§ 15. Амфотерность

Определения и обозначения

Амфотерность — способность вещества проявлять свойства и кислот, и оснований в зависимости от партнёра по реакции. Это значит, что одно и то же соединение может по-разному вести себя с кислотой и со щёлочью. Понятие помогает классифицировать вещества не только по формуле, но и по их химическим свойствам.

Амфотерный оксид — оксид, который реагирует и с кислотами, и со щёлочами. Примеры — оксид цинка ZnO и оксид алюминия Al₂O₃. Их относят к амфотерным именно потому, что они способны вступать в реакции с обоими типами реагентов.

Амфотерный гидроксид — гидроксид, который реагирует и с кислотами, и со щёлочами. К таким веществам относятся Zn(OH)₂ и Al(OH)₃. Это определение нужно, чтобы отличать амфотерные гидроксиды от обычных оснований, для которых характерна прежде всего реакция с кислотами.

Комплексная соль — соль, в составе которой есть комплексный ион, то есть частица с центральным атомом и присоединёнными к нему группами. Например, Na[Al(OH)₄] содержит комплексный ион [Al(OH)₄]⁻. Такие соли могут получаться при взаимодействии амфотерных соединений со щёлочами.

Как это устроено

Поведение амфотерного вещества определяется тем, какой реагент с ним взаимодействует. В реакции с кислотой оно принимает роль основания: кислотные частицы связываются с его составными частями, и обычно получаются соль и вода. Со щёлочью такое же вещество проявляет кислотные свойства, поэтому в продуктах возникают комплексные соединения.

Оксид цинка показывает основную сторону амфотерности при реакции с кислотой: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O. Кислота поставляет ионы водорода, а оксид связывает их с кислородом с образованием воды; оставшиеся частицы дают соль ZnCl₂. Поэтому в этой реакции ZnO действует подобно основному оксиду.

Амфотерный гидроксид также реагирует с кислотой как основание. Например, Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O. Три группы OH в формуле гидроксида образуют три молекулы воды с водородом из кислоты, поэтому требуется три молекулы HCl, а алюминий и хлор входят в состав соли.

При взаимодействии амфотерных веществ со щёлочами образуется комплексный ион. Например, Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]: алюминий оказывается связан с четырьмя группами OH, а отрицательный заряд комплексного иона уравновешивается ионом натрия. Для оксида алюминия уравнение в растворе записывают так: Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]. В школьных уравнениях важно указать условия и форму продукта, принятые в задаче.

Основные и кислотные соединения проявляют преимущественно одну сторону химических свойств: основные оксиды и гидроксиды обычно реагируют с кислотами, а кислотные оксиды — со щёлочами. Амфотерные вещества способны реагировать с обоими типами реагентов. Поэтому для их распознавания недостаточно увидеть только реакцию с кислотой: нужно проверить и взаимодействие со щёлочью.

Сравнение амфотерных, основных и кислотных оксидов и гидроксидов

Таблица помогает сравнить вещества по двум проверочным вопросам: реагируют ли они с кислотами и реагируют ли со щёлочами. Если характерны обе реакции, вещество амфотерное; одна реакция сама по себе этого не доказывает. Приведённые примеры показывают типичные случаи, но конкретные продукты нужно устанавливать по реагентам и условиям.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции ZnO с соляной кислотой и назовите продукты.

1. ZnO — амфотерный оксид, но в реакции с кислотой он проявляет свойства основного оксида.
2. Оксид с кислотой образует соль и воду. Ионы цинка и хлора дают ZnCl₂, а кислород оксида вместе с водородом кислоты — H₂O.
3. Ставим коэффициент 2 перед HCl, чтобы обеспечить два атома хлора для соли и два атома водорода для воды: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O.

Ответ: ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O; продукты — хлорид цинка и вода.

Задача 2. Запишите реакции Al(OH)₃ отдельно с HCl и с раствором NaOH.

1. С HCl гидроксид алюминия действует как основание. Три группы OH образуют три молекулы воды, поэтому уравнение такое: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.
2. С раствором NaOH гидроксид проявляет кислотные свойства. В принятой для раствора записи образуется комплексная соль Na[Al(OH)₄]: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].
3. Проверяем атомы и заряд: в комплексном ионе [Al(OH)₄]⁻ заряд −1, его уравновешивает один Na⁺; число атомов каждого элемента в уравнении совпадает.

Ответ: Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Задача 3. Среди ZnO, Al₂O₃, MgO и CO₂ найдите амфотерные оксиды и составьте для каждого уравнения реакций с кислотой и щёлочью.

1. ZnO и Al₂O₃ — амфотерные оксиды; MgO — основной, а CO₂ — кислотный. Поэтому уравнения в обоих направлениях составляем только для ZnO и Al₂O₃.
2. Для ZnO: с кислотой ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O; со щёлочью в растворе ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄].
3. Для Al₂O₃: с кислотой Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O; со щёлочью Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄].
4. В уравнениях со щёлочью учитываем образование комплексных частиц, а затем проверяем сохранение числа атомов и зарядов.

Ответ: амфотерные оксиды — ZnO и Al₂O₃; уравнения для них приведены в решении. MgO и CO₂ не относят к амфотерным, так как они проявляют соответственно основные и кислотные свойства.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать амфотерным любое вещество, которое реагирует с кислотой. Так рассуждают, потому что реакция с кислотой часто служит первым знакомым признаком основания. Но с кислотами реагируют и обычные основания, поэтому проверьте также реакцию со щёлочью: амфотерность предполагает обе стороны.

Вторая ошибка — записывать реакцию амфотерного оксида со щёлочью как обычную нейтрализацию с образованием простой соли и воды. Такая запись появляется, если переносить знакомую схему реакции основания с кислотой на другой случай. Проверьте, не образуется ли комплексный ион, например [Al(OH)₄]⁻, и соответствует ли ему формула соли.

Третья ошибка — определять свойства гидроксида только по его формуле, называя его просто кислотой или основанием. Формула показывает состав, но не заменяет проверку химических свойств. Сопоставьте реакции с кислотой и щёлочью: способность реагировать с обеими указывает на амфотерность.

Четвёртая ошибка — неверно расставлять коэффициенты или составлять формулу комплексной соли. Это случается, если не пересчитать группы OH либо забыть про заряд комплексного иона. Проверьте число атомов в обеих частях уравнения и убедитесь, что суммарный заряд соли равен нулю.

Связь с другими темами

Для изучения амфотерности нужны знания о классификации оксидов, оснований, кислот и солей, а также умение составлять формулы и уравнивать реакции. Свойства амфотерных соединений связаны с металлами и их положением в периодической системе: такой характер особенно заметен у некоторых металлов и их соединений. Эти знания пригодятся при разборе химических свойств металлов, качественных реакций и способов получения веществ.

Что запомнить

• Амфотерное вещество проявляет свойства и кислоты, и основания.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды реагируют с кислотами.
• При реакции амфотерного вещества с кислотой обычно образуются соль и вода.
• Амфотерные оксиды и гидроксиды взаимодействуют со щелочами.
• При взаимодействии со щёлочью могут образовываться комплексные соли.
• К амфотерным веществам относятся, например, ZnO, Al₂O₃, Zn(OH)₂ и Al(OH)₃.