Гідроксиди Натрію і Кальцію: властивості й застосування

Натрій гідроксид (NaOH) і кальцій гідроксид (Ca(OH)₂) — це дві важливі основи (луги), які широко застосовують у промисловості й побуті. Їхніх тривіальних назв немає в довідкових матеріалах НМТ, тому їх треба знати напам'ять.

Натрій гідроксид — їдкий натр (каустична сода)

Формула: NaOH. Тривіальні назви: їдкий натр, каустична сода (від грец. «каустикос» — пекучий, їдкий). За звичайних умов — це білі тверді гранули, пластинки або лусочки. Натрій гідроксид дуже добре розчиняється у воді (у таблиці розчинності НМТ позначений літерою «Р»). Розчинення супроводжується сильним виділенням теплоти — розчин помітно нагрівається.

Важлива особливість NaOH — гігроскопічність: він активно поглинає вологу з повітря. Якщо залишити гранули NaOH відкритими, вони «розпливаються» — вбирають стільки води, що перетворюються на каламутну рідину. Крім води, натрій гідроксид поглинає з повітря й карбон(IV) оксид (CO₂), утворюючи натрій карбонат. Саме тому NaOH зберігають у щільно закритих поліетиленових банках або склянках із гумовими чи пластмасовими корками (скляні притерті корки з часом «прикипають», бо луг реагує зі склом). Натрій гідроксид — їдка речовина: він роз'їдає шкіру, тканини, папір, тому працювати з ним треба в рукавичках і захисних окулярах.

Кальцій гідроксид — гашене вапно

Формула: Ca(OH)₂. Тривіальна назва: гашене вапно. За звичайних умов — білий пухкий порошок. Кальцій гідроксид малорозчинний у воді (у таблиці розчинності НМТ позначений літерою «М»). Його насичений розчин називають вапняною водою — це прозора рідина. Якщо ж Ca(OH)₂ просто змішати з водою в надлишку, утворюється каламутна суспензія — вапняне молоко. Обидва терміни описують одну й ту саму речовину, але в різному стані: розчин і суспензія.

Не плутай!

Навчися розрізняти подібні назви — у довідкових матеріалах НМТ їх немає:

І NaOH, і Ca(OH)₂ належать до лугів — розчинних основ. У водному розчині вони дисоціюють з утворенням гідроксид-іонів OH⁻, тому їхні розчини мають лужне середовище. Фенолфталеїн у таких розчинах набуває малинового забарвлення.

Як типові луги, натрій гідроксид і кальцій гідроксид вступають у характерні реакції з кислотами, кислотними оксидами й розчинами солей. Однак через різну розчинність і склад продуктів деякі реакції відрізняються.

Реакція з кислотами (нейтралізація)

Обидва гідроксиди реагують з кислотами, утворюючи сіль і воду. Це реакції нейтралізації:

• NaOH + HCl → NaCl + H₂O (натрій хлорид + вода)

• Ca(OH)₂ + 2HNO₃ → Ca(NO₃)₂ + 2H₂O (кальцій нітрат + вода)

Зверни увагу: на нейтралізацію 1 моль Ca(OH)₂ потрібно вдвічі більше одноосновної кислоти, ніж на 1 моль NaOH, бо формульна одиниця Ca(OH)₂ містить два гідроксид-йони.

Реакція з кислотними оксидами

Луги реагують з кислотними оксидами, утворюючи сіль і воду. Найважливіший приклад — реакція з карбон(IV) оксидом (CO₂):

• 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O — натрій карбонат добре розчиняється у воді, тому видимих змін немає. Розчин залишається прозорим.

• Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O — кальцій карбонат нерозчинний, тому вапняна вода каламутніє. Це якісна реакція на CO₂.

Якщо через каламутну суміш пропускати CO₂ далі, осад CaCO₃ розчиняється: CaCO₃ + H₂O + CO₂ → Ca(HCO₃)₂. Кальцій гідрогенкарбонат розчинний, тому каламуть зникає. Цю реакцію детально розглянуто в юніті «Кислі солі: утворення і перетворення на середні».

