Υδροξείδια

Σε αυτή την ενότητα, θα έχουμε μια εισαγωγή στα υδροξείδια. Το υδροξείδιο είναι μια χημική ένωση. Αντιπροσωπεύεται από OH-. Είναι ένα διατομικό μόριο. Είναι ένας συνδυασμός οξυγόνου και υδρογόνου σε αναλογία 1:1. Δημιουργείται ομοιοπολικός δεσμός μεταξύ ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου. Είναι γενικά ένα αρνητικά φορτισμένο μόριο. Το πιο εμπορικό υδροξείδιο είναι το υδροξείδιο του νατρίου. Το νερό αποτελεί ιόντα υδροξειδίου. Όταν διασπαστεί σε νερό, απελευθερώστε διαλυτωμένα ιόντα υδροξειδίου. Ο Arrhenius, ένας Σουηδός επιστήμονας, όρισε τις βάσεις σε σχέση με τα ιόντα υδροξειδίου. Είπε ότι η παρουσία υδροξειδίου σε έναν διαλύτη το καθιστά ισχυρή βάση. Κάθε ένωση με pH πάνω από 7 ονομάζεται βάσεις.

Τα άλατα σχηματίζονται από ιόντα υδροξειδίου. Τα ιόντα υδροξειδίου είναι φορείς αρνητικού φορτίου. Ως εκ τούτου, σχηματίζουν δεσμούς με θετικά φορτισμένα ιόντα. Αυτός ο δεσμός δημιουργεί ιοντικές ενώσεις.

Ιδιότητες

•  Όνομα – Υδροξείδιο 
• Χημικός τύπος – OH-
• Μοριακή μάζα – 17 g/mol 
• Η συζευγμένη βάση υδροξειδίου – ανιονικού οξειδίου 
• Το συζευγμένο οξύ του υδροξειδίου – H2O
• pH – υψηλό πάνω από 7
• Διαλυτότητα – τα περισσότερα από αυτά είναι αδιάλυτα εκτός από τα αλκάλια 
• Συνώνυμα – ιόν υδροξειδίου, ιόν υδροξυλίου ή οξειδανίδιο 
• Συνήθη παραδείγματα – Υδροξείδιο νατρίου, υδροξείδιο ασβεστίου και υδροξείδιο του αμμωνίου 

Τα περισσότερα από τα ανόργανα υλικά που περιέχουν υδροξείδιο στην ονομασία τους δεν είναι ιοντικές ενώσεις. Οι ομάδες υδροξυλίου είναι υπεύθυνες για αυτό. Οι υδροξυ ομάδες είναι -ΟΗ ομάδες. Οι υδροξυ ομάδες είναι ουδέτερα άτομα. Τα ιόντα υδροξειδίου φέρουν αρνητικό φορτίο. Και οι δύο ομάδες υδροξυλίου και υδροξυλίου είναι πυρηνόφιλες. Και τα δύο είναι ικανά να δρουν ως καταλύτες.

Δομή 

Αυτή είναι η βασική εικόνα ενός ιόντος υδροξειδίου. Υπάρχει παρουσία ομοιοπολικού μεταξύ οξυγόνου και υδρογόνου. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί δημιουργούνται όταν υπάρχει κοινή χρήση ηλεκτρονίων.

Το υδρογόνο έχει σθένος. Το οξυγόνο έχει σθένος δύο. Ένα ηλεκτρόνιο από το υδρογόνο και ένα ηλεκτρόνιο από το οξυγόνο σχηματίζουν ομοιοπολικό δεσμό. Το υπολειπόμενο φορτίο σε οξυγόνο μεταφέρεται στην ένωση.

Λειτουργίες  

Οι κύριες λειτουργίες των ιόντων υδροξειδίου είναι:

1. Τα ιόντα υδροξειδίου δρουν ως βάση Lewis.
2. Λειτουργεί ως καταλύτης. Στις οργανικές αντιδράσεις, τα ιόντα υδροξειδίου συμπεριφέρονται ως καταλύτης βάσης.
3. Μπορεί να λειτουργήσει ως συνδέτης. Αυτό συμβαίνει λόγω της παρουσίας μεμονωμένων ζευγών ηλεκτρονίων.
4. Μπορεί να λειτουργήσει και ως πυρηνόφιλο.
5. Συμμετέχουν σε αντιδράσεις εξουδετέρωσης.

