§ 37. Амфотерні оксиди й гідроксиди та їхні хімічні властивості

ПОНЯТТЯ ПРО АМФОТЕРНІ ОКСИДИ. Ви вже знаєте, що основні оксиди взаємодіють з кислотними оксидами чи кислотами та не взаємодіють з лугами. Кислотні оксиди, навпаки, реагують з основними оксидами чи лугами та не вступають у взаємодію з кислотами. Але серед оксидів трапляються і такі, які за їхніми властивостями не належать ні до основних, ні до кислотних. А все тому, що ці оксиди реагують і з кислотами, і з основами (лугами). В обох випадках продуктами реакцій є солі.

Оксиди, наділені такими властивостями, дістали назву амфотерних оксидів. Амфотерний у перекладі з грецької означає «і той, і інший»; «обидва». До них належать: берилій оксид ВеО, цинк оксид ΖnΟ, алюміній оксид Аl₂О₃, плюмбум(II) оксид РbО, хром(ІІІ) оксид Сr₂О₃ та деякі інші. Це тверді й нерозчинні у воді речовини, що мають кристалічну будову. Їм відповідають амфотерні гідроксиди.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ АМФОТЕРНИХ ОКСИДІВ.

1. З кислотами в розчині утворюють сіль і воду.

2. Із твердими лугами за сплавляння утворюють солі.

Зверніть увагу! На відміну від першої взаємодії (1), у випадку сплавляння з твердим лугом Алюміній входить до складу кислотного залишку утвореної солі.

3. З розчинами лугів утворюють комплексні сполуки, що розчиняються у воді.

У складі солі калій тетрагідроксоалюмінату замість звичного кислотного залишку є залишок, що містить один атом Алюмінію та чотири (тетра) гідроксильні групи. Залишок такого виду записують у квадратних дужках.

ПОНЯТТЯ ПРО АМФОТЕРНІ ГІДРОКСИДИ. Вивчаючи основи, ви дізналися, що луги й більшість нерозчинних основ взаємодіють з кислотами, але не взаємодіють із представниками свого класу. Кислоти взаємодіють з основами й не взаємодіють з іншими кислотами. Це загальне правило. Проте воно має виняток, зрозуміти який нам допоможуть досліди із цинк гідроксидом.

ДОБУВАННЯ ЦИНК ГІДРОКСИДУ ТА ДОВЕДЕННЯ ЙОГО АМФОТЕРНОСТІ. За здатністю розчинятися у воді цинк гідроксид належить до нерозчинних речовин. Пригадайте, що єдиним способом добування нерозчинних основ є взаємодія солі відповідного металічного елемента з лугом у розчині. Спробуємо в такий спосіб добути цинк гідроксид.

Дослід 1. У колбу з розчином цинк сульфату доливаємо невеликими порціями розчин натрій гідроксиду, доки в пробірці не утвориться білий осад (мал. 58, а). Щойно осад з’явився, припинимо доливання лугу.

Складемо рівняння проведеної хімічної реакції.

Утворений осад розділимо на дві колби та проведемо наступні два досліди (мал. 58, б і в).

Мал. 58. Послідовність проведення досліду з виявлення амфотерності цинк гідроксиду: а — добування цинк гідроксиду; б, в — розчинення осаду Zn(OH)₂

Дослід 2. У першу колбу із цинк гідроксидом (мал 58, б) доливаемо розчин нітратної кислоти. Осад відразу зникає, що є ознакою хімічного явища.

Звернемося до таблиці розчинності (див. Додаток 2, с. 237) й побачимо, що утворена сіль цинк нітрат — розчинна у воді сполука. І це підтверджує дослід.

Відбулася реакція нейтралізації, в якій цинк гідроксид виявляє властивості основи.

Дослід 3. У другу колбу із цинк гідроксидом (мал. 58, в) доливаємо розчин натрій гідроксиду. Спостереження показує, що, як і в досліді з нітратною кислотою, осад зник. Отже, цинк гідроксид прореагував з надлишком лугу. Ви тепер розумієте, чому в досліді 1 ми припинили доливати розчин лугу, тільки-но з’явився осад цинк гідроксиду. Якби ми цього не зробили, то за надлишкового додавання лугу встигли б лише візуально зафіксувати появу та зникнення осаду.