Реакція з розчинами солей

Луг реагує з розчином солі, якщо в результаті утворюється осад (нерозчинна основа або нерозчинна сіль), газ або вода:

• 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄ — блакитний осад купрум(II) гідроксиду

• Ca(OH)₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaOH — білий осад кальцій карбонату

• NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O — виділяється амоніак із різким запахом (так виявляють йон амонію)

• NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O — кисла сіль перетворюється на середню, утворюється вода

Якщо не утворюється ні осад, ні газ, ні вода (наприклад, NaOH + KCl), реакція не відбувається. Взаємодія лугів з амфотерними гідроксидами — окрема тема, яку розглянуто в юніті «Амфотерні оксиди й гідроксиди Цинку та Алюмінію».

Дія нагрівання

Під час нагрівання поведінка двох гідроксидів різна:

• NaOH не розкладається — він плавиться (температура плавлення близько 318 °C) і залишається хімічно незмінним.

• Ca(OH)₂ за сильного нагрівання (понад 500 °C) розкладається: Ca(OH)₂ → CaO + H₂O. Це зворотний процес до гасіння вапна.

І натрій гідроксид, і кальцій гідроксид можна одержати взаємодією відповідних металів або оксидів з водою. Різниця в тому, що натрій реагує з водою дуже бурхливо, а кальцій — спокійніше.

Одержання з металів

Лужні та лужноземельні метали реагують з водою, утворюючи гідроксид і водень:

• 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ — натрій «бігає» по поверхні води, плавиться від теплоти реакції, виділяється газ водень.

• Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑ — кальцій реагує повільніше, на дні посудини утворюється каламутна суспензія Ca(OH)₂.

Одержання з оксидів

Луги можна одержати взаємодією відповідних оксидів з водою (у промисловості так одержують гашене вапно, а натрій гідроксид — електролізом розчину натрій хлориду):

• Na₂O + H₂O → 2NaOH

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — гасіння вапна: реакція екзотермічна, суміш сильно розігрівається, вода закипає, а CaO перетворюється на пухкий білий порошок Ca(OH)₂.

Виробництво негашеного вапна

Негашене вапно CaO одержують випалюванням вапняку в печах за температури близько 900–1000 °C:

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

Цей ланцюжок CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ показує кругообіг кальцію у виробництві вапна. Вапняний будівельний розчин твердне саме тому, що Ca(OH)₂ на повітрі вбирає CO₂ і знову перетворюється на CaCO₃.

Правила безпеки

Усі луги — їдкі речовини. Працюючи з NaOH або Ca(OH)₂, завжди надягай гумові рукавички й захисні окуляри. Якщо луг потрапив на шкіру, негайно змий його великою кількістю проточної води. Не намагайся нейтралізувати луг кислотою на шкірі — це спричинить додаткове хімічне ураження через теплоту нейтралізації.

Різні фізичні властивості та розчинність натрій гідроксиду й кальцій гідроксиду зумовлюють їхнє різне застосування в промисловості, будівництві, сільському господарстві та лабораторіях.

Застосування натрій гідроксиду (NaOH)

Завдяки високій лужності, добрій розчинності та здатності розчиняти органічні речовини NaOH використовують у багатьох галузях:

• Виробництво мила — лужний гідроліз жирів (процес омилення) дає мило й гліцерол. Цю реакцію детально розглянуто в юніті «Жири і мила».

• Виробництво паперу й целюлози — NaOH розчиняє лігнін, що зв'язує целюлозні волокна в деревині, даючи змогу отримати чисту целюлозу.

• Виробництво штучних волокон (віскоза) — луг обробляє целюлозу перед формуванням волокон.

• Очищення нафтопродуктів — NaOH видаляє сірковмісні сполуки й органічні кислоти.

• Засоби для прочищення каналізаційних труб — луг розчиняє жирові затори й органічні залишки.

Застосування кальцій гідроксиду (Ca(OH)₂)

Ca(OH)₂, або гашене вапно, широко застосовують там, де потрібна помірна лужність і здатність реагувати з CO₂ повітря:

• Будівельні вапняні розчини — суміш гашеного вапна з піском і водою твердне на повітрі, поглинаючи CO₂: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O. Утворений кальцій карбонат скріплює піщинки, надаючи розчину міцності.

