§ 38. Амфотерные оксиды и гидроксиды

Определения и обозначения

Амфотерный оксид — это оксид, проявляющий свойства и основного, и кислотного оксида в зависимости от реагента. С кислотой он обычно даёт соль и воду, а со щёлочью образует соединение, в котором проявляет кислотные свойства. Определение помогает предсказать сразу два типа реакций, а не относить оксид только к основным или кислотным.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, способный реагировать и с кислотами, и со щёлочами. Например, гидроксид цинка растворяется при добавлении кислоты, а в избытке щёлочи образует растворимый комплекс. Это свойство важно для распознавания осадков и выбора способа их разделения.

Комплексная соль — соль, содержащая сложный ион, состоящий из центрального атома или иона и связанных с ним частиц. При растворении таких продуктов в растворе присутствуют комплексные ионы, например [Al(OH)₄]⁻ или [Zn(OH)₄]²⁻. Запись комплекса показывает, почему продукт реакции со щёлочью не всегда следует представлять как обычную соль.

Как это устроено

Амфотерное соединение меняет характер поведения в зависимости от партнёра по реакции. В реакции с кислотой оно принимает роль основания, поскольку связывает кислотные частицы и образует соль. При взаимодействии со щёлочью оно ведёт себя как кислота и связывается с гидроксид-ионами. Поэтому амфотерность определяют не по одной реакции, а по способности вступать в оба типа взаимодействия.

Рассмотрим оксид алюминия Al₂O₃ и кислоту. В этой реакции оксид ведёт себя как основный: алюминий переходит в состав соли, а кислород и водород образуют воду. Например, с соляной кислотой получается хлорид алюминия: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O. Коэффициенты уравнивают по числу атомов каждого элемента, чтобы количество частиц слева и справа совпадало.

Со щёлочью в водном растворе оксид образует растворимую комплексную соль. Вода участвует в образовании гидроксокомплекса, поэтому её указывают среди реагентов: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. При сплавлении воды в реакционной среде нет, и обычно образуется соль без воды: Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O. Разные условия приводят к разной записи продуктов, поэтому их нельзя смешивать.

Амфотерный гидроксид с кислотой реагирует как основание, превращаясь в соль и воду. Например, Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O. В присутствии избытка щёлочи гидроксид цинка, напротив, образует растворимый гидроксокомплекс: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]. Среда определяет, какой реагент расходуется и какая форма соединения становится устойчивой в растворе.

Осадок амфотерного гидроксида обычно растворяется не от любой капли щёлочи: для образования растворимого комплекса требуется её избыток. При недостатке гидроксид-ионов осадок может остаться, поэтому опыт покажется отрицательным. Многие неамфотерные гидроксиды в избытке щёлочи не растворяются, и это различие помогает отличать их от амфотерных. Наблюдать нужно именно за исчезновением осадка после добавления избытка реагента.

Реакции амфотерных соединений

Сначала определите, какое условие задано: водный раствор или сплавление, кислота или щёлочь. Затем выберите тип продуктов и проверьте уравнение по числу атомов и зарядов. Комплексные частицы записывайте в квадратных скобках.

Разбор задач

Оксид алюминия и соляная кислота

Условие. Запишите уравнение реакции оксида алюминия с соляной кислотой и расставьте коэффициенты. Поскольку реагентом служит кислота, оксид рассматриваем как основный. Нужно получить соответствующую соль и воду.

1. Записываем формулы реагентов: Al₂O₃ и HCl. Соль алюминия с хлорид-ионами имеет формулу AlCl₃, второй продукт — H₂O.
2. Уравниваем алюминий: ставим коэффициент 2 перед AlCl₃. Тогда справа шесть атомов хлора, поэтому перед HCl ставим 6.
3. Слева в Al₂O₃ три атома кислорода, значит, справа нужны 3 молекулы H₂O. Шесть атомов водорода в воде соответствуют шести молекулам HCl.

Ответ: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O. Проверка показывает равное число атомов алюминия, хлора, водорода и кислорода по обе стороны уравнения.

Гидроксид цинка и избыток щёлочи

Условие. Составьте уравнение реакции Zn(OH)₂ с избытком раствора NaOH и укажите комплексный продукт. Избыток щёлочи нужен, чтобы осадок мог перейти в растворимую комплексную форму. Для цинка это ион [Zn(OH)₄]²⁻.

