§ 40. Амфотерные оксиды и гидроксиды

Определения и обозначения

Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и основания, и кислоты в зависимости от реагента. Например, при встрече с кислотой вещество может вести себя как основание, а при реакции со щёлочью — как кислота. Это понятие помогает объяснить, почему одно и то же соединение реагирует с веществами противоположных классов.

Амфотерный оксид — оксид, который реагирует и с кислотами, и со щёлочами, образуя соли. Оксид — соединение элемента с кислородом, например Al₂O₃ или ZnO. Чтобы распознать амфотерный оксид, недостаточно проверить только его реакцию с кислотой: нужно учитывать и взаимодействие со щёлочью.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, который реагирует и с кислотами, и со щёлочами. Гидроксиды содержат группы OH, поэтому их часто сравнивают с основаниями, но амфотерные вещества ведут себя не только как основания. Это определение позволяет понять, почему осадок такого гидроксида иногда растворяется при добавлении щёлочи.

Алюминаты и цинкаты — соли, образующиеся при взаимодействии соединений алюминия и цинка со щёлочами. Название продукта зависит от металла: соединения алюминия называют алюминатами, а цинка — цинкатами. Эти названия подсказывают, что в реакции со щёлочью образовалось не обычное основание, а растворимое соединение металла.

Как это устроено

Амфотерные свойства характерны для соединений лишь некоторых металлов, в том числе алюминия и цинка. Их поведение зависит от партнёра по реакции: кислота и щёлочь по-разному взаимодействуют с одним и тем же веществом. Поэтому общее правило «оксид металла — основный» нельзя применять ко всем оксидам без проверки. Для Al₂O₃ и ZnO учитывают оба возможных направления реакции.

При взаимодействии с кислотой амфотерный оксид или гидроксид проявляет основные свойства. Кислота предоставляет водород, а соединение металла в результате реакции превращается в соль; водород и кислород дают воду. Например, Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. По такому уравнению видно, что гидроксид алюминия в этой реакции ведёт себя как основание.

Со щёлочью амфотерный оксид или гидроксид проявляет кислотные свойства. В результате образуется соль соответствующего металла; в растворе её часто записывают как комплексное соединение, например Na[Al(OH)₄]. Для гидроксида алюминия уравнение имеет вид Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. В школьной записи продуктов могут использоваться формулы алюминатов или цинкатов, поэтому важно сверяться с условиями реакции и принятой формой записи.

Сравним реакции Al₂O₃ и Al(OH)₃. С соляной кислотой: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O и Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. В обоих случаях образуются хлорид алюминия и вода, но в формулах исходных веществ разное число атомов алюминия, кислорода и водорода, поэтому различаются коэффициенты. Со щёлочью продукты уже не такие, как с кислотой: в растворе образуется алюминат.

Осадок амфотерного гидроксида обычно не получают добавлением сразу большого избытка щёлочи к раствору соли металла. Сначала ионы металла соединяются с гидроксид-ионами, и появляется малорастворимый Al(OH)₃ или Zn(OH)₂. Но дополнительная щёлочь реагирует с амфотерным осадком, превращая его в растворимое соединение. Поэтому при избытке реагента осадок может исчезнуть; это не простое растворение в воде, а химическая реакция.

Реакции амфотерных оксидов и гидроксидов

Пользуйся таблицей, сначала определяя реагент: кислота или щёлочь. Затем выбери соответствующую колонку и проверь, что формулы и коэффициенты уравнены. Записи со щёлочью показывают образование растворимых алюминатов и цинкатов в растворе.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение реакции оксида алюминия с соляной кислотой и назовите продукты. Оксид алюминия амфотерен, но в присутствии кислоты проявляет основные свойства. Поэтому ожидаем соль алюминия и воду; анион кислоты Cl⁻ входит в состав соли. Проверим уравнение по числу атомов каждого элемента.

1. Записываем формулы исходных веществ: Al₂O₃ и HCl.
2. Составляем продукты: AlCl₃ и H₂O, поскольку металл образует соль с хлорид-ионами, а кислород оксида участвует в образовании воды.
3. Уравниваем алюминий: перед AlCl₃ ставим 2. Для хлора нужно 6 атомов слева, поэтому ставим 6 перед HCl.
4. В шести молекулах HCl содержится 6 атомов водорода, значит, справа ставим 3H₂O. Кислородов теперь тоже три с каждой стороны.