Βασική φύση των ιόντων υδροξειδίου

Ο Arrhenius όρισε βάσεις σε σχέση με ιόντα υδροξειδίου. Είπε ότι η παρουσία υδροξειδίου σε έναν διαλύτη το καθιστά ισχυρή βάση. Οι βάσεις Arrhenius είναι οποιαδήποτε ένωση που είναι ικανή να παράγει ιόντα υδροξειδίου κατά τη διάλυση σε υδατικά διαλύματα.

Ας εξετάσουμε τη διάλυση της αμμωνίας στο νερό. Η εξίσωση που διέπει αυτήν την αντίδραση είναι, 

NH3 + H2O → NH4+ + OH– 

Όταν η αμμωνία διαλύεται στο νερό, δίνει

1. Ιόν αμμωνίου
2. Ιόντα υδροξειδίου

Τα άλατα που περιέχουν ιόντα υδροξειδίου ονομάζονται βασικά άλατα. Αυτά τα άλατα δημιουργούν ένα ή περισσότερα ιόντα υδροξειδίου. Δίνει και κατιόν. Αυτά τα βασικά άλατα, όταν αντιδρούν με οξέα, υφίστανται αντιδράσεις εξουδετέρωσης.

Ας δούμε πώς διασπάται το νερό.

H2O =H+ + OH–

Η παραπάνω εξίσωση δείχνει πώς γίνεται διάσταση του νερού. Δίνει ένα υδροξείδιο και ένα ιόν υδρογόνου.

Εμφοτερική φύση ιόντων υδροξειδίου

Η ικανότητα μιας ένωσης να συμπεριφέρεται ως οξύ ή βάση ονομάζεται αμφοτερική ένωση. Τα ιόντα υδροξειδίου είναι ικανά να παρουσιάζουν αμφοτερικές ιδιότητες. Είναι ικανά να δρουν όπως οι βάσεις Bronsted-Lowry και το οξύ Lewis.

Η αμφοτερική φύση παρατηρείται σε υδροξείδια μετάλλων που έχουν πολύ φορτισμένα κεντρικά άτομα μετάλλου. Σε αυτό το τμήμα, θα δούμε πώς αντιδρά το υδροξείδιο του αργιλίου με όξινα και βασικά διαλύματα.

• Αμφοτερικό υδροξείδιο που αντιδρά με διαλύματα οξέος

Το υδροξείδιο του αργιλίου[ Al(OH)3] είναι ένα από τα πιο κοινά παραδείγματα αμφοτερικού υδροξειδίου. Το Al(OH)3 είναι σε μεγάλο βαθμό αδιάλυτο στο νερό. Όμως, είναι διαλυτό με ισχυρά όξινα διαλύματα. Ας εξετάσουμε μια αντίδραση HCl με Al(OH)3:

HCl(aq) + Al(OH)3(aq) → AlCl3(aq) + 3H2O( λ)

• Αμφοτερικό υδροξείδιο που αντιδρά με βασικά διαλύματα

Τώρα θα δούμε πώς αντιδρά το υδροξείδιο του αργιλίου σε ένα βασικό διάλυμα. Εδώ, θα εξετάσουμε ισχυρές βάσεις όπως το NaOH.

Αυτή είναι η κυρίαρχη εξίσωση για την αντίδραση 

Al(OH)3(aq) + OH–(aq) →Al(OH)4–(aq)

Σε αυτή την αντίδραση το Al(OH)3 παίρνει ένα ιόν υδροξειδίου από το διάλυμα. Αυτό το καθιστά οξύ Lewis 

Ανόργανα ιόντα υδροξειδίου

Υδροξείδιο αλκαλικού μετάλλου 

Εκτός από το NaOH και το ΚΟΗ, τα ιόντα υδροξειδίου άλλων αλκαλιμετάλλων μπορούν επίσης να είναι χρήσιμα. Για παράδειγμα, το υδροξείδιο του λιθίου έχει τιμή pkb -0,36. Είναι μια ισχυρή βάση. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον καθαρισμό του αναπνευστικού αερίου για υποβρύχια. Σε ένα διαστημόπλοιο, μπορεί να αφαιρέσει CO2.

Η εξίσωση αντίδρασης για το LiOH είναι 

2LiOH + CO2 → Li2CO3 + H2O

Υδροξείδιο αλκαλικού μετάλλου

Το υδροξείδιο του βηρυλλίου είναι ένα υδροξείδιο αλκαλικού μετάλλου. Έχει τον χημικό τύπο Be(OH)2. Είναι ένα αμφοτερικό υδροξείδιο. Σχηματίζει ένα διαλυτό προϊόν υδρόλυσης μετά την προσθήκη οξέων. Τα ιόντα υδροξειδίου είναι τριμερή εδώ.

