§ 2. Характеристика химического элемента по кислотно-основным свойствам образуемых им соединений. Амфотерные оксиды и гидроксиды

Определения и обозначения

Кислотно-основные свойства соединений элемента — способность его оксидов и гидроксидов проявлять основные, кислотные или амфотерные свойства. По ним можно описать, как соединения элемента ведут себя в реакциях. Для характеристики элемента рассматривают его оксид и соответствующий гидроксид, а не только простое вещество.

Основный оксид и гидроксид — соединения, реагирующие преимущественно с кислотами с образованием соли и воды. Например, оксид натрия Na₂O взаимодействует с соляной кислотой с образованием NaCl и H₂O. Это определение помогает распознать основные свойства по характерной реакции.

Кислотный оксид и гидроксид — соединения, реагирующие с основаниями или проявляющие свойства кислот. Кислотный оксид может образовать соответствующую кислоту при взаимодействии с водой, а эта кислота реагирует со щёлочью. Такое различие нужно учитывать, чтобы не смешивать оксид и кислоту.

Амфотерные оксид и гидроксид — соединения, способные реагировать и с кислотами, и со щёлочами. Например, Al₂O₃ реагирует с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. Проверка обеих реакций позволяет отличить амфотерность от только основных или только кислотных свойств.

Как это устроено

Положение элемента в периодической системе даёт первое предположение о свойствах его соединений. В левой части периода находятся преимущественно металлы: им легче отдавать электроны, поэтому их оксиды и гидроксиды часто проявляют основные свойства. Справа расположены неметаллы, которые обычно образуют кислотные оксиды и соответствующие кислоты. Это закономерность, а не безусловный способ определить свойства любого соединения.

При движении по периоду слева направо способность атомов притягивать электроны обычно возрастает, а металлический характер ослабевает. Поэтому основный характер оксидов постепенно сменяется амфотерным, а затем кислотным. Амфотерные соединения возникают в переходной области: свойства элемента уже не выраженно основные, но ещё не стали исключительно кислотными. Так объясняется ряд от основных соединений через амфотерные к кислотным.

Важна и степень окисления — условный заряд атома элемента в соединении. У одного элемента оксиды с разными степенями окисления могут иметь разный характер: при её увеличении кислотные свойства обычно усиливаются. Причина в том, что атом сильнее притягивает электронную плотность связей и его оксид легче проявляет кислотный характер. Поэтому при характеристике элемента нужно уточнять, о каком оксиде идёт речь.

Амфотерные соединения занимают промежуточное положение не только в ряду свойств, но и в реакциях. С кислотой такой оксид ведёт себя как основный: обычно образуются соль и вода. Со щёлочью он проявляет кислотные свойства и тоже образует соль, а в водном растворе — комплексное соединение. Двойственность подтверждается не названием, а двумя типами реакций.

Чтобы проверить характер соединения, подбирают реагенты с противоположными свойствами и составляют уравнения. Реакция оксида с кислотой показывает основные свойства, а реакция со щёлочью — кислотные; для гидроксидов рассуждают аналогично. Затем уравнивают число атомов и проверяют формулы продуктов. Если соединение реагирует с обоими реагентами, это подтверждает его амфотерность.

Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов

Сначала найди в таблице тип соединения по его поведению в реакциях, а характер элемента используй как предварительную подсказку. Для амфотерного вещества обязательно проверяй обе колонки: реакцию и с кислотой, и со щёлочью. Примеры помогают сверить вывод, но один лишь состав вещества не заменяет анализа реакций.

Разбор задач

Задача 1. Определить кислотно-основной характер оксида натрия Na₂O и составить уравнение его реакции с водой и кислотой. Натрий — металл, поэтому ожидаем основный оксид. Проверим предположение по продуктам реакций.

1. Оксид основного металла при взаимодействии с водой образует щёлочь: Na₂O + H₂O → 2NaOH.
2. При реакции с кислотой образуются соль и вода: Na₂O + 2HCl → 2NaCl + H₂O.
3. Проверяем баланс: перед натрием и водородом поставлены коэффициенты, атомы каждого элемента уравнены.

