"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Амфотерные соединения способны проявлять свойства кислот или оснований — это зависит от вещества, с которым они реагируют. Так ведут себя, например, гидроксиды алюминия и цинка, а также аминокислоты. У гидроксидов характер реакции определяется нерастворимым соединением, а у аминокислот — сочетанием карбоксильной и аминогруппы. Понимание амфотерности помогает предсказывать продукты реакций и объясняет, почему в воде аминокислоты существуют преимущественно в виде биполярных ионов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и кислот, и оснований в зависимости от партнёра по реакции. Это не означает, что обе роли проявляются одновременно: один и тот же реагент может заставить вещество отдать протон, а другой — принять его. Понятие помогает предсказывать, как соединение поведёт себя в разных реакциях.
Амфотерный гидроксид — гидроксид, взаимодействующий как с кислотами, так и со щелочами. К таким веществам относятся, например, Al(OH)₃ и Zn(OH)₂. Термин нужен, чтобы отличать их от гидроксидов, которые реагируют только с кислотами или только со щёлочами.
Аминокислота — органическое соединение, содержащее аминогруппу –NH₂ и карбоксильную группу –COOH. В одной молекуле собраны группы, способные принимать и отдавать протон. Это объясняет амфотерные свойства аминокислот и их способность образовывать соли с кислотами и основаниями.
Биполярный ион — частица аминокислоты, в которой аминогруппа протонирована, а карбоксильная группа отдала протон. Поэтому на разных участках частицы находятся заряды противоположных знаков, хотя общий заряд равен нулю. Такое представление помогает описать форму аминокислоты, преобладающую в водном растворе.
Амфотерность проявляется в зависимости от химического партнёра: кислота и щёлочь по-разному взаимодействуют с одним соединением. В реакции с кислотой амфотерное вещество обычно принимает на себя роль основания, а в реакции со щёлочью — кислотную роль. Поэтому само слово «амфотерный» не задаёт единственный тип реакции, а указывает на две возможные роли.
У гидроксидов алюминия и цинка основные свойства заметны при реакции с кислотой: гидроксидные группы связывают кислотные частицы, и образуются соль и вода. Взаимодействие со щёлочью показывает другую сторону их поведения: гидроксид включается в состав растворимого комплексного иона. Следовательно, свойства зависят от реагента, а не только от формулы исходного вещества.
При реакции Al(OH)₃ со щёлочью образуется комплексная соль, например тетрагидроксоалюминат натрия Na[Al(OH)₄]. Комплексным называют ион, в котором центральный атом связан с несколькими частицами, здесь — с гидроксид-ионами. Поэтому продукты такой реакции отличаются от продуктов обычной нейтрализации, где кислота и основание дают соль и воду.
В аминокислоте карбоксильная группа может отдать протон H⁺, а аминогруппа — присоединить его. В реакции со щёлочью карбоксильная группа передаёт протон основанию, поэтому аминокислота проявляет кислотные свойства. В реакции с кислотой протон присоединяется к аминогруппе, и соединение проявляет основные свойства.
В воде протон может переместиться внутри молекулы аминокислоты от карбоксильной группы к аминогруппе. Карбоксильная группа становится –COO⁻, а аминогруппа — –NH₃⁺, поэтому возникает биполярный ион. Два противоположных заряда объясняют, почему такую частицу нельзя представлять только как обычную нейтральную молекулу, хотя её суммарный заряд равен нулю.
| Признак | Амфотерный гидроксид | Аминокислота |
|---|---|---|
| Пример вещества | Al(OH)₃, Zn(OH)₂ | Глицин H₂NCH₂COOH |
| Какие группы или частицы определяют свойства | Гидроксидные группы и атом металла | Аминогруппа –NH₂ и карбоксильная группа –COOH |
| Реакция с кислотой и её продукты | Гидроксид проявляет основные свойства; образуются соль и вода | Аминогруппа принимает протон; образуется соль аминокислоты |
| Реакция со щёлочью и её продукты | Гидроксид проявляет кислотные свойства; образуется комплексная соль | Карбоксильная группа отдаёт протон; образуются соль и вода |
| Пример уравнения реакции | Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] | H₂NCH₂COOH + HCl → [H₃NCH₂COOH]Cl; H₂NCH₂COOH + NaOH → H₂NCH₂COONa + H₂O |
Сначала определите, какое вещество рассматривается и какие группы отвечают за его свойства. Затем сравните, что происходит при добавлении кислоты и щёлочи: принимается или отдаётся протон, образуется обычная соль или комплекс. Таблица помогает увидеть общую логику амфотерности, но не означает, что органические и неорганические соединения имеют одинаковое строение.