1. Записываем формулы исходных веществ: Zn(OH)₂ и NaOH. Комплексный ион имеет заряд 2−, поэтому для нейтральной соли ему нужны два иона Na⁺.
2. В комплексе четыре гидроксогруппы, а в Zn(OH)₂ уже есть две. Ещё две группы OH поступают из двух формульных единиц NaOH.
3. Записываем продукт в принятой молекулярной форме и проверяем атомы: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Ответ: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]. В растворе комплексная соль диссоциирует с образованием иона [Zn(OH)₄]²⁻.

Разделение оксидов алюминия и меди(II)

Условие. Предложите, как разделить смесь Al₂O₃ и CuO, и запишите уравнения. Используем то, что оксид алюминия амфотерен, а оксид меди(II) в избытке щёлочи не растворяется. Поэтому растворение одного компонента позволит отделить его от другого.

1. Добавляем к смеси избыток раствора NaOH. Al₂O₃ переходит в раствор, а CuO остаётся твёрдым: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄].
2. Фильтруем смесь. На фильтре остаётся CuO, а в фильтрат переходит алюминиевое комплексное соединение.
3. Осторожно добавляем к фильтрату кислоту, не допуская её большого избытка. Комплекс разрушается, и выпадает осадок: Na[Al(OH)₄] + HCl → Al(OH)₃↓ + NaCl + H₂O.
4. Отделяем осадок фильтрованием. При необходимости прокаливанием гидроксида можно получить оксид: 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O.

Ответ: растворить Al₂O₃ в избытке щёлочи, отфильтровать CuO, затем осадить Al(OH)₃ из фильтрата. Последовательность основана на различной растворимости оксидов и гидроксида в выбранных условиях.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать амфотерность реакцией только с кислотой или только со щёлочью. Её допускают, если судят по одному уравнению и забывают проверить соединение с другим классом веществ. Проверка проста: для вывода об амфотерности найдите реакции обоих типов; одного примера недостаточно.

Вторая ошибка — при реакции со щёлочью записывать только обычную соль и не учитывать комплексный ион. Так происходит, если механически переносить схему реакции кислоты с основанием. Проверьте, не растворяется ли амфотерный осадок в избытке щёлочи и не требуется ли в продукте гидроксокомплекс, например [Zn(OH)₄]²⁻.

Третья ошибка — путать реакцию в водном растворе со сплавлением. При этом в уравнение могут ошибочно включить воду там, где её нет среди условий, или записать комплексный продукт вместо соли. Перед составлением уравнения отметьте агрегатные условия: в растворе часто образуется комплексная соль, при сплавлении обычно получается соль без воды.

Четвёртая ошибка — ожидать растворения осадка амфотерного гидроксида после добавления небольшого количества щёлочи. Избыток OH⁻ нужен для образования устойчивого растворимого комплекса, поэтому при недостатке реагента осадок сохраняется. Проверяйте себя, добавляя щёлочь до избытка и наблюдая, исчезает ли осадок.

Связь с другими темами

Для работы с амфотерными веществами нужны знания о классификации оксидов и гидроксидов, свойствах кислот и оснований, а также о составлении уравнений реакций. В частности, важно уметь правильно составлять формулы солей и учитывать коэффициенты. Без этих навыков трудно понять, откуда берутся продукты реакции и как их уравнять.

Амфотерность пригодится при изучении химических свойств металлов и их соединений, качественных реакций и способов разделения смесей. Растворение осадка в избытке щёлочи может служить признаком амфотерного гидроксида. Та же разница в поведении веществ позволяет разделять смесь на компоненты.

Что запомнить

• Амфотерные оксиды и гидроксиды реагируют и с кислотами, и со щёлочами.
• При реакции амфотерного оксида с кислотой обычно образуются соль и вода.
• В растворе при взаимодействии со щёлочью часто образуются растворимые комплексные соединения.
• Условия реакции — раствор или сплавление — влияют на запись продуктов.
• Алюминий и цинк образуют характерные амфотерные оксиды и гидроксиды.
• Амфотерность используют для распознавания и разделения веществ.