• Побілка стін і стовбурів дерев — суспензія Ca(OH)₂ (вапняне молоко) дезінфікує поверхні та захищає стовбури від шкідників.

• Вапнування кислих ґрунтів — Ca(OH)₂ нейтралізує надлишкову кислотність, покращуючи умови для росту рослин (юніт «Кислотні й лужні ґрунти»).

• Усунення тимчасової жорсткості води — Ca(OH)₂ перетворює розчинні гідрогенкарбонати на нерозчинний CaCO₃ (юніт «Жорсткість води та способи її усунення»).

• Виявлення CO₂ в лабораторії — вапняна вода є якісним реагентом на карбон(IV) оксид.

Порівняльна таблиця

Розгляньмо кілька типових завдань на НМТ, які перевіряють знання з теми «Гідроксиди Натрію й Кальцію».

Приклад 1. Виявлення CO₂

Завдання. Яким реагентом виявляють карбон(IV) оксид?

Розв'язання. Карбон(IV) оксид (CO₂) реагує з лугами, але з NaOH видимих змін немає, бо утворюється розчинний Na₂CO₃. Натомість з вапняною водою (розчином Ca(OH)₂) утворюється нерозчинний CaCO₃, який робить розчин каламутним. Отже, реагент — вапняна вода.

Відповідь: вапняна вода (розчин Ca(OH)₂).

Чому інші варіанти неправильні:

• Розчин NaOH — реагує з CO₂ без видимих змін, тому не підходить для якісного виявлення.

• Фенолфталеїн — індикатор на лужне середовище, він не реагує з CO₂ безпосередньо.

• Тліюча скіпка — виявляє кисень (вона спалахує в O₂), а з CO₂ вона гасне, але це неспецифічна реакція.

Приклад 2. Тривіальна назва → формула

Завдання. Установи відповідність між тривіальною назвою та формулою речовини.

1 їдкий натр2 гашене вапно3 негашене вапно

А NaOHБ Ca(OH)₂В CaOГ CaCO₃Д Na₂CO₃

Розв'язання. Їдкий натр — це NaOH (А). Гашене вапно — Ca(OH)₂ (Б). Негашене вапно — CaO (В). CaCO₃ — це вапняк або крейда, а Na₂CO₃ — кальцинована сода.

Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В.

Поширена помилка: плутати гашене вапно Ca(OH)₂ з негашеним CaO, або вважати, що їдкий натр — це Na₂CO₃.

Приклад 3. Спільний реагент

Завдання. З якою речовиною реагують і натрій гідроксид, і кальцій гідроксид?

Розв'язання. Обидва гідроксиди — луги. Вони реагують з кислотними оксидами. Карбон(IV) оксид — кислотний оксид: 2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O; Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Кальцій оксид — основний оксид, з лугами не реагує. Калій хлорид — сіль, з якою луги не дають осаду. Мідь — метал, який з лугами не реагує.

Відповідь: карбон(IV) оксид (CO₂).

Приклад 4. Два твердження

Завдання. Яке з тверджень правильне?

I. Гашене вапно добре розчиняється у воді.

II. Негашене вапно одержують випалюванням вапняку.

Розв'язання. Твердження I хибне: Ca(OH)₂ — малорозчинна речовина (у таблиці розчинності позначена «М»). Твердження II правильне: CaCO₃ під час нагрівання розкладається на CaO (негашене вапно) і CO₂.

Відповідь: правильне лише II.

Розгляньмо типові помилки в завданнях про гідроксиди Натрію й Кальцію.

• Вважати гашене вапно добре розчинною речовиною. Правильно: Ca(OH)₂ малорозчинний (у таблиці розчинності — «М»). Вапняна вода — це його насичений розчин, а вапняне молоко — суспензія.

• Плутати гашене вапно Ca(OH)₂, негашене CaO і вапняк CaCO₃, а також каустичну соду NaOH і кальциновану соду Na₂CO₃. Правильно: запам'ятай таблицю з розділу «Назви й фізичні властивості» — тривіальні назви в довідці НМТ відсутні.

