WODOROTLENKI: WŁAŚCIWOŚCI, NAZEWNICTWO I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2025

W wodorotlenki są nieorganiczne i trójskładnikowe związki składające się z interakcji między kation metalu i grupę funkcyjną OH (wodorotlenku anionu, OH ^- ). Większość z nich ma charakter jonowy, chociaż mogą mieć również wiązania kowalencyjne.

Na przykład wodorotlenek można przedstawić jako oddziaływanie elektrostatyczne między kationem M ⁺ i anionem OH ^- lub jako wiązanie kowalencyjne przez wiązanie M-OH (dolny obraz). W pierwszej występuje wiązanie jonowe, w drugiej kowalencyjne. Fakt ten zależy zasadniczo od metalu lub kationu M ⁺ , a także od jego ładunku i promienia jonowego.

Źródło: Gabriel Bolívar

Ponieważ większość z nich pochodzi z metali, można je nazwać wodorotlenkami metali.

Jak powstają?

Istnieją dwie główne drogi syntezy: poprzez reakcję odpowiedniego tlenku z wodą lub z mocną zasadą w środowisku kwaśnym:

MO + H ₂ O => M (OH) ₂

MO + H ⁺ + OH ^- => M (OH) ₂

Tylko te tlenki metali rozpuszczalne w wodzie reagują bezpośrednio z utworzeniem wodorotlenku (pierwsze równanie chemiczne). Inne są nierozpuszczalne i wymagają związków kwasowych, aby uwolnić M ⁺ , który następnie oddziałuje z OH ^- z silnych zasad (drugie równanie chemiczne).

Jednak te mocne zasady to wodorotlenki metali NaOH, KOH i inne z grupy metali alkalicznych (LiOH, RbOH, CsOH). Są to związki jonowe dobrze rozpuszczalne w wodzie, dlatego ich OH ^- mogą swobodnie uczestniczyć w reakcjach chemicznych.

Z drugiej strony istnieją nierozpuszczalne wodorotlenki metali, które w konsekwencji są bardzo słabymi zasadami. Niektóre z nich są nawet kwaśne, jak ma to miejsce w przypadku kwasu tellurowego Te (OH) ₆ .

Wodorotlenek zapewnia równowagę rozpuszczalności w otaczającym rozpuszczalniku. Jeśli na przykład jest to woda, równowaga jest wyrażana w następujący sposób:

M (OH) ₂ <=> M ²⁺ (aq) + OH ^- (aq)

Gdzie (ac) oznacza, że ​​ośrodek jest wodny. Gdy ciało stałe jest nierozpuszczalne, stężenie rozpuszczonego OH jest małe lub nieistotne. Z tego powodu nierozpuszczalne wodorotlenki metali nie mogą generować roztworów tak zasadowych jak NaOH.

Z powyższego można wywnioskować, że wodorotlenki wykazują bardzo różne właściwości, związane ze strukturą chemiczną i interakcjami między metalem a OH. Tak więc, chociaż wiele z nich jest jonowych, o różnych strukturach krystalicznych, inne mają złożone i nieuporządkowane struktury polimerowe.

Właściwości wodorotlenków

Anion OH

Jon hydroksylowy to atom tlenu związany kowalencyjnie z wodorem. Zatem można to łatwo przedstawić jako OH ^- . Ujemny ładunek znajduje się w tlenie, dzięki czemu ten anion jest donorem elektronów: zasadą.

Jeśli OH ^- przekazuje swoje elektrony do wodoru, tworzy się cząsteczka H ₂ O. Może on również przekazywać swoje elektrony dodatnio naładowanym formom, takim jak centra metali M ⁺ . W ten sposób kompleks koordynacyjny jest tworzony przez celujące wiązanie M - OH (tlen dostarcza parę elektronów).

Jednak, aby tak się stało, tlen musi być w stanie skutecznie koordynować się z metalem, w przeciwnym razie interakcje między M i OH będą miały silny charakter jonowy (M ⁺ OH ^- ). Ponieważ jon hydroksylowy jest taki sam we wszystkich wodorotlenkach, różnica między nimi wszystkimi polega na towarzyszącym mu kationie.

