Доказательство амфотерности на примере гидроксидов
Химическая двойственность наглядно подтверждается при сравнении нерастворимых оснований. Для эксперимента получают взвеси гидроксида магния и гидроксида цинка. Это достигается путем осаждения: к растворимым солям этих металлов (например, сульфатам) добавляют щелочь.
Гидроксид магния ($Mg(OH)_2$) выступает типичным основанием. Он легко вступает в реакцию нейтрализации с соляной кислотой, образуя воду и хлорид магния, но совершенно не взаимодействует со щелочами, такими как гидроксид натрия.
Гидроксид цинка ($Zn(OH)_2$), напротив, ведет себя как амфотерное соединение:
- С кислотой он проявляет классические основные свойства: $Zn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + 2H_2O$.
- Со щелочью он ведет себя как кислота, связывая дополнительные ионы $OH^-$. В результате образуется растворимый комплекс (тетрагидроксоцинкат натрия): $Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$.
Ионизация и классификация нерастворимых гидроксидов
В водной среде амфотерный гидроксид цинка способен ионизироваться по двум путям:
- Основный тип: отщепляется гидроксид-ион ($OH^-$), и образуется катион $Zn(OH)(H_2O)^+$.
- Кислотный тип: отщепляется протон ($H^+$), и формируется анион $Zn(OH)_3^-$.
Вторые стадии диссоциации по обоим направлениям протекают крайне слабо.
По степени выраженности двойственных свойств нерастворимые гидроксиды делят на две группы:
- Типичные амфотерные гидроксиды: к ним относят соединения алюминия ($Al(OH)_3$), хрома ($Cr(OH)_3$), олова ($Sn(OH)_2$) и свинца ($Pb(OH)_2$). Они без проблем растворяются в разбавленных растворах как кислот, так и щелочей.
- Соединения со слабой амфотерностью: гидроксиды железа (II) и меди (II). У них доминируют основные свойства (идет нейтрализация разбавленными кислотами), а кислотные признаки можно обнаружить только при обработке концентрированными щелочами.
Амфотерные оксиды
Оксиды, соответствующие перечисленным выше металлам, также обладают амфотерным характером. При их сплавлении с твердыми щелочами происходит химическая реакция с образованием кислородсодержащих солей, структура которых аналогична солям традиционных кислот.
Классический пример — взаимодействие оксида алюминия с едким натром при высоких температурах: $Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O\uparrow$. В этой реакции оксид алюминия выполняет функцию ангидрида кислоты, образуя твердый алюминат натрия и воду, которая испаряется.
Кислотно-основные свойства солей
С теоретической точки зрения любая соль обладает амфотерностью, поскольку ее катион является кислотой, а анион — основанием. На практике это явление заметно у солей, образованных комбинацией слабого основания и слабой кислоты. Идеальным примером служит ацетат аммония ($CH_3COONH_4$). Сила его составных частей (катиона $NH_4^+$ и аниона $CH_3COO^-$) абсолютно равна. При гидролизе концентрации ионов гидроксония ($H_3O^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$) совпадают и составляют $1 \cdot 10^{-7}$ моль/л, что дает строго нейтральную среду ($pH = 7$).
Двойственные свойства характерны и для кислых солей, например, содержащих гидрокарбонат-ион ($HCO_3^-$). В растворе он одновременно подвергается гидролизу (как основание, образуя $OH^-$) и диссоциации (как кислота, образуя $H_3O^+$).
На практике амфотерность гидрокарбоната натрия подтверждается реакциями:
- С гидроксидом натрия образуется средняя соль (карбонат натрия) и вода.
- С лимонной кислотой выделяется углекислый газ.
Если к насыщенному раствору пищевой соды (с массовой долей 8,8%) и нерастворившимся осадком добавить гранулы твердого $NaOH$ и перемешать, осадок исчезнет. Это прямо доказывает проявление кислотных свойств. Однако в водном растворе гидрокарбоната натрия основные свойства преобладают над кислотными, поэтому среда оказывается слабощелочной.
Органические соединения
В органической химии амфотерность имеет колоссальное значение для биологических систем. Яркими представителями соединений с двойственными свойствами являются аминокислоты — структурные мономеры полипептидных цепей. Сами белки также сохраняют способность вести себя и как кислоты, и как основания, что определяет их буферные свойства в плазме крови и тканях.
Для запоминания металлов, образующих типичные амфотерные гидроксиды, используйте фразу: «Хром, Алюминий, Свинец, Олово, Цинк — ХАСОЦ». А медь и железо (II) — это лишь «слабая тень» амфотерности.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему гидроксид цинка растворяется в избытке щелочи?
В щелочной среде гидроксид цинка проявляет кислотные свойства. Он присоединяет дополнительные гидроксид-ионы, в результате чего образуется комплексная водорастворимая соль — тетрагидроксоцинкат натрия.
Является ли раствор пищевой соды нейтральным?
Нет. В растворе гидрокарбоната натрия параллельно идут гидролиз и ионизация кислотного остатка. Поскольку основные свойства гидрокарбонат-иона выражены сильнее, итоговая реакция среды становится слабощелочной.
Можно ли обнаружить кислотные свойства у гидроксида железа (II)?
Да, но это гидроксид со слабой амфотерностью. Его кислотные свойства можно зафиксировать только при воздействии на него концентрированными растворами щелочей.
Что ещё разобрать по теме
- Механизм образования гидроксокомплексов при реакциях со щелочами
- Ступенчатая ионизация амфотерных гидроксидов в водных растворах
- Конкурентный гидролиз и диссоциация кислых солей
- Сплавление амфотерных оксидов с твердыми щелочами: условия и продукты
- Свойства гидроксидов со слабой амфотерностью (медь, железо)
Разберите тему целиком в курсе «Химия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Амфотерные соединения» и ещё 3 009 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 90 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Глава 7. Классификация химических реакций по электронным процессам»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.