Ответ: Na₂O — основный оксид; уравнения реакций приведены выше. Образование NaOH при реакции с водой согласуется с основным характером оксида.

Задача 2. Определить тип Al₂O₃ и записать его реакции с соляной кислотой и раствором гидроксида натрия. Нельзя считать оксид алюминия основным только потому, что алюминий — металл: проверим обе реакции. Если продукты образуются в обоих случаях, оксид амфотерный.

1. С кислотой оксид даёт соль и воду: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.
2. В водном растворе со щёлочью образуется комплексная соль: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄].
3. Сверяем атомы и заряды в формулах продуктов; уравнения показывают оба типа свойств.

Ответ: Al₂O₃ — амфотерный оксид, поскольку реагирует как с кислотой, так и со щёлочью. В уравнении со щёлочью указаны условия водного раствора.

Задача 3. Охарактеризовать серу по кислотно-основным свойствам высшего оксида и соответствующей кислоты; записать реакции SO₃ и H₂SO₄ со щёлочью. Сера — неметалл, а в SO₃ имеет степень окисления +6. По этим признакам ожидаем кислотный характер, который подтвердим уравнениями.

1. Высший оксид серы SO₃ — кислотный; при реакции со щёлочью образует соль и воду: SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O.
2. Соответствующая кислота — H₂SO₄. Её нейтрализация щёлочью записывается так: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O.
3. Проверяем, что в каждом уравнении сохранено число атомов всех элементов.

Ответ: высший оксид серы и соответствующая ему серная кислота проявляют кислотные свойства. SO₃ — именно оксид, а H₂SO₄ — кислота; это разные вещества.

Типичные ошибки

Считать амфотерный оксид только основным или только кислотным — значит учитывать лишь одну его реакцию. Так ошибаются, когда переносят свойства элемента на соединение без проверки. Сверь поведение вещества с кислотой и со щёлочью: наличие обеих реакций указывает на амфотерность.

Нельзя утверждать, что любой оксид металла основной. Некоторые металлические оксиды, например Al₂O₃, амфотерны, а свойства могут зависеть от степени окисления элемента. Проверь реакциями, а при сравнении оксидов одного элемента уточни степень окисления.

Кислотный оксид не следует путать с соответствующей кислотой. Например, SO₃ — оксид, а H₂SO₄ — кислота; формула и реакции у них разные. Чтобы проверить себя, сначала назови вещество по формуле и только потом записывай уравнение, не подменяя оксид его продуктом взаимодействия с водой.

Определять свойства только по формуле недостаточно: правило о положении элемента даёт предположение, но не доказательство. Ошибка возникает, если не проверяют, с какими веществами соединение действительно реагирует. Составь уравнения с кислотой и щёлочью и проверь, что продукты и коэффициенты сбалансированы.

Связь с другими темами

Для работы с темой пригодятся знания о периодической системе и различии металлических и неметаллических свойств. Нужно уметь определять валентность и степень окисления, составлять формулы оксидов и гидроксидов. Также важны уравнения реакций обмена и нейтрализации: без них трудно подтвердить тип соединения. Эти умения затем применяются при изучении свойств металлов и неметаллов и генетических связей между классами неорганических веществ.

Что запомнить

• Основные оксиды и гидроксиды характерны преимущественно для металлов.
• Кислотные оксиды и гидроксиды характерны преимущественно для неметаллов.
• Амфотерные соединения реагируют и с кислотами, и со щёлочами.
• В периоде кислотный характер высших оксидов обычно усиливается слева направо.
• При увеличении степени окисления одного элемента кислотный характер его оксида обычно возрастает.
• Кислотно-основной характер элемента устанавливают по свойствам его оксида и соответствующего гидроксида.
• Главное доказательство амфотерности — наличие реакций и с кислотой, и со щёлочью.