Тема: Основные классы соединений, их свойства и типичные реакции
Урок: Амфотерные гидроксиды
С греческого языка слово «amphoteros» переводится как «тот и другой». Амфотерность - это двойственность кислотно-основных свойств вещества. Амфотерными называют гидроксиды, которые в зависимости от условий могут проявлять как кислотные, так и основные свойства.
Примером амфотерного гидроксида может служить гидроксид цинка. Формула этого гидроксида в основной форме - Zn(OH) 2 . Но можно записать формулу гидроксида цинка в кислотной форме, поставив на первое место атомы водорода, как в формулах неорганических кислот: H 2 ZnO 2 (Рис. 1). Тогда ZnO 2 2- будет кислотным остатком с зарядом 2-.
Рис. 1. Формулы гидроксида цинка
Особенностью амфотерного гидроксида является то, что в нем мало различаются по прочности связи О-Н и Zn-O. Отсюда и двойственность свойств. В реакциях с кислотами, готовыми отдать катионы водорода, гидроксиду цинка выгодно разрывать связь Zn-O, отдавая ОН-группу и выступая в роли основания. В результате таких реакций образуются соли, в которых цинк является катионом, поэтому их называют солями катионного типа:
Zn(OH) 2 + 2HCl = ZnCl 2 + 2H 2 O
(основание)
В реакциях со щелочами гидроксид цинка выступает в роли кислоты, отдавая водород. При этом образуются соли анионного типа (цинк входит в состав кислотного остатка - аниона цинката). Например, при сплавлении гидроксида цинка с твердым гидроксидом натрия образуется Na 2 ZnO 2 - средняя соль анионного типа цинкат натрия:
H 2 ZnO 2 + 2NaOH (ТВ.) = Na 2 ZnO 2 + 2H 2 O
(кислота)
При взаимодействии с растворами щелочей амфотерные гидроксиды образуют растворимые комплексные соли. Например, при взаимодействии гидроксида цинка с раствором гидроксида натрия образуется тетрагидроксоцинкат натрия:
Zn(OH) 2 + 2NaOH = Na 2
2- - сложный анион, который принято заключать в квадратные скобки.
Таким образом, амфотерность гидроксида цинка обусловлена возможностью существования ионов цинка в водном растворе в составе как катионов, так и анионов. Состав этих ионов зависит от кислотности среды. В щелочной среде устойчивы анионы ZnO 2 2- , а в кислотной среде устойчивы катионы Zn 2+ .
Амфотерные гидроксиды - нерастворимые в воде вещества, и при нагревании они разлагаются на оксид металла и воду:
Zn(OH) 2 = ZnO + H 2 O
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
2Al(OH) 3 = Al 2 O 3 + 3H 2 O
Степень окисления металла в гидроксиде и оксиде должна быть одинаковой.
Амфотерные гидроксиды - нерастворимые в воде соединения, поэтому их можно получить по реакции обмена между раствором соли переходного металла и щелочью. Например, гидроксид алюминия образуется при взаимодействии растворов хлорида алюминия и гидроксида натрия:
AlCl 3 + 3NaOH = Al(OH) 3 ↓ + 3NaCl
При сливании данных растворов образуется белый желеподобный осадок гидроксида алюминия (Рис. 2).
Но при этом нельзя допустить избытка щелочи, ведь амфотерные гидроксиды растворяются в щелочах. Поэтому вместо щелочи лучше использовать водный раствор аммиака. Это слабое основание, в котором гидроксид алюминия не растворяется. При взаимодействии хлорида алюминия с водным раствором аммиака образуется гидроксид алюминия и хлорид аммония:
AlCl 3 + 3NH 3 . H 2 O = Al(OH) 3 ↓ + 3NH 4 Cl
Рис. 2. Образование осадка гидроксида алюминия
Список литературы
- Новошинский И. И., Новошинская Н. С. Химия. Учебник для 10 класса общеобр. учрежд. Профильный уровень. - М.: ООО «ТИД «Русское слово - РС», 2008. (§54)
- Кузнецова Н. Е., Литвинова Т. Н., Лёвкин А. Н. Химия: 11 класс: Учебник для учащихся общеобраз. учрежд. (профильный уровень): в 2-х ч. Ч. 2. М.: Вентана-Граф, 2008. (с. 110-111)
- Радецкий А.М. Химия. Дидактический материал. 10-11 классы. - М.: Просвещение, 2011.
- Хомченко И. Д. Сборник задач и упражнений по химии для средней школы. - М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2008.
1) В реакциях с кислотами эти соединения проявляют основные свойства, как обычные основания:
Al(OH) 3 + 3HCl → AlCl 3 + 3H 2 O; Zn(OH) 2 + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + 2H 2 O.
