Помимо кислот издавна были известны вещества щелочного характера, которые назвали основаниями. К ним относили едкие вещества (например, известь, природную соду), которые реагировали с кислотами и нейтрализовали их кислый характер. Считалось, что кислоты и основания являются «антагонистами» и при их химическом взаимодействии происходит «уничтожение» кислотных и основных свойств: они как бы «гасят» друг друга.
Основания содержатся в древесной золе, образуются при прокаливании известковых пород, изредка встречаются в природе в свободном виде. На ощупь растворимые основания (такие основания называются щелочами) мылкие, а на вкус — горькие (конечно, химики уже давно не пробуют реактивы на вкус).
С химической точки зрения основания являются гидроксидами — веществами, содержащими группы ОН. Само слово «гидроксид» происходит от латинских названий водорода (hydrogenium, дословно — «рождающий воду») и кислорода (oxygenium).
Гидроксиды, хорошо растворимые в воде, называются щелочами. Как могут образоваться гидроксиды?
Первый путь — сначала реакция активного металла с кислородом: 2Са + О2 = 2СаО, затем получившийся оксид реагирует с водой: СаО + Н2О = Са(ОН)2. Второй путь — активный металл сразу реагирует с водой: Са + 2Н2О = Са(ОН)2 + Н2. Как видим, в этой реакции из воды вытесняется летучий газ — водород.
Самые активные щелочные металлы (калий, рубидий, цезий) реагируют с водой очень бурно — с воспламенением или даже со взрывом, поэтому такие реакции проводят обычно только на бумаге. Третий путь (для малоактивных металлов) — действие щёлочи на растворимое соединение этого металла: FeCl3 + + 3NaOH = Fe(OH)3i + 3NaCl.
Гидроксиды малоактивных и неактивных металлов в воде не растворяются (это показано направленной вниз стрелкой), но они тоже могут реагировать с кислотами, «нейтрализуя» их: Fe(OH)3 + 3НС1 = FeCl3 + 3H2О. Самая распространённая щёлочь — гидроксид натрия NaOH, который раньше называли (и теперь иногда называют) едким натром.
Действительно, это очень едкое вещество: его растворы разрушают ткани, особенно шерстяные, растворяют кожу.
Гидроксид натрия и другие щёлочи на ощупь мылкие. Особенно опасны щёлочи для глаз: они вызывают сильнейший ожог роговицы.
Гидроксид натрия совершенно нелетуч, из его растворов испаряется только вода. Следовательно, растворы щёлочи могут оказывать своё разрушающее действие в течение длительного времени.
Действуют растворы щелочей даже на стекло, которое в их присутствии постепенно мутнеет; недаром про такой процесс говорят, что стекло выщелачивается.
Если щёлочь — твёрдую или в растворе — оставить открытой, то она будет медленно терять свои едкие свойства, так как поглощает из воздуха углекислоту. При этом щёлочь и углекислота «гасят» друг друга, превращаясь в соду.
Вот, например, гидроксид кальция (гашёная известь) Са(ОН)2. Это вещество немного растворимо в воде.
Такой раствор называется известковой водой.
Если подуть в известковую воду через тонкую трубочку, раствор помутнеет — образовался осадок нерастворимого карбоната кальция: Са(ОН)2 + СО2 = СаСО34v + Н2О. Действительно, в выдыхаемом воздухе углекислоты (углекислого газа, диоксида углерода) примерно в 100 раз больше, чем во вдыхаемом, и этот газ вступает в реакцию.
Можно ли считать её реакцией нейтрализации? Можно, если формально записать это уравнение иначе: углекислый газ сначала реагирует с водой, образуя угольную кислоту: СО2 + Н2О = Н2СО3.
А угольная кислота уже вступает в знакомую нам реакцию с основанием — гидроксидом кальция: Н2СО3 + Са(ОН)2 = СаСО3 + 2Н2О. Железо, в отличие от натрия, имеет переменную валентность; в частности, оно может быть двух — и трёхвалентным.
Поэтому в гидроксиде железа, в отличие от гидроксида натрия, могут содержаться две или три гидроксильные группы: Fe(OH)2 — гидроксид железа (II) и Fe(OH)3 — гидроксид железа (III). Вспомним, что в кислотах тоже может быть более одного атома водорода, способного замещаться на атомы металла или давать воду в реакциях с основаниями. Например, в соляной (НС1) и азотной (HNО3) кислотах всего один такой атом водорода, в серной (H2SО4), сернистой (H2SО3), сероводородной (H2S) и угольной (Н2СО3) — два, в фосфорной (H3PO4) — три, в пирофосфорной (Н4Р2О7) — четыре и т. д. По числу способных замещаться атомов водорода кислоты относят к одноосновным, двухосновным, трёхосновным и т. д. Этими названиями как бы подчёркивается, с каким количеством основания они могут прореагировать.
Соответственно, основания также могут иметь разное число групп ОН — одну (КОН), две (Са(ОН)2), три (Fe(OH)3, А1(ОН)3) и т. д. По аналогии с кислотами такие основания можно назвать одно-, двух — и трёхкислотными, но эти термины практически не употребляются.
В XIX веке было установлено очень важное свойство кислот и щелочей: их водные растворы проводят электрический ток. Это дало основание шведскому химику Сванте Аррениусу (1859-1927) в 1880-х годах дать такое определение: кислоты — химические соединения, образующие в водных растворах катионы Н+ (протоны), тогда как основания образуют в водных растворах анионы ОН-, эти частицы и проводят электрический ток. Позднее было установлено, что протон Н+ в водном растворе прочно связан с молекулой воды с образованием катиона Н3О+, но химики для простоты пишут просто Н+. В соответствии с теорией Аррениуса, взаимодействие кислоты и щёлочи в водном растворе сводится просто к взаимному притяжению разноимённо заряженных ионов Н+ и ОН-, в результате чего образуется незаряженная молекула воды: Н+ + ОН — = Н2О. Во многих рекламных роликах, посвященных жевательной резинке или зубной пасте, показывается, как изменяется рН во рту человека. Что же такое рН? Этим символом (он читается «пэ-аш» и называется водородным показателем) химики обозначают кислотность или щёлочность раствора.
Его ввёл в 1909 году датский биохимик Серен Сёренсен (1868-1939).
К тому времени химики уже знали, что кислотность раствора создаётся заряженными ионами H+. Для растворов, с которыми имел дело Сёренсен, кислотность была невелика, а концентрация ионов H+ соответственно мала, например 0,00001 моль/л. Оперировать с такими числами неудобно, и математики давно договорились записывать их в виде отрицательной степени числа 10; в данном случае 0,00001 = 10-5. Сёренсен предложил ещё более сокращённую запись — в виде показателя р в выражении 10-р, где буква «р» обозначала «степень», причём на всех основных европейских языках: Potenz по-немецки, power по-английски, puissance по-французски. Теперь вместо концентрации 0,00001 можно было написать рН = 5 (считаем, на каком месте после запятой стоит цифра 1), что намного удобнее.
Это обозначение вскоре стало общеупотребительным, оно широко применяется в химии, биологии, медицине, в других отраслях. В нейтральной среде, в которой нет ни кислоты, ни щёлочи, концентрации ионов H+ и ОН — одинаковы и равны (при 25 °С) 10-7 моль/л. В таком растворе рН = 7. В кислых растворах рН 7. Современные портативные электронные приборы могут быстро измерить рН водного раствора — достаточно опустить их кончик в жидкость.
В таблице приведены значения рН некоторых растворов в порядке уменьшения кислотности (для индивидуальных химических соединений указан рН при концентрации 0,1 моль/л):