Амфотерные гидроксиды и оксиды

Гидроксид алюминия растворяется и в кислоте, и в избытке щёлочи. Как одно вещество может проявлять такие разные свойства? Это пример амфотерности. Она помогает понять свойства соединений алюминия и цинка и объяснить, почему осадок иногда появляется, а затем исчезает.

Что означает амфотерность

Амфотерность — способность вещества проявлять как кислотные, так и основные свойства в зависимости от условий и вещества, с которым оно взаимодействует.

В школьном курсе её обычно рассматривают на примере реакций некоторых оксидов и гидроксидов с кислотами и щелочами.

С кислотой амфотерный гидроксид проявляет основные свойства, а со щёлочью — кислотные. Это способность одного соединения участвовать в разных реакциях; представлять его смесью кислоты и основания не нужно. Слово «амфотерный» также не означает «нейтральный раствор».

Основные примеры для запоминания:

Наличие металла в формуле ещё не доказывает, что оксид основной. Al₂O₃ и ZnO как раз показывают, почему свойства проверяют по реакциям.

Взаимодействие с кислотой

Рассмотрим реакцию с достаточным количеством водного раствора соляной кислоты. Для гидроксидов получаются соль и вода:

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O.

Zn(OH)₂ + 2HCl → ZnCl₂ + 2H₂O.

Белый осадок гидроксида исчезает, образуется бесцветный раствор. Газ в этих реакциях не выделяется. Ионы металла переходят в раствор, а состав соли определяется кислотой: с HCl образуются хлориды.

Амфотерные оксиды также взаимодействуют с кислотой:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.

ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O.

Скорость зависит от состояния вещества и условий. Например, плотный, сильно прокалённый оксид алюминия реагирует значительно труднее свежеполученного гидроксида; может потребоваться нагревание. Записанное уравнение само по себе не обещает мгновенного растворения любого образца.

Почему количество щёлочи меняет результат

Образование осадка

Из растворов солей алюминия и цинка можно получить их гидроксиды при взаимодействии с NaOH. Щёлочь берут в количестве, достаточном для осаждения, избегая её избытка:

AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl.

ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl.

Стрелка ↓ обозначает осадок. Гидроксид алюминия образует белый студенистый осадок; гидроксид цинка тоже белый. По одному цвету различить их нельзя.

Растворение в избытке NaOH

При достаточном избытке щёлочи осадок реагирует дальше. Образуются растворимые соединения, поэтому смесь снова становится прозрачной. Это химическое превращение, а не простое разбавление водой.

Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄].

Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

Условия этих уравнений: водный раствор, избыток NaOH. Суммарные уравнения превращения солей в растворимые продукты имеют вид:

AlCl₃ + 4NaOH → Na[Al(OH)₄] + 3NaCl.

ZnCl₂ + 4NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] + 2NaCl.

Для алюминия на осаждение требуется три порции NaOH по коэффициентам, затем ещё одна — на растворение осадка. Для цинка соответствующие числа равны двум и двум.

Пример: три количества щёлочи

В расчётной задаче рассматривают раствор, содержащий 0,10 моль AlCl₃, и разные количества NaOH. Дополнительно кислота в раствор не введена. Используем школьную модель: реакции считаем полными, влиянием равновесий и гидролиза пренебрегаем.

Реальный состав зависит также от концентрации, температуры и состояния осадка. Поэтому точные количества из модели не заменяют условия лабораторной реакции.

Дополнительно: что означают квадратные скобки

Na[Al(OH)₄] называют тетрагидроксоалюминатом натрия, а Na₂[Zn(OH)₄] — тетрагидроксоцинкатом натрия. Их формулы содержат сложные отрицательно заряженные ионы: [Al(OH)₄]⁻ и [Zn(OH)₄]²⁻.

Для начала достаточно понимать, что металл входит в состав такого иона вместе с группами OH. Чтобы уравновесить заряд первого иона, нужен один Na⁺, второго — два Na⁺. Отсюда разные индексы натрия. Подробное строение комплексных ионов можно изучить позже.

Дополнительно: оксиды в растворе и при сплавлении

С концентрированным водным раствором NaOH, обычно при нагревании, оксиды могут образовывать те же гидроксокомплексы:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄].

ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄].

Здесь вода участвует в составлении продуктов. Сами Al₂O₃ и ZnO при обычном смешивании с водой не превращаются в соответствующие гидроксиды. Поэтому получать Al(OH)₃ простым добавлением воды к Al₂O₃ нельзя.

В задачах на сплавление с NaOH, то есть взаимодействие при высокой температуре без водного раствора, применяют другие записи продуктов:

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O.

ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O.

Продукты этих школьных схем — алюминат и цинкат натрия. Подпись «сплавление» относится к обоим уравнениям.

Перед выбором формулы проверяйте условие: водный раствор и расплав — разные среды.

Типичные ошибки

• Любой гидроксид реагирует со щёлочью. Для этого нужны подходящие свойства вещества. Например, Cu(OH)₂ в обычных школьных условиях не растворяется в избытке раствора NaOH.
• Нерастворимый гидроксид обязательно является слабым основанием. Растворимость и кислотно-основные свойства характеризуют разные стороны поведения вещества; одно название не выводят из другого.
• После появления осадка дальнейшая реакция невозможна. Амфотерный осадок может взаимодействовать с избытком щёлочи.
• Амфотерность можно доказать одной реакцией с кислотой. Так реагируют и многие основные вещества; нужны реакции, показывающие обе стороны свойств.

Проверьте себя

1. Дополните уравнение Al₂O₃ + HCl → AlCl₃ + H₂O и расставьте коэффициенты.
2. Почему при взаимодействии раствора ZnCl₂ с NaOH белый осадок сначала появляется, а при достаточном избытке щёлочи исчезает?
3. Сколько молей NaOH требуется по уравнению для превращения 0,20 моль Zn(OH)₂ в Na₂[Zn(OH)₄]?
4. Какой продукт записывают для ZnO и NaOH в водном растворе: Na₂ZnO₂ или Na₂[Zn(OH)₄]? Где понадобится вода?
5. Ученик предлагает получить Al(OH)₃ реакцией Al₂O₃ с водой. Как исправить предложенный способ?

Ответы и объяснения

1. Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O.

   В этих условиях оксид проявляет основные свойства.

2. Сначала образуется Zn(OH)₂:

   ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl.

   Затем Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄].

   Второе превращение переводит цинк в растворимый комплекс.

3. 0,40 моль: на 1 моль Zn(OH)₂ по коэффициентам приходится 2 моль NaOH. Для уверенного растворения в реальном растворе поддерживают избыток щёлочи.

4. Na₂[Zn(OH)₄].

   Уравнение:

   ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄];

   вода стоит слева. Na₂ZnO₂ используют в рассмотренной схеме сплавления.

5. При обычных условиях прямого превращения с водой не происходит. Можно сначала перевести оксид в соль реакцией с кислотой, затем получить осадок из раствора соли действием щёлочи без её избытка.

Связанные темы

Для сравнения свойств повторите оксиды, основания, кислоты и соли. Определить, какие вещества образуют осадки в воде, поможет таблица растворимости.

Источники: IUPAC Gold Book — определение амфотерности; University of Wisconsin–Madison — свойства гидроксида алюминия.