Запишемо рівняння проведеної реакції.

У цій реакції цинк гідроксид відіграв роль кислоти, бо металічний елемент Цинк після реакції увійшов до складу кислотного залишку солі, а не зайняв місце металічного елемента.

Гідроксиди, які утворюють сіль під час взаємодії як із кислотою, так і з лугом, називають амфотерними гідроксидами.

Попрацюйте групами

Складіть формули інших амфотерних гідроксидів, що відповідають поданим у параграфі амфотерним оксидам. Для плюмбум(ІІ) оксиду та плюмбум(ІІ) гідроксиду складіть рівняння реакцій, що характеризують їхні хімічні властивості.

Амфотерні гідроксиди, як і амфотерні оксиди, реагують з лугами не лише в розчині, а й у розплаві.

В утвореній солі Цинк увійшов до складу двовалентного кислотного залишку ΖnΟ₂. Тобто за сплавляння з лугом цинк гідроксид виявив властивості кислоти.

Дослід 4. Помістимо в суху пробірку цинк гідроксид. Проведемо нагрівання пробірки із цинк гідроксидом до появи крапель води на стінках пробірки.

Отже, амфотерні гідроксиди, як і нерозчинні основи, розкладаються під час нагрівання на амфотерний оксид і воду.

Проведені досліди свідчать про те, що класифікація складних неорганічних речовин на оксиди, кислоти, основи та солі повинна включати амфотерні оксиди й амфотерні гідроксиди.

Стисло про основне

• За характерними хімічними властивостями виокремлено групу оксидів — амфотерні оксиди, й групу гідроксидів — амфотерні гідроксиди.

• Представниками неорганічних амфотерних сполук є оксиди й гідроксиди Цинку, Берилію, Алюмінію, Плюмбуму(ІІ), Стануму(ІІ), Хрому(ІІІ) та деякі інші.

• Амфотерні сполуки, залежно від умов, взаємодіють як із кислотами, так і з лугами, утворюючи солі. Тобто вони виявляють й основні, й кислотні властивості.

• Усі амфотерні гідроксиди нерозчинні у воді.

• У хімічній реакції амфотерної сполуки з кислотою, металічний елемент амфотерного оксиду чи гідроксиду входить до складу першої частини солі (ZnSO₄, ZnCl₂ тощо).

• У хімічних реакціях амфотерної сполуки з лугом, металічний елемент амфотерного оксиду чи гідроксиду входить до другої частини солі — кислотного залишку (Na₂[Zn(OH)₄], К[Аl(ОН)₄], NaAlO₂, KZnO₂).

Сторінка ерудита

Здатність алюміній гідроксиду реагувати з кислотами використовують у терапії. Він входить до складу лікарських препаратів, які застосовують для зниження кислотності шлункового соку (пригадайте, що вона зумовлена наявністю в ньому хлоридної кислоти) та зменшення печії.

Також алюміній гідроксид використовують під час очищення води, оскільки з водою він не реагує і не розчиняється в ній, проте виявляє важливу для цього процесу здатність адсорбувати наявні у воді деякі речовини-забруднювачі.

Знаємо, розуміємо

1. Дайте визначення амфотерних оксидів й амфотерних гідроксидів.

2. Наведіть приклади амфотерних оксидів й амфотерних гідроксидів. У чому виявляються амфотерні властивості цих сполук?

3. Порівняйте склад солей, утворених амфотерними сполуками під час взаємодії з кислотою та лугом, зазначте відмінності.

Застосовуємо

136. У переліку формул оксидів: CaO, PbO, CO — укажіть формулу амфотерного оксиду. Обчисліть масову частку Оксигену в ньому.

137. Берилій гідроксид належить до амфотерних гідроксидів. За аналогією із цинк гідроксидом складіть рівняння реакцій, що підтверджують його амфотерні властивості.

138. Проаналізуйте твердження 1 і 2 й оберіть правильний варіант відповіді.

Твердження 1. Цинк оксид взаємодіє з хлоридною кислотою і не взаємодіє з калій гідроксидом.

Твердження 2. Прикладами амфотерних гідроксидів є магній гідроксид і барій гідроксид.

А правильне лише 1

Б правильне лише 2

В правильні обидва

Г немає правильних

139. Укажіть рядок з формулами лише амфотерних сполук.