 [Be3(OH)3(H2O)]3+ 

Υδροξείδιο της ομάδας βορίου

Το βορικό οξύ είναι ένα απλό υδροξείδιο της ομάδας του βορίου. Σε αντίθεση με τα υδροξείδια μετάλλων αλκαλικών γαιών, το βορικό οξύ δεν διασπάται στο νερό. Απελευθερώνει πρωτόνια όταν αντιδρά με το νερό. Αυτό το καθιστά οξύ λούις.

Βορικό οξύ με χημικό τύπο – B(OH)3    

Η εξίσωση για την αντίδραση με το νερό είναι 

B(OH)3   + H2O  →B(OH)4– + H+

Υδροξείδιο της ομάδας άνθρακα

Τα στοιχεία άνθρακα σχηματίζουν πολύπλοκα υδροξείδια. Ας πάρουμε μια υποθετική ένωση, την τετραόλη μεθανίου. Ο τύπος τετραόλης μεθανίου είναι C(OH)4. Ενώσεις όπως η τετραόλη μεθανίου και το ορθοκαρβονικό οξύ είναι ασταθείς σε υδατικά διαλύματα. Ας δούμε την τετραόλη μεθανίου να αντιδρά με το νερό:

C(OH)4 → HCO3–+ H3O+

HCO3–+ H+ → H2CO3

Ο ανυδρίτης άνθρακα είναι ψευδώνυμο για το CO2. Σχηματίζεται από την αφυδάτωση του ανθρακικού οξέος. Το ανθρακικό οξύ έχει τον τύπο: 

H2CO3(OC(OH)2)

Υδροξείδιο μεταβατικού μετάλλου 

Τα υδροξείδια μετάπτωσης και μετά τη μετάβαση έχουν +2 καταστάσεις οξείδωσης. Είναι αδιάλυτα στο νερό. Είναι κακώς καθορισμένα. Αυτά τα υδροξείδια υφίστανται συμπύκνωση για να σχηματίσουν οξείδια. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται olation. Ας πάρουμε το παράδειγμα του υδροξειδίου του αργύρου. Έχει τον χημικό τύπο Ag(OH). Το Ag(OH) αποσυντίθεται σε Ag2O αυθόρμητα. Τα μέταλλα μετάπτωσης με κατάσταση οξείδωσης +1 είναι επίσης ασταθή. Το ίδιο ισχύει και για τα μέταλλα μετά τη μετάβαση.

Η θεμελιώδης εξίσωση για τα υδροξείδια μετάλλων μετάπτωσης και μετά τη μετάπτωση είναι 

LnM(OH2) + B ⇆ LnM(OH) + BH+ (L=Ligand ,B=Βάση )

Όπου M είναι το μέταλλο μετάπτωσης.

Εφαρμογές 

• Τα στοιχεία καυσίμου παράγονται χρησιμοποιώντας ιόντα υδροξειδίου.
• Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως απολυμαντικά.
• Χρησιμοποιούνται επίσης ως συντηρητικά τροφίμων.
• Το NaOH, ένα ισχυρό βασικό υδροξείδιο, χρησιμοποιείται σε πολλές διεργασίες στις βιομηχανίες. Παράδειγμα:Σαπουνοποιία.
• Στη γεωργία, χρησιμοποιείται ΚΟΗ.
• Βοηθά στην εξαγωγή αλουμίνας από μεταλλεύματα.

Συμπέρασμα  

Τα υδροξείδια είναι μια απλή ομάδα ατόμων. Παρόλο που είναι απλό, είναι τα θεμελιώδη στοιχεία της χημείας. Συμβολίζεται με OH-. Ο Arrhenius είπε ότι η βασική φύση μιας ένωσης εξαρτάται από τον αριθμό των ιόντων υδροξειδίου σε αυτήν. Τα ιόντα υδροξειδίου μπορούν να συμπεριφέρονται ως συνδέτες, βάσεις, καταλύτες και πυρηνόφιλα. Σε αντιδράσεις εξουδετέρωσης συμμετέχουν και ιόντα υδροξειδίου. Ορισμένα υδροξείδια μπορούν να έχουν και όξινες και βασικές ιδιότητες. Ονομάζονται αμφοτερικά υδροξείδια. Το υδροξείδιο του αργιλίου είναι ένα παράδειγμα αμφοτερικού υδροξειδίου. Αντιδρούν διαφορετικά σε όξινα και βασικά διαλύματα. Ορισμένες εφαρμογές ιόντων υδροξειδίου χρησιμοποιούνται ως απολυμαντικό, μια ισχυρή βάση για την παραγωγή κυψελών καυσίμου.