2) В реакциях с основаниями амфотерные гидроксиды проявляют кислотные свойства и образуют соли. В этом случае амфотерный металл входит в состав аниона кислоты. Амфотерные металлы могут образовывать разные кислотные остатки в зависимости от условий проведения реакции:
В водном растворе:
Al(OH) 3 + 3NaOH → Na 3 ; Zn(OH) 2 + 2NaOH →Na 2 ,
При сплавлении твёрдых веществ:
Al(OH) 3 + NaOH → NaAlO 2 + 2H 2 O; Zn(OH) 2 + 2NaOH →Na 2 ZnO 2 + 2H 2 O
Оксиды
Оксиды – это вещества, состоящие из двух элементов, один из которых кислород, который находится в степени окисления -2. Они делятся по своим свойствам на основные, амфотерные и кислотные.
Основные оксиды – это оксиды металлов с основными свойствами. К ним относятся большинство оксидов металлов со степенью окисления +1 и +2.
Амфотерные оксиды – в зависимости от условий могут проявлять основные или кислотные свойства. К ним относятся оксиды большинства металлов со степенью окисления +3 и +4, а также некоторые оксиды металлов со степенью окисления +2, например Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , ZnO, BeO.
Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов и оксиды металлов, в которых степень окисления металла +5 и выше. Эти оксиды обладают кислотными свойствами и образуют кислоты.
Свойства основных оксидов
1) Основные оксиды реагируют с водой, если образуется растворимый гидроксид:
CaO + H 2 O → Ca(OH) 2 ; Na 2 O + H 2 O → 2NaOH.
2) Основные оксиды могут реагировать с кислотными оксидами:
CaO + SO 3 → CaSO 4 ; Na 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3 .
3) Основные оксиды реагируют с кислотами:
MgO + 2HCl → MgCl 2 + H 2 O; Na 2 O + 2HNO 3 → 2NaNO 3 + H 2 O.
Свойства амфотерных оксидов
1) С кислотами они реагируют, как обычные основные оксиды:
Al 2 O 3 + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2 O; ZnO + H 2 SO 4 → ZnSO 4 + 2H 2 O.
2) В реакциях с основаниями они проявляют кислотные свойства и образуют такие же кислотные анионы, как и амфотерные гидроксиды:
Al 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O → 2Na 3 ;
ZnO + 2NaOH + H 2 O → Na 2 .
При сплавлении твёрдых веществ:
Al 2 O 3 + 2NaOH → 2NaAlO 2 + H 2 O; ZnO + 2NaOH →Na 2 ZnO 2 + H 2 O.
Свойства кислотных оксидов
1) Реагируют с водой, если получается растворимая кислота:
SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 ; P 2 O 5 + 3H 2 O → 2H 3 PO 4 .
2) Кислотные оксиды могут реагировать с основными оксидами:
SO 3 + MgO → CaSO 4 ; CO 2 + CaO → CaCO 3 .
3) Кислотные оксиды реагируют с основаниями:
SO 3 + NaOН→ Na 2 SO 4 + H 2 O; CO 2 + Ca(OН) 2 → CaCO 3 + H 2 O.
Соли
Соли – это вещества, при первичной диссоциации которых не образуются ни ионы Н + , ни ионы ОН - . Это продукты взаимодействия кислот и оснований.
Например: NaCl=Na + +Cl - ;
Ca(HCO 3) 2 =Ca 2+ +2HCO 3 - ;
AlOH(NO 3) 2 =AlOH 2+ +2NO 3 -
Средние соли состоят из анионов и катионов, которые не содержат Н + и ОН - , например: Na 2 SO 4 – сульфат натрия, CaCO 3 – карбонат кальция. Кислые соли содержат катион водорода Н + , например: NaHCO 3 – гидрокарбонат натрия. Основные соли содержат анион ОН - , например (CaOH) 2 CO 3 – гидроксокарбонат кальция.
Для химических свойств всех солей характерны реакции обмена.
1) Соли могут реагировать с кислотами:
а) Сильная кислота вытесняет слабую кислоту из её соли.
Na 2 SiO 3 + 2HCl → 2NaCl + H 2 SiO 3 ↓.
б) Многоосновная кислота может реагировать со своей средней солью с образованием кислых солей.
Na 2 CO 3 + H 2 CO 3 → 2NaHCO 3 ; CuSO 4 + H 2 SO 4 → Cu(HSO 4) 2 .
2) Растворимые соли могут реагировать с растворимыми основаниями, если в результате реакции получится нерастворимое вещество:
2NaOH + CuSO 4 → Cu(OH) 2 ↓ + Na 2 SO 4 ;
Ba(OH) 2 + Na 2 SO 4 → BaSO 4 ↓ + 2NaOH.