Условие. Составьте уравнение реакции гидроксида алюминия с соляной кислотой. Здесь Al(OH)₃ проявляет основные свойства, поэтому ожидаем соль алюминия и воду. Число молекул воды зависит от количества гидроксидных групп.
Ответ: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Гидроксид алюминия в этой реакции выступает как основание.
Условие. Составьте уравнение реакции Al(OH)₃ с избытком раствора NaOH. Нельзя заранее записывать обычную нейтрализацию, поскольку оба вещества не являются кислотой и основанием в привычной паре. Амфотерный гидроксид проявляет кислотные свойства и образует комплексный ион.
Ответ: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. При взаимодействии со щёлочью образуется комплексная соль.
Условие. Запишите уравнения реакций глицина H₂NCH₂COOH с HCl и NaOH, укажите его роль. В глицине есть аминогруппа и карбоксильная группа, поэтому при смене реагента меняется участвующая группа. Рассмотрим каждую реакцию отдельно.
Ответ: H₂NCH₂COOH + HCl → [H₃NCH₂COOH]Cl; H₂NCH₂COOH + NaOH → H₂NCH₂COONa + H₂O. С кислотой глицин выступает основанием, со щёлочью — кислотой.
Считать амфотерность свойством только неорганических веществ — ошибка: аминокислоты тоже проявляют свойства кислот и оснований. Её допускают, потому что сначала знакомятся с амфотерными гидроксидами. Проверьте себя: найдите в аминокислоте карбоксильную и аминогруппу и определите, какая отдаёт протон, а какая принимает.
Записывать реакцию гидроксида со щёлочью как обычную нейтрализацию с образованием воды неверно: часто получается комплексная соль. Ошибка возникает, если переносить знакомую схему кислота + основание на любую реакцию со щёлочью. Проверьте формулу продукта: для Al(OH)₃ в избытке NaOH это Na[Al(OH)₄].
Не учитывая роль реагирующего вещества, можно перепутать направление переноса протона. Амфотерное соединение может быть донором протона или принимать его — в зависимости от партнёра. Чтобы проверить себя, укажите, какая частица передала H⁺ и какая его получила, а затем сверьте это с формулой продукта.
Представлять аминокислоту в растворе только нейтральной молекулой — значит не учитывать биполярный ион. Так происходит, если формулу вещества механически переносят из записи состава и забывают о переносе протона. Проверьте строение: у иона должны быть –NH₃⁺ и –COO⁻, а суммарный заряд должен оставаться нулевым.
Для разбора амфотерных реакций нужны знания о кислотах, основаниях, солях и нейтрализации: они помогают определить роль вещества и составить продукты. При реакциях гидроксидов со щёлочами дополнительно важно понимать, что такое комплексный ион. Свойства аминокислот связывают тему с органической химией: функциональные группы определяют направление реакции. Аминокислоты входят в состав белков, поэтому их строение и свойства помогают понять химическое устройство белковых молекул.
Почему гидроксид алюминия называют амфотерным?
Он реагирует как с кислотами, так и со щелочами. С кислотой Al(OH)₃ ведёт себя как основание, а со щёлочью проявляет кислотные свойства и образует комплексную соль.
Чем отличается реакция амфотерного гидроксида с кислотой от реакции со щёлочью?
При реакции с кислотой образуются соль и вода. При взаимодействии со щёлочью формируется комплексная соль, например Na[Al(OH)₄], поэтому такую реакцию нельзя записывать как обычную нейтрализацию.
Почему аминокислота может реагировать и с кислотой, и со щёлочью?
В её составе есть карбоксильная группа –COOH, способная отдавать протон, и аминогруппа –NH₂, способная его присоединять. Поэтому аминокислота может проявлять кислотные свойства в реакции со щёлочью, а основные — в реакции с кислотой.
Что такое биполярный ион аминокислоты?
Это частица с двумя зарядами противоположных знаков: аминогруппа присоединяет протон и становится –NH₃⁺, а карбоксильная группа отдаёт протон и становится –COO⁻. В целом частица электрически нейтральна.
Как определить, какая функциональная группа аминокислоты участвует в реакции?
Посмотрите на реагент и на то, как меняется состав аминокислоты. При реакции с кислотой аминогруппа присоединяет протон, а со щёлочью карбоксильная группа отдаёт протон; это должно быть отражено в формуле продукта.
§ 31. Амфотерные органические и неорганические соединения