• Вважати, що розчин NaOH каламутніє від CO₂. Правильно: осад дає лише вапняна вода, бо CaCO₃ нерозчинний, а Na₂CO₃, що утворюється з NaOH, добре розчиняється.

• Записувати розклад NaOH під час нагрівання. Правильно: NaOH плавиться, але не розкладається. Розкладається Ca(OH)₂: Ca(OH)₂ → CaO + H₂O.

• Писати реакцію лугу з розчином солі, у якій не утворюється ні осад, ні газ, ні вода. Правильно: луг реагує з розчином солі, якщо утворюється осад (2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄), газ (NH₄Cl + NaOH → NaCl + NH₃↑ + H₂O) або вода (кисла сіль: NaHCO₃ + NaOH → Na₂CO₃ + H₂O). Якщо нічого з цього не утворюється (NaOH + KCl), реакція не відбувається.

• Вважати, що вапняний будівельний розчин твердне лише через висихання води. Правильно: головна причина тверднення — хімічна реакція Ca(OH)₂ з CO₂ з повітря, яка дає нерозчинний CaCO₃.

Тема «Гідроксиди Натрію й Кальцію» належить до теми 2.1.2 програми НМТ «Загальні відомості про металічні елементи та метали» (порівняння властивостей і застосування гідроксидів Натрію і Кальцію). Крім того, реакції лугів (взаємодія з кислотами, кислотними оксидами й солями) входять до теми 2.2.2 «Основи». Отже, завдання можуть спиратися на обидві теми.

Що треба знати напам'ять

Тривіальних назв (їдкий натр, гашене й негашене вапно, вапняна вода, вапняне молоко) у довідкових матеріалах НМТ немає — їх вивчають напам'ять. Формули відповідних речовин також потрібно пам'ятати: NaOH, Ca(OH)₂, CaO, CaCO₃, Na₂CO₃.

Користування таблицею розчинності

Розчинність гідроксидів перевіряють за Таблицею 3 довідки НМТ (розчинність основ, кислот, амфотерних гідроксидів і солей у воді). У цій таблиці NaOH позначено літерою «Р» (розчинний), а Ca(OH)₂ — літерою «М» (малорозчинний). Якщо в завданні питають, чи взаємодіють розчини двох речовин, спочатку перевір за таблицею, чи не випадає осад.

Форми завдань

На НМТ із хімії цю тему перевіряють у таких формах:

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (завдання № 1–18, 1 бал) — наприклад, завдання на вибір реагенту для виявлення CO₂. Чотири варіанти: вапняна вода, розчин NaOH, фенолфталеїн, тліюча скіпка. Ключ — вапняна вода.

• Логічні пари 1–3 → А–Д (завдання № 19–20, 0–3 бали, по 1 балу за кожну правильно встановлену пару) — наприклад, «тривіальна назва → формула». Три лівих елементи (1 — їдкий натр, 2 — гашене вапно, 3 — негашене вапно) і п'ять правих (А–Д), з яких два зайві.

Стратегія виконання: спочатку визнач, якого типу завдання перед тобою. Для логічних пар зіставляй назви й формули поступово — знайди найочевиднішу відповідність (наприклад, негашене вапно — CaO) і викресли використаний варіант. Пам'ятай, що два праві елементи (дві букви з п'яти) завжди зайві.

• NaOH — їдкий натр (каустична сода), добре розчинний у воді (Р), гігроскопічний, їдкий.

• Ca(OH)₂ — гашене вапно, малорозчинний (М). Його насичений розчин — вапняна вода, суспензія — вапняне молоко.

• Обидва — луги: реагують з кислотами (нейтралізація), кислотними оксидами й розчинами солей (якщо утворюється осад, газ або вода).

• Вапняна вода каламутніє від CO₂ — так виявляють карбон(IV) оксид: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O.

• CaO + H₂O → Ca(OH)₂ — гасіння вапна (екзотермічна реакція). CaCO₃ → CaO + CO₂ — випалювання вапняку.

• NaOH застосовують у виробництві мила, паперу, штучних волокон, для очищення нафтопродуктів.

• Ca(OH)₂ застосовують у будівельних розчинах, для побілки, вапнування ґрунтів, усунення жорсткості води та виявлення CO₂.