§ 10. Амфотерные оксиды и гидроксиды

Определения и обозначения

Амфотерность — способность вещества проявлять кислотные и основные свойства в зависимости от реагента. Такое вещество может вступать в реакции и с кислотой, и со щёлочью. Термин помогает сразу ожидать два направления химического поведения.

Амфотерный оксид — оксид, реагирующий и с кислотами, и со щелочами. Например, Al₂O₃ с кислотой даёт соль, а со щёлочью — растворимый алюминат. Поэтому одной только реакции с кислотой недостаточно для его характеристики.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, реагирующий и с кислотами, и с растворами щелочей. Al(OH)₃ растворяется в соляной кислоте и в избытке NaOH. Это позволяет отличать его от обычного нерастворимого основания.

Гидроксокомплекс — растворимый продукт взаимодействия амфотерного соединения со щёлочью, содержащий комплексный ион. Например, в Na[Al(OH)₄] есть ион [Al(OH)₄]⁻, а в Na₂[Zn(OH)₄] — [Zn(OH)₄]²⁻. Запись комплекса показывает, почему осадок переходит в раствор.

Как это устроено

Амфотерное соединение занимает промежуточное положение между типичным оснóвным и кислотным соединением. В реакции с кислотой оно принимает действие кислоты и связывает ионы H⁺, поэтому ведёт себя как основание. В реакции со щёлочью его частицы взаимодействуют с OH⁻ и проявляют кислотный характер.

Амфотерность связана со строением атома металла и прочностью связи металл—кислород. У некоторых металлов эта связь не настолько ионная, чтобы соединение проявляло только основные свойства, но и не настолько ковалентная, чтобы оно было только кислотным. Поэтому состав и строение позволяют реализоваться обоим вариантам.

При добавлении кислоты к Al₂O₃ или Al(OH)₃ ионы H⁺ связываются с кислородом или гидроксогруппами. Образуются молекулы воды, а катионы металла переходят в раствор и соединяются с анионами кислоты. Поэтому типичный результат — соль и вода: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.

Щёлочь действует иначе: её гидроксид-ионы присоединяются к частицам амфотерного соединения. Для алюминия образуется ион [Al(OH)₄]⁻, а для цинка — [Zn(OH)₄]²⁻; с катионами Na⁺ или K⁺ они дают растворимые соли. Поэтому в уравнениях появляются алюминаты, цинкаты или гидроксокомплексы, а не обычные осадки.

Отличить амфотерное соединение от вещества с односторонними свойствами можно экспериментально или по справочным данным. Если оксид или гидроксид растворяется и в кислоте, и в избытке щёлочи, это признак амфотерности. Основный оксид реагирует преимущественно с кислотами, а кислотный — со щелочами.

Химические свойства амфотерных оксидов и гидроксидов

Таблицу удобно использовать как шаблон: сначала определите, оксид или гидроксид участвует в реакции, затем выберите кислотную или щелочную схему. При составлении уравнения проверьте число атомов и заряд комплексного иона.

Если в условии сказано «избыток щёлочи», осадок следует считать полностью растворившимся. Для неполного количества щёлочи такой вывод делать нельзя.

Разбор задач

Задача 1

Условие: для Al₂O₃ и Al(OH)₃ составьте уравнения реакций с соляной кислотой и раствором NaOH. Нужно показать обе стороны амфотерности каждого вещества.

1. Для реакции с HCl рассматриваем соединение алюминия как основание: кислота связывается с оксидными или гидроксильными частицами, образуя воду.
2. Получаем уравнения: Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.
3. Для реакции со щёлочью записываем образование растворимого комплекса алюминия: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Ответ: оба вещества реагируют и с HCl, и с NaOH, следовательно, проявляют амфотерность.

Задача 2

Условие: осуществите превращение AlCl₃ → Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄] и укажите реагенты. Осадок нужно получить без его растворения на первом этапе.

1. К раствору AlCl₃ добавляем NaOH не в избытке: AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl.
2. Отделяем осадок и добавляем избыток раствора NaOH. Гидроксид растворяется: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].
3. Условия этапов различаются: сначала нужен недостаток или точное количество щёлочи, затем — её избыток.

Ответ: реагент на обоих этапах — NaOH; сначала его берут без избытка, затем добавляют в избытке.

Задача 3

Условие: смесь Al₂O₃ и ZnO массой 10,0 г растворили в избытке HCl, израсходовав 0,250 моль кислоты. Найдём состав смеси.

1. Пусть x — количество Al₂O₃, y — количество ZnO. По уравнениям реакций: 6x + 2y = 0,250.
2. По массе смеси: 102x + 81y = 10,0. Из первого уравнения y = 0,125 − 3x.
3. Подставляем: 102x + 81(0,125 − 3x) = 10,0; отсюда x ≈ 0,00123 моль, y ≈ 0,1213 моль.
4. Массы веществ: m(Al₂O₃) ≈ 0,125 г, m(ZnO) ≈ 9,88 г. Проверка: 0,125 + 9,88 ≈ 10,0 г.

Ответ: в смеси примерно 0,125 г Al₂O₃ и 9,88 г ZnO.

Типичные ошибки

Только основный оксид. Ученик записывает лишь реакцию с кислотой, потому что амфотерные соединения часто нерастворимы в воде и похожи на основания. Проверьте, есть ли в решении также реакция с избытком щёлочи.

Неверный продукт со щёлочью. Вместо алюмината или комплекса записывают обычный гидроксид алюминия. Причина — механическое применение схемы обмена; проверка состоит в распознавании иона [Al(OH)₄]⁻ или [Zn(OH)₄]²⁻.

Пропущена вода. В уравнении образования Na[Al(OH)₄] забывают H₂O, особенно для Al₂O₃. Сверьте число атомов водорода и кислорода в обеих частях уравнения.

Недостаток щёлочи считают полным растворением. Осадок может остаться, если реагента мало. Уточните условие: для полного перехода амфотерного гидроксида в раствор обычно требуется избыток щёлочи.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны классификация оксидов и гидроксидов, свойства кислот и оснований, а также правила составления уравнений обмена. Положение металла в периодической системе помогает объяснить изменение кислотно-основных свойств его соединений. Амфотерность понадобится при изучении качественного анализа, комплексных соединений, получения металлов и разделения веществ.

Что запомнить

• Амфотерность — способность проявлять и кислотные, и основные свойства.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды реагируют с кислотами и со щелочами.
• С кислотами амфотерные соединения обычно образуют соль и воду.
• Со щёлочами они образуют растворимые алюминаты, цинкаты или гидроксокомплексы.
• К важнейшим амфотерным соединениям относятся Al₂O₃, Al(OH)₃, ZnO и Zn(OH)₂.
• Для полного растворения амфотерного гидроксида в щёлочи обычно необходим её избыток.