Podobnie, ponieważ ten kation może pochodzić z dowolnego metalu w układzie okresowym (grupy 1, 2, 13, 14, 15, 16 lub z metali przejściowych), właściwości takich wodorotlenków są bardzo różne, chociaż wszystkie rozważane w wspólne niektóre aspekty.

Charakter jonowy i podstawowy

W wodorotlenkach, chociaż mają wiązania koordynacyjne, mają utajony charakter jonowy. W niektórych, takich jak NaOH, ich jony są częścią sieci krystalicznej złożonej z kationów Na ⁺ i anionów OH ^- w proporcjach 1: 1; to znaczy, dla każdego jonu Na ⁺ istnieje odpowiadający mu jon OH ^- .

W zależności od ładunku metalu wokół niego będzie mniej lub więcej anionów OH ^- . Na przykład dla kationu metalu M ²⁺ będą oddziałujące z nim dwa jony OH ^- : M (OH) ₂ , co jest opisane jako HO ^- M ²⁺ OH ^- . To samo dzieje się z metalami M ³⁺ i innymi z bardziej dodatnimi ładunkami (chociaż rzadko przekraczają 3+).

Ten charakter jonowy jest odpowiedzialny za wiele właściwości fizycznych, takich jak temperatura topnienia i wrzenia. Są one wysokie, odzwierciedlając siły elektrostatyczne działające w sieci krystalicznej. Ponadto, gdy wodorotlenki rozpuszczają się lub topią, mogą przewodzić prąd elektryczny ze względu na ruchliwość ich jonów.

Jednak nie wszystkie wodorotlenki mają takie same sieci krystaliczne. Te z najbardziej stabilnymi będą mniej podatne na rozpuszczanie się w polarnych rozpuszczalnikach, takich jak woda. Z reguły im bardziej zróżnicowane są promienie jonowe M ⁺ i OH ^- , tym bardziej będą one rozpuszczalne.

Okresowy trend

Powyższe wyjaśnia, dlaczego rozpuszczalność wodorotlenków metali alkalicznych wzrasta, gdy schodzimy przez grupę. Zatem rosnąca kolejność ich rozpuszczalności w wodzie jest następująca: LiOH

OH ^- jest małym anionem, a wraz ze wzrostem objętości kationu sieć krystaliczna energetycznie słabnie.

Z drugiej strony metale ziem alkalicznych tworzą mniej rozpuszczalne wodorotlenki ze względu na ich wyższy ładunek dodatni. Dzieje się tak, ponieważ M ²⁺ przyciąga OH ^- silniej niż M ⁺ . Podobnie, jego kationami są mniejsze, a w związku z tym mniejsze nierówności wielkości w odniesieniu do OH ^- .

Wynikiem tego są eksperymentalne dowody na to, że NaOH jest znacznie bardziej zasadowy niż Ca (OH) ₂ . To samo rozumowanie można zastosować dla innych wodorotlenków, zarówno tych z metali przejściowych, jak i dla metali bloku p (Al, Pb, Te itp.).

Ponadto im mniejszy i większy promień jonowy i dodatni ładunek M ⁺ , tym niższy charakter jonowy wodorotlenku, innymi słowy, tych o bardzo dużej gęstości ładunku. Przykładem tego jest wodorotlenek berylu Be (OH) ₂ . Be ²⁺ to bardzo mały kation, a jego dwuwartościowy ładunek sprawia, że ​​jest bardzo gęsty elektrycznie.

Amfoterycyzm

Wodorotlenki M (OH) ₂ reagują z kwasami, tworząc wodny kompleks, to znaczy M ⁺ zostaje otoczony cząsteczkami wody. Jednak istnieje ograniczona liczba wodorotlenków, które mogą również reagować z zasadami. Są to tak zwane wodorotlenki amfoteryczne.