3) Две растворимые соли могут реагировать друг с другом, если в результате реакции получится нерастворимое вещество:
NaCl + AgNO 3 → NaNO 3 + AgCl↓.
4) Соли могут реагировать с металлами. В этих реакциях активный металл вытесняет менее активный из его соли.
Амфотерными являются следующие оксиды элементов главных подгрупп: BeO, A1 2 O 3 , Ga 2 O 3 , GeO 2 , SnO, SnO 2 , PbO, Sb 2 O 3 , РоO 2 . Амфотерными гидроксидами являются следующие гидроксиды элементов главных подгрупп: Ве(ОН) 2 , А1(ОН) 3 , Sc(OH) 3 , Ga(OH) 3 , In(OH) 3 , Sn(OH) 2 , SnО 2 ·nH 2 О, Pb(OH) 2 , PbО 2 ·nH 2 О.
Основный характер оксидов и гидроксидов элементов одной подгруппы усиливается с возрастанием порядкового номера элемента (при сравнении оксидов и гидроксидов элементов в одной и той же степени окисления). Например, N 2 O 3 , Р 2 O 3 , As 2 O 3 – кислотные оксиды, Sb 2 O 3 – амфотерный оксид, Bi 2 O 3 – основный оксид.
Рассмотрим амфотерные свойства гидроксидов на примере соединений бериллия и алюминия.
Гидроксид алюминия проявляет амфотерные свойства, реагирует как с основаниями, так и с кислотами и образует два ряда солей:
1) в которых элемент А1 находится в форме катиона;
2А1(ОН) 3 + 6НС1 = 2А1С1 3 + 6Н 2 O А1(ОН) 3 + 3Н + = А1 3+ + 3Н 2 O
В этой реакции А1(ОН) 3 выполняет функцию основания, образуя соль, в которой алюминий является катионом А1 3+ ;
2) в которых элемент А1 входит в состав аниона (алюминаты).
А1(ОН) 3 + NaOH = NaA1O 2 + 2Н 2 O.
В этой реакции А1(ОН) 3 выполняет функцию кислоты, образуя соль, в которой алюминий входит в состав аниона AlO 2 – .
Формулы растворенных алюминатов записывают упрощенно, имея ввиду продукт, образующийся при обезвоживании соли.
В химической литературе можно встретить разные формулы соединений, образующихся при растворении гидроксида алюминия в щёлочи: NaA1О 2 (метаалюминат натрия), Na тетрагидроксоалюминат натрия. Эти формулы не противоречат друг другу, так как их различие связано с разной степенью гидратации этих соединений: NaA1О 2 ·2Н 2 О – это иная запись Na. При растворении А1(ОН) 3 в избытке щелочи образуется тетрагидроксоалюминат натрия:
А1(ОН) 3 + NaOH = Na.
При спекании реагентов – образуется метаалюминат натрия:
А1(ОН) 3 + NaOH ==== NaA1О 2 + 2Н 2 О.
Таким образом, можно говорить, что в водных растворах присутствуют одновременно такие ионы, как [А1(ОН) 4 ] – или [А1(ОН) 4 (Н 2 О) 2 ] – (для случая, когда составляется уравнение реакции с учетом гидратной оболочки), а запись A1О 2 – является упрощенной.
Из-за способности реагировать со щелочами гидроксид алюминия, как правило, не получают действием щелочи на растворы солей алюминия, а используют раствор аммиака:
A1 2 (SО 4) 3 + 6 NH 3 ·Н 2 О = 2А1(ОН) 3 + 3(NH 4) 2 SО 4 .
Среди гидроксидов элементов второго периода амфотерные свойства проявляют гидроксид бериллия (сам бериллий проявляет диагональное сходство с алюминием).
С кислотами:
Ве(ОН) 2 + 2НС1 = ВеС1 2 + 2Н 2 О.
С основаниями:
Ве(ОН) 2 + 2NaOH = Na 2 (тетрагидроксобериллат натрия).
В упрощенном виде (если представить Ве(ОН) 2 как кислоту Н 2 ВеО 2)
Ве(ОН) 2 + 2NaOH(конц.горяч.) = Na 2 BeО 2 + 2H 2 О.
бериллат Na
Гидроксиды элементов побочных подгрупп, соответствующие высшим степеням окисления, чаще всего имеют кислотные свойства: например, Мn 2 О 7 – НМnО 4 ; CrО 3 – H 2 CrО 4 . Для низших оксидов и гидроксидов характерно преобладание основных свойств: СrО – Сr(ОН) 2 ; МnО – Mn(OH) 2 ; FeO – Fe(OH) 2 . Промежуточные соединения, соответствующие степеням окисления +3 и +4, часто проявляют амфотерные свойства: Сr 2 О 3 – Cr(OH) 3 ; Fe 2 О 3 – Fe(OH) 3 . Проиллюстрируем эту закономерность на примере соединений хрома (таблица 9).
