Амфотерные соединения и их свойства

Амфотерные соединения и их свойства

Химия – это всегда единство противоположностей.

Рассмотрим элементы периодической системы, соединения которых проявляют амфотерные (противоположные) свойства.

Некоторые элементы, например, соединения К (K2O — оксид, KOH — гидроксид) проявляют основные свойства.

Основные свойства — взаимодействие с кислотными оксидами и кислотами.

Почти все металлы, проявляющие степени окисления +1 и +2) образуют основные оксиды и гидроксиды.

Некоторые элементы (все неметаллы и d-элементы со степенями окисления +5 и +6) образуют кислотные соединения.

Кислотные соединения – это оксиды и соответствующие кислородсодержащие кислоты, они взаимодействуют с основными оксидами и основаниями, образуя соли

А есть элементы, образующие такие оксиды и гидроксиды, которые проявляют и кислотные и основные свойства, то есть являются амфотерными соединениями.

Большинство амфотерных оксидов и гидроксидов — твердые (или гелеобразные) вещества, мало - или нерастворимые в воде.

Какие элементы образуют амфотерные соединения?

Есть правило, немного условное, но зато вполне практичное:

Элементы лежат на условно проведенной диагонали Be — At: самые часто встречающиеся в школьной программе — это Be и Al Амфотерные гидроксиды и оксиды образуются металлами — d-элементами в средней степени окисления, например

Cr2O3, Cr(OH)3; Fe2O3, Fe(OH)3

И три исключения: металлы Zn, Pb, Sn образуют следующие соединения, и амфотерные соединения.

Наиболее часто встречающиеся амфотерные оксиды (и соответствующие им гидроксиды):

ZnO, Zn(OH)2, BeO, Be(OH)2, PbO, Pb(OH)2, SnO, Sn(OH)2, Al2O3, Al(OH)3, Fe2O3, Fe(OH)3, Cr2O3, Cr(OH)3

Свойства амфотерных соединений запомнить не сложно: они взаимодействуют с кислотами и щелочами.

с взаимодействием с кислотами все просто, в этих реакциях амфотерные соединения ведут себя как основные: Оксиды:

Al2O3 + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2O

ZnO + H2SO4 → ZnSO4 + H2O

BeO + HNO3 → Be(NO3)2 + H2O

Точно так же реагируют гидроксиды:

Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O

Pb(OH)2 + 2HCl → PbCl2 + 2H2O

С взаимодействием со щелочами немного сложнее. В этих реакциях амфотерные соединения ведут себя как кислоты, и продукты реакции могут быть различными, все зависит от условий.

Или реакция происходит в растворе, или реагирующие вещества берутся твердые и сплавляются.

Взаимодействие основных соединений с амфотерными при сплавлении.

Разберем на примере гидроксида цинка. Как уже говорилось ранее, амфотерные соединения взаимодействуя с основными, ведут себя как кислоты. Вот и запишем гидроксид цинка Zn(OH)2 как кислоту. У кислоты водород спереди, вынесем его: H2ZnO2. И реакция щелочи с гидроксидом будет протекать как будто он – кислота. «Кислотный остаток» ZnO22- двухвалентный:

2KOH(тв.) + H2ZnO2(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + 2H2O

Полученное вещество K2ZnO2 называется метацинкат калия (или просто цинкат калия). Это вещество – соль калия и гипотетической «цинковой кислоты» H2ZnO2 (солями такие соединения называть не совсем правильно, но для собственного удобства мы про это забудем). Только гидроксид цинка записывать вот так: H2ZnO2 – нехорошо. Пишем как обычно Zn(OH)2, но подразумеваем (для собственного удобства), что это «кислота»:

2KOH(тв.) + Zn(OH)2(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + 2H2O

С гидроксидами, в которых 2 группы ОН, все будет так же как и с цинком:

Be(OH)2(тв.) + 2NaOH(тв.) (t, сплавление)→ 2H2O + Na2BeO2 (метабериллат натрия, или бериллат)

Pb(OH)2(тв.) + 2NaOH(тв.) (t, сплавление)→ 2H2O + Na2PbO2 (метаплюмбат натрия, или плюмбат)

С амфотерными гидроксидов с тремя группами OH (Al(OH)3, Cr(OH)3, Fe(OH)3) немного иначе.

