отрицателни заряда на ОН-. Хидроксидите могат да се считат за "хидратирани оксиди". В тях обаче "вода" е в пряк контакт с М +; докато в хидратирани оксиди MO · nH 2 O, водните молекули са част от външна координационна сфера (те не са близо до метала). Споменатите водни молекули могат да бъдат екстрахирани чрез нагряване на проба от хидроксид: M (OH) 2 + Q (топлина) => МО + Н20 МО е метален оксид, образуван в резултат на дехидратиране на хидроксида. Пример за тази реакция е наблюдаваната, когато меден хидроксид, Cu (OH) 2, е дехидратиран: Си (ОН) 2 (синьо) + Q => CuO (черно) + Н20 Какъв е правилният начин да се споменат хидроксидите? За тази цел IUPAC предложи три номенклатури: традиционни, запаси и систематични. Правилно е да се използва някой от трите, но за някои хидроксиди може да е по-удобно или практично да се споменава по един или друг начин. Традиционната номенклатура се състои просто в добавянето на суфикса -ico към най-високата валентност, която металът представлява; и наставка -oso до най-ниската. Така например, ако метал М има валенции +3 и +1, хидроксидът М (ОН) 3 ще се нарича хидроксид (име на метал) ico, докато МО хидроксид (име на метал) носи . За да се определи валентността на метала в хидроксида, достатъчно е да се наблюдава числото след ОН, затворено в скоби. Така М (ОН) 5 означава, че металът има заряд или валентност от +5. Основният недостатък на тази номенклатура обаче е, че той може да бъде сложен за метали с повече от две окислителни състояния (както при хром и манган). За такива случаи хипер- и хипо-префиксите се използват за означаване на най-високите и най-ниските валенции. Така, ако М вместо да има само валенции +3 и +1, то също има +4 и +2, тогава имената на неговите хидроксиди с по-високи и по-ниски валенции са: хипер хидроксид (име на метал) ico и хипоксид хидроксид ( име на метала). От всички номенклатури това е най-простото. Тук името на хидроксида е последвано просто от валентността на метала, затворена в скоби и написана с римски цифри. Отново за M (OH) 5, например, неговата стокова номенклатура ще бъде: хидроксид (име на метал) (V). (V) означава след това (+5). Накрая, систематичната номенклатура се характеризира с прибягване до префикси на множители (ди-, три-, тетра-, пента-, хекса- и т.н.). Тези префикси се използват, за да се уточнят както броя на металните атоми, така и ОН-йони. По този начин, М (ОН) 5 се нарича: пентахидроксид (име на метала). За случая на Hg2 (OH) 2, например, това би било димеркуриев дихидроксид; един от хидроксидите, чиято химична структура е сложна на пръв поглед. Някои примери за хидроксиди и съответните им номенклатури са следните: -NaOH (Натриев хидроксид)амфотерност
структури
Реакция на дехидратация
номенклатура
традиционен
наличност
систематика
Примери за хидроксиди
-Ca (OH) 2 (калциев хидроксид)
-Fe (OH) 3. ( Железен хидроксид, железен (III) хидроксид или железен трихидроксид)
-V (OH) 5 ( перванов хидроксид, ванадиев хидроксид (V), или ванадиев пентахидроксид).
-Sn (OH) 4 ( Статичен хидроксид, калаен хидроксид (IV), или калаен тетрахидроксид).
-Ва (ОН) 2 (бариев хидроксид или бариев дихидроксид).
-Mn (OH) 6 ( манганов хидроксид, манганов хидроксид (VI) или манганов хексахидроксид).
-AgOH (сребърен хидроксид, сребърен хидроксид или сребърен хидроксид). Отбележете, че за това съединение няма разлика между запаси и системни номенклатури.
-Pb (OH) 4 ( плумбико хидроксид, оловен хидроксид (IV) или оловен тетрахидроксид).
-LiOP (литиев хидроксид).
-Cd (OH) 2 (кадмиев хидроксид)
-Ba (OH) 2 ( бариев хидроксид)
-Хромово хидроксид