Таблица 9 – Зависимость характера оксидов и соответствующих им гидроксидов от степени окисления элемента
Взаимодействие с кислотами приводит к образованию соли, в которой элемент хром находится в форме катиона:
2Cr(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O.
сульфат Cr(III)
Взаимодействие с основаниями приводит к образованию соли, в которой элемент хром входит в состав аниона:
Cr(OH) 3 + 3NaOH = Na 3 + 3H 2 О.
гексагидроксохромат (III) Na
Оксид и гидроксид цинка ZnO, Zn(OH) 2 – типично амфотерные соединения, Zn(OH) 2 легко растворяется в растворах кислот и щелочей.
Взаимодействие с кислотами приводит к образованию соли, в которой элемент цинк находится в форме катиона:
Zn(OH) 2 + 2HC1 = ZnCl 2 + 2H 2 O.
Взаимодействие с основаниями приводит к образованию соли, в которой элемент цинк находится в составе аниона. При взаимодействии со щелочами в растворах образуются тетрагидроксоцинкаты, при сплавлении – цинкаты:
Zn(OH) 2 + 2NaOH = Na 2 .
Или при сплавлении:
Zn(OH) 2 + 2NaOH = Na 2 ZnO 2 + 2Н 2 O.
Получают гидроксид цинка аналогично гидроксиду алюминия.
Существуют гидроксиды, которые вступают во взаимодействие и с кислотами, и с основаниями в зависимости от условий. Эти соединения, проявляющие двойственную природу, называются амфотерные гидроксиды. Они образованы катионом металла и гидроксид-ионом, как и все основания. Способностью выступать в роли кислоты и основания обладают только те гидроксиды, которые в своем составе содержат такие металлы: Ве, Zn, Al, Pb, Sn, Ga, Cd, Fe, Cr(ІІІ) и др. Как видно из Периодической системы Д.И. Менделеева, гидроксиды с двойственной природой образуют металлы, которые находятся ближе всего к неметаллам. Считают, что такие элементы являются переходными формами, и деление на металлы и неметаллы довольно условно.
Амфотерные гидроксиды представляют собой твердые порошкообразные мелкокристаллические вещества, которые чаще всего имеют белую окраску, не растворяются в воде и слабо проводят ток (слабые электролиты). Однако некоторые из этих оснований могут растворяться в кислотах и щелочах. Диссоциация «двойственных соединений» в водных растворах происходит по типу кислот и оснований. Связано это с тем, что сила удерживания между атомами металла и кислорода (Me— О) и между атомами кислорода и водорода (О — Н) практически равная, т.е. Ме - О - Н. Поэтому эти связи будут разрываться одновременно, а данные вещества -диссоциировать на катионы Н+ и анионы ОН-.
Подтвердить двойственную природу данных соединений поможет амфотерный гидроксид - Be(OH) 2 . Рассмотрим взаимодействие гидроксида бериллия с кислотой и основанием.
1. Ве(ОН) 2 + 2HCl -BeCl 2 +2H 2 O.
2. Be(OH) 2 + 2KOH - K 2 - калий тетрагидроксобериллат.
В первом случае проходит реакция нейтрализации, итогом которой является образование соли и воды. Во втором случае продуктом реакции будет Реакция нейтрализации типична для всех без исключения гидроксидов, а вот взаимодействие с себе подобными характерно только для амфотерных. Такие двойственные свойства будут проявлять и другие амфотерные соединения - оксиды и сами металлы, которыми они образованы.
Другие химические свойства таких гидроксидов будут характерными для всех оснований:
1. Термическое разложение, продукты реакции - соответствующий оксид и вода: Ве(OH) 2 -ВеО+Н 2 О.
Также нужно запомнить, что существуют вещества, с которыми амфотерные гидроксиды не взаимодействуют, т.е. не идет, это:
- неметаллы;
- металлы;
- нерастворимые основания;
- амфотерные гидроксиды.
- средние соли.
Получают эти соединения путем осаждения щелочью соответствующих растворов солей:
BeCl 2 + 2КОН - Ве(OH) 2 + 2KCl.
Соли некоторых элементов в ходе данной реакции образуют гидрат, свойства которого практически полностью соответствует таковым у гидроксидов с двойственной природой. Сами же основания с двойственными свойствами входят в состав минералов, в виде которых и встречаются в природе (боксит, гетит и др.).
Таким образом, амфотерные гидроксиды - это которые в зависимости от природы вещества, вступающего с ними в реакцию, могут выступать как основания или как кислоты. Чаще всего им соответсвуют амфотерные оксиды, содержащие соответствующий металл (ZnO-Zn(OH) 2; BeO - Be(OH) 2) и т.д.).