Wodorotlenki amfoteryczne reagują zarówno z kwasami, jak i zasadami. Drugą sytuację można przedstawić za pomocą następującego równania chemicznego:

M (OH) ₂ + OH ^- => M (OH) ₃ ^-

Ale jak ustalić, czy wodorotlenek jest amfoteryczny? Poprzez prosty eksperyment laboratoryjny. Ponieważ wiele wodorotlenków metali jest nierozpuszczalnych w wodzie, dodanie mocnej zasady do roztworu z rozpuszczonymi jonami M ⁺ , na przykład Al ³⁺ , spowoduje wytrącenie odpowiedniego wodorotlenku:

Al ³⁺ (aq) + 3OH ^- (aq) => Al (OH) ₃ (s)

Ale z nadmiarem OH ^- wodorotlenek nadal reaguje:

Al (OH) ₃ (s) + OH ^- => Al (OH) ₄ ^- (aq)

W rezultacie nowy ujemnie naładowany kompleks jest solwatowany przez otaczające cząsteczki wody, rozpuszczając białą substancję stałą wodorotlenku glinu. Te wodorotlenki, które pozostają niezmienione po dodaniu dodatkowej zasady, nie zachowują się jak kwasy, a zatem nie są amfoteryczne.

Struktury

Wodorotlenki mogą mieć strukturę krystaliczną podobną do wielu soli lub tlenków; niektóre proste, a inne bardzo złożone. Ponadto te, w których występuje spadek charakteru jonowego, mogą mieć centra metali połączone mostkami tlenowymi (HOM - O - MOH).

W rozwiązaniu struktury są różne. Chociaż w przypadku wodorotlenków dobrze rozpuszczalnych wystarczy uznać je za jony rozpuszczone w wodzie, w przypadku innych konieczne jest uwzględnienie chemii koordynacyjnej.

Zatem każdy kation M ⁺ może skoordynować się z ograniczoną liczbą gatunków. Bardziej upakowane, tym większa jest ilość wody lub cząsteczek OH ^- wiąże się z nim. Z tego wynika słynny ośmiościan koordynacyjny wielu metali rozpuszczonych w wodzie (lub w jakimkolwiek innym rozpuszczalniku): M (OH ₂ ) ₆ ^{+ n} , gdzie n jest równe dodatniemu ładunkowi metalu.

Na przykład Cr (OH) ₃ faktycznie tworzy ośmiościan. W jaki sposób? Biorąc pod uwagę związek, którego trzy cząsteczki wody są zastąpione anionami OH ^- . Gdyby wszystkie cząsteczki zostały zastąpione przez OH ^- , to ^{otrzymany zostałby} kompleks o ładunku ujemnym i strukturze oktaedrycznej ³ . Ładunek -3 jest wynikiem sześciu ujemnych ładunków OH ^- .

Reakcja na odwodnienie

Wodorotlenki można uznać za „tlenki uwodnione”. Jednak w nich „woda” jest w bezpośrednim kontakcie z M ⁺ ; podczas gdy w hydratowanych tlenkach MO · nH ₂ O cząsteczki wody są częścią zewnętrznej sfery koordynacyjnej (nie są blisko metalu).

Te cząsteczki wody można wyekstrahować przez podgrzanie próbki wodorotlenku:

M (OH) ₂ + Q (ciepło) => MO + H ₂ O

MO to tlenek metalu powstały w wyniku odwodnienia wodorotlenku. Przykładem takiej reakcji jest ta obserwowana, gdy wodorotlenek miedziowy Cu (OH) ₂ jest odwodniony :

Cu (OH) ₂ (niebieski) + Q => CuO (czarny) + H ₂ O

Nomenklatura

Jak prawidłowo wspomnieć o wodorotlenkach? W tym celu IUPAC zaproponował trzy nomenklatury: tradycyjną, tradycyjną i systematyczną. Prawidłowe jest użycie któregokolwiek z trzech, jednakże w przypadku niektórych wodorotlenków wygodniejsze lub praktyczne może być wspomnienie o tym w taki czy inny sposób.

Tradycyjny

Tradycyjna nomenklatura polega po prostu na dodaniu przyrostka –ico do najwyższej wartościowości metalu; a przyrostek –oso do najniższego. Tak więc, na przykład, jeśli metal M ma wartościowości +3 i +1, wodorotlenek M (OH) ₃ będzie nazywany wodorotlenkiem (nazwa metalu) ico , a wodorotlenek MOH (nazwa metalu) nosi .