Б MnO, Zn(OH)₂

Γ ΖnΟ, Αl(ΟΗ)₃

140. Укажіть речовини, з якими реагує алюміній гідроксид.

В калій гідроксид

Г сульфатна кислота

141. Укажіть речовину, на яку потрібно подіяти розчином лугу, щоб добути алюміній гідроксид.

А алюміній оксид

Б алюміній ортофосфат

В алюміній нітрат

142. Визначте масу цинк гідроксиду, який можна добути із цинк хлориду масою 27,2 г. Обчисліть масу розчину натрій гідроксиду з масовою часткою 32 % розчиненої речовини, що знадобиться для повного розчинення добутого амфотерного цинк гідроксиду.

§ 37. Амфотерні оксиди й гідроксиди

Ви вже вивчили сполуки, що виявляють кислотні або основні властивості. Для деяких сполук характерні і кислотні, і основні властивості. Кислотні властивості виявляють переважно сполуки неметалічних елементів, а основні — металічних елементів. Якщо елемент перебуває на межі між металічними та неметалічними елементами, то цілком очікувано, що його сполуки мають виявляти властивості, характерні як для кислотних, так і для основних речовин. Такі сполуки називають амфотерними.

Речовини, що можуть виявляти кислотні й основні властивості залежно від сполуки, з якою вони взаємодіють, називають амфотерними.

Амфотерні властивості можуть виявляти оксиди й гідроксиди деяких хімічних елементів із валентностями II, III та IV. Серед них Берилій(ІІ), Цинк(ІІ), Станум(ІІ), Плюмбум(ІІ), Алюміній(ІІІ), Ферум(ІІІ), Хром(ІІІ), Титан(ІV).

Амфотерні гідроксиди

Під час взаємодії з кислотами амфотерні гідроксиди поводяться, як звичайні нерозчинні основи. Тобто продуктами реакції амфотерного гідроксиду з кислотою є сіль і вода:

Під час взаємодії з іншими основами амфотерні гідроксиди виявляють кислотні властивості. Тобто з основами амфотерні гідроксиди реагують, як кислоти: вступають у реакцію з утворенням солі. Але склад солі залежить від умов, за яких відбувається взаємодія: у розчині чи за сплавляння.

У розчинах амфотерні гідроксиди взаємодіють лише з лугами з утворенням складних (комплексних) солей.

Наприклад, цинк гідроксид із натрій гідроксидом реагує за рівнянням:

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂Zn(OH)₄ (натрій тетрагідроксоцинкат)

Як для звичайних солей, назва комплексної солі складається з двох слів. Але слід указати кількість груп ОН у складі солі: префікс тетра- означає, що гідроксильних груп чотири, а префіксом гекса- позначають шість груп ОН, наприклад:

Подібно до цинк гідроксиду реагує з лугами й алюміній гідроксид. Але залежно від концентрації лугу з алюміній гідроксиду може утворитися тетрагідроксоалюмінат (із розбавленим розчином лугу) або гексагідроксоалюмінат (із концентрованим розчином):

За сплавляння амфотерні гідроксиди можуть взаємодіяти не лише з лугами, а й із нерозчинними гідроксидами. При цьому також утворюються солі, але з більш звичним складом:

Як і в розчинах, з алюміній гідроксиду можуть утворитися дві різні солі залежно від кількості доданого лугу:

За сплавляння амфотерні гідроксиди можуть взаємодіяти також і з основними оксидами:

Аби правильно записати рівняння реакції за участю амфотерних гідроксидів за сплавляння, амфотерні гідроксиди необхідно розглядати як кислоти. Так, формулу цинк гідроксиду Ζn(ΟΗ)₂ можна записати, як формулу кислоти Η₂ΖnΟ₂. Таку кислоту мали б назвати «цинкатна», вона має кислотний залишок ΖnΟ₂ із валентністю II, її солі — цинкати. Так само формулу алюміній гідроксиду можна записати Н₃АlО₃: кислотний залишок АlО₃ із валентністю III, солі — ортоалюмінати. Якщо з алюміній гідроксиду прибрати одну молекулу води, то формула кислоти буде НАlО₂: кислотний залишок АlО₂ із валентністю I, а солі — метаалюмінати.