Ответ: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O. Продукты — хлорид алюминия и вода.

Задача 2. Составьте уравнения реакций гидроксида цинка с серной кислотой и с гидроксидом натрия. В первом случае Zn(OH)₂ взаимодействует с кислотой как основание, а во втором проявляет кислотные свойства. Следовательно, продукты для двух реакций будут разными: соль и вода в первой, цинкат во второй.

1. Для серной кислоты соединяем катион цинка с сульфат-ионом: ZnSO₄. Оставшиеся H⁺ и OH⁻ образуют воду.
2. Уравниваем кислоту и воду: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O. Проверяем, что с обеих сторон по одному Zn, одной группе SO₄, четырём H и четырём O.
3. Для раствора щёлочи записываем образование цинката Na₂[Zn(OH)₄]. На один атом цинка нужны два атома натрия, поэтому ставим 2 перед NaOH.
4. Балансируем кислород и водород добавлением воды: Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]. Проверка показывает, что атомы всех элементов совпадают.

Ответ: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O; Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Задача 3. К раствору соли алюминия добавили щёлочь сначала до появления осадка, затем в избытке. Сначала образуется малорастворимый гидроксид алюминия, поэтому раствор мутнеет. При дальнейшем добавлении щёлочи осадок реагирует с ней и растворяется, поскольку Al(OH)₃ амфотерен.

1. Для первого этапа запишите сокращённое ионное уравнение образования осадка: Al³⁺ + 3OH⁻ → Al(OH)₃↓.
2. Чтобы показать конкретную соль и щёлочь, например, используйте AlCl₃ и NaOH: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl.
3. Для избытка щёлочи запишите реакцию осадка с дополнительным NaOH: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Образуется растворимое соединение, поэтому осадок исчезает.

Ответ: сначала выпадает осадок Al(OH)₃, затем в избытке щёлочи он растворяется с образованием алюмината. Если вместо хлорида алюминия взята другая его соль, продукт первой реакции будет соответствовать аниону этой соли.

Типичные ошибки

Ошибка — считать амфотерный оксид только основным и записывать для него реакции лишь с кислотами. Так происходит, если свойства оксида автоматически выводят из того, что в его составе есть металл. Проверь себя: для амфотерного вещества нужно рассмотреть реакцию и с кислотой, и со щёлочью.

Ошибка — путать растворение гидроксида в избытке щёлочи с растворением в воде. Осадок исчезает не просто потому, что его размешали в жидкости, а потому, что амфотерный гидроксид вступил в химическую реакцию с дополнительной щёлочью. Проверь, указан ли щелочной реагент и записан ли новый продукт.

Ошибка — записывать реакцию со щёлочью как образование обычной соли и воды, не учитывая алюминат или цинкат. Учащийся может по привычке переносить схему реакции с кислотой на щёлочь. Проверь, кто вступил в реакцию: со щёлочью амфотерное соединение образует алюминат или цинкат, а не ту же пару продуктов, что с кислотой.

Ошибка — считать амфотерными все оксиды и гидроксиды металлов. Металлический элемент в формуле сам по себе этого свойства не доказывает: многие такие соединения проявляют только основные свойства. Чтобы проверить себя, назови конкретный пример амфотерного вещества и установи, с какими классами реагентов оно взаимодействует.

Связь с другими темами

Для изучения амфотерности понадобятся знания о классах неорганических веществ: оксидах, основаниях, кислотах и солях. Также нужно уметь составлять формулы и уравнивать реакции — например, находить коэффициенты по числу атомов. Тема помогает сравнивать свойства соединений металлов и объясняет, почему одно вещество может вести себя по-разному с кислотой и щёлочью. Эти знания пригодятся при изучении алюминия, цинка и их соединений, а также при разборе качественных реакций и способов получения веществ.

Что запомнить

• Амфотерные оксиды и гидроксиды проявляют свойства и оснований, и кислот.
• С кислотами они обычно образуют соль и воду.
• Со щёлочами образуются соли: алюминаты или цинкаты для соединений соответствующих металлов.
• Примеры амфотерных соединений: Al₂O₃, Al(OH)₃, ZnO и Zn(OH)₂.
• Гидроксиды алюминия и цинка могут растворяться в избытке щёлочи.
• При записи уравнения учитывай реагенты и условия реакции.