Aby określić wartościowość metalu w wodorotlenku, wystarczy spojrzeć na liczbę po OH ujęty w nawiasach. Zatem M (OH) ₅ oznacza, że ​​metal ma ładunek lub wartościowość +5.

Główną wadą tej nomenklatury jest jednak to, że może być ona skomplikowana w przypadku metali o więcej niż dwóch stopniach utlenienia (takich jak chrom i mangan). W takich przypadkach przedrostki hyper- i hypo- są używane do oznaczenia najwyższych i najniższych wartościowości.

Tak więc, jeśli M zamiast mieć tylko wartościowości +3 i +1, ma również +4 i +2, to nazwy jego wodorotlenków o najwyższych i najniższych wartościowościach to: hiper- wodorotlenek (nazwa metalu) ico i hipowodorotlenek ( nazwa metalu) niedźwiedź .

Zbiory

Ze wszystkich nomenklatur jest to najprostsze. Tutaj po nazwie wodorotlenku następuje po prostu wartościowość metalu ujęta w nawias i zapisana cyframi rzymskimi. Na przykład dla M (OH) ₅ nomenklatura zapasów będzie wyglądać następująco: (nazwa metalu) (V) wodorotlenek. (V) oznacza (+5).

Systematyczny

Wreszcie, systematyczna nomenklatura charakteryzuje się uciekaniem się do mnożenia przedrostków (di-, tri-, tetra-, penta-, hexa- itp.). Te przedrostki służą do określenia zarówno liczby atomów metali, jak i jonów OH ^- . W ten sposób M (OH) ₅ nazywa się: (nazwa metalu) pentahydroksyd.

Na przykład w przypadku Hg ₂ (OH) ₂ byłby to diwodorotlenek dimerku; jeden z wodorotlenków, którego budowa chemiczna jest na pierwszy rzut oka złożona.

Przykłady wodorotlenków

Oto kilka przykładów wodorotlenków i odpowiadających im nomenklatur:

-NaOH (wodorotlenek sodu)

Wygląd wodorotlenku sodu

-Ca (OH) 2 (wodorotlenek wapnia)

Pojawienie się wodorotlenku wapnia w stanie stałym

-Fe (OH) _{3. (} Wodorotlenek żelaza; wodorotlenek żelaza (III); lub trójwodorotlenek żelaza)

-V (OH) _{5 (} wodorotlenek nadanadowy; wodorotlenek wanadu (V); lub pentahydrotlenek wanadu).

-Sn (OH) _{4 (} wodorotlenek cyny; wodorotlenek cyny (IV); lub czterowodorotlenek cyny).

-Ba (OH) ₂ (wodorotlenek baru lub diwodorotlenek baru).

-Mn (OH) _{6 (} wodorotlenek manganu, wodorotlenek manganu (VI) lub heksahydrotlenek manganu).

-AgOH (wodorotlenek srebra, wodorotlenek srebra lub wodorotlenek srebra). Należy zauważyć, że w przypadku tego związku nie ma rozróżnienia między nomenklaturą podstawową a systematyczną.

-Pb (OH) _{4 (} wodorotlenek ołowiu, wodorotlenek ołowiu (IV) lub czterowodorotlenek ołowiu).

-LiOP (wodorotlenek litu).

-Cd (OH) 2 (wodorotlenek kadmu)

-Ba (OH) _{2 (} wodorotlenek baru)

- Wodorotlenek chromu

Bibliografia

1. Chemistry LibreTexts. Rozpuszczalność wodorotlenków metali. Zaczerpnięte z: chem.libretexts.org
2. Clackamas Community College. (2011). Lekcja 6: Nazewnictwo kwasów, zasad i soli. Zaczerpnięte z: dl.clackamas.edu
3. Złożone jony i amfoteryzm. . Zaczerpnięte z: oneonta.edu
4. Fullchemistry. (14 stycznia 2013). Wodorotlenki metali. Zaczerpnięte z: quimica2013.wordpress.com
5. Encyklopedia przykładów (2017). Wodorotlenki Odzyskany z: examples.co
6. Castaños E. (9 sierpnia 2016). Receptura i nazewnictwo: wodorotlenki. Zaczerpnięte z: lidiaconlaquimica.wordpress.com