Амфотерні оксиди

Із кислотами амфотерні оксиди взаємодіють, як звичайні основні оксиди: між ними відбуваються реакції обміну, у яких утворюються сіль та вода:

У разі взаємодії з основними речовинами вони вступають у реакції, як кислотні оксиди. Тобто взаємодіють з основними оксидами й основами з утворенням солей. Але амфотерні оксиди взаємодіють з основами й основними оксидами лише за сплавляння (без участі води) і утворюють такі самі солі, як і амфотерні гідроксиди.

У разі сплавляння цинк оксиду з натрій гідроксидом або натрій оксидом утворюється натрій цинкат, але в першому випадку утворюється ще й вода:

Амфотерні оксиди та їхні сполуки досить поширені в природі. Алюмінати є складовими багатьох ґрунтів та глини.

Деякі хімічні елементи виявляють змінну валентність, причому властивості сполук із різними валентностями можуть істотно відрізнятися. Так, ферум(IІ) оксид FeO — це основний оксид, а ферум(IІІ) оксид Fe₂O₃ — амфотерний. Отже, вони можуть взаємодіяти один з одним за сплавляння, до того ж утворений продукт також складається з атомів Феруму й Оксигену — Fe₃O₄. Цю сполуку називають змішаним оксидом (або залізною ожариною), хоча вона є сіллю, що складається з металічного елемента Феруму(IІ) та кислотного залишку фератної кислоти Fe(FeO₂)₂.

• 1. Амфотерність — здатність хімічних сполук виявляти як кислотні, так і основні властивості залежно від природи доданого реагенту. До амфотерних належать оксиди й гідроксиди деяких елементів: Берилію(ІІ), Цинку(ІІ), Стануму(IІ), Плюмбуму(ІІ), Алюмінію(IIІ), Феруму(IІІ), Хрому(IІІ), Титану(IV).
• 2. Амфотерні гідроксиди в розчинах взаємодіють лише з лугами з утворенням солей, що містять гідроксильні групи. За сплавляння вони можуть також взаємодіяти з основними оксидами та гідроксидами. Амфотерні оксиди взаємодіють з основними речовинами лише за сплавляння.

Контрольні запитання

• 1. Що означає вираз «сполука виявляє амфотерні властивості»?
• 2. Які сполуки є амфотерними? Наведіть приклади.
• 3. Які хімічні елементи та в яких валентностях можуть утворювати амфотерні речовини?

Завдання для засвоєння матеріалу

1. Складіть рівняння реакцій взаємодії цинк гідроксиду з калій гідроксидом у розчині та за сплавляння. Назвіть продукти реакції.

2. Складіть рівняння реакцій взаємодії алюміній гідроксиду:

3. Складіть рівняння реакцій утворення калій ортоалюмінату К₃АlО₃ взаємодією:

• а) амфотерного гідроксиду з лугом;
• б) амфотерного оксиду з лугом;
• в) амфотерного гідроксиду з основним оксидом;
• г) двох оксидів.

4. Кальцій оксид і алюміній оксид за зовнішнім виглядом майже однакові. Як їх можна розрізнити, використовуючи хімічні реакції?

5. Які з наведених речовин — KOH, FeCl₃, H₂SO₄ — можуть взаємодіяти: а) з натрій гідроксидом; б) купрум(ІІ) гідроксидом; в) цинк гідроксидом? Складіть відповідні рівняння реакцій.

6. Із якими з наведених речовин взаємодіє натрій гідроксид: К₂О, МgСО₃, Н₃РО₄, H₂S, FeCl₃, Fe(OH)₂, АlСl₃, Zn(OH)₂, КСl, SO₃? Складіть рівняння реакцій та назвіть продукти реакцій.

7. Складіть рівняння реакцій, що відповідають таким перетворенням:

8. Обчисліть масу барій гідроксиду, що необхідний для добування барій цинкату масою 11,7 г із цинк оксиду.

9. До розчину цинк сульфату масою 483 г із масовою часткою солі 5% додали розчин натрій гідроксиду до повного розчинення осаду. Обчисліть масу сполуки Цинку.

10*. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про використання сполук Алюмінію для очищення води. На яких властивостях цих сполук ґрунтується зазначений спосіб?