Разберем на примере гидроксида алюминия: Al(OH)3, запишем в виде кислоты: H3AlO3, но в таком виде не оставляем, а выносим оттуда воду:

H3AlO3 – H2O → HAlO2 + H2O.

Вот с этой «кислотой» (HAlO2) мы и работаем:

HAlO2 + KOH → H2O + KAlO2 (метаалюминат калия, или просто алюминат)

Но гидроксид алюминия вот так HAlO2 записывать нельзя, записываем как обычно, но подразумеваем там «кислоту»:

Al(OH)3(тв.) + KOH(тв.) (t, сплавление)→ 2H2O + KAlO2(метаалюминат калия)

То же самое и с гидроксидом хрома:

Cr(OH)3 → H3CrO3 → HCrO2

Cr(OH)3(тв.) + KOH(тв.) (t, сплавление)→ 2H2O + KCrO2(метахромат калия,

НО НЕ ХРОМАТ, хроматы – это соли хромовой кислоты).

С гидроксидами содержащими четыре группы ОН точно так же: выносим вперед водород и убираем воду:

Sn(OH)4 → H4SnO4 → H2SnO3

Pb(OH)4 → H4PbO4 → H2PbO3

Следует помнить, что свинец и олово образуют по два амфотерных гидроксида: со степенью окисления +2 (Sn(OH)2, Pb(OH)2), и +4 (Sn(OH)4, Pb(OH)4).

И эти гидроксиды будут образовывать разные «соли»:

Степень окисления	+2	+4
Формула гидроксида	Sn(OH)2	Pb(OH)2	Sn(OH)4	Pb(OH)4
Формула гидроксида в виде кислоты	H2SnO2	H2PbO2	H2SnO3	H2PbO3
Соль (калиевая)	K2SnO2	K2PbO2	K2SnO3	K2PbO3
Название соли	станнИТ	плюмбИТ	метастаннАТ	метаплюмбАТ

Те же принципы, что и в названиях обычных «солей», элемент в высшей степени окисления – суффикс АТ, в промежуточной – ИТ.

Такие «соли» (метахроматы, метаалюминаты, метабериллаты, метацинкаты и т. д.) получаются не только в результате взаимодействия щелочей и амфотерных гидроксидов. Эти соединения всегда образуются, когда соприкасаются сильноосновный «мир» и амфотерный (при сплавлении). То есть точно так же как и амфотерные гидроксиды со щелочами будут реагировать и амфотерные оксиды, и соли металлов, образующих амфотерные оксиды (соли слабых кислот). И вместо щелочи можно взять сильноосновный оксид, и соль металла, образующего щелочь (соль слабой кислоты).

Взаимодействия:

Амфотерного оксида с сильноосновным оксидом:

ZnO(тв.) + K2O(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 (метацинкат калия, или просто цинкат калия)

Амфотерного оксида со щелочью:

ZnO(тв.) + 2KOH(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + H2O↑

Амфотерного оксида с солью слабой кислоты и металла, образующего щелочь:

ZnO(тв.) + K2CO3(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + CO2↑

Амфотерного гидроксида с сильноосновным оксидом:

Zn(OH)2(тв.) + K2O(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + H2O↑

Амфотерного гидроксида со щелочью:

Zn(OH)2(тв.) + 2KOH(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + 2H2O↑

Амфотерного гидроксида с солью слабой кислоты и металла, образующего щелочь:

Zn(OH)2(тв.) + K2CO3(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + CO2↑ + H2O↑

Соли слабой кислоты и металла, образующего амфотерные соединение с сильноосновным оксидом:

ZnCO3(тв.) + K2O(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + CO2↑

Соли слабой кислоты и металла, образующего амфотерные соединение со щелочью:

ZnCO3(тв.) + 2KOH(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + CO2↑ + H2O↑

Соли слабой кислоты и металла, образующего амфотерные соединение с солью слабой кислоты и металла, образующего щелочь:

ZnCO3(тв.) + K2CO3(тв.) (t, сплавление)→ K2ZnO2 + 2CO2↑

Ниже представлена информация по солям амфотерных гидроксидов, красным помечены наиболее встречающиеся в ЕГЭ.

Оксид	Гидроксид	Гидроксид в виде кислоты	Кислотный остаток	Соль	Название соли
BeO	Be(OH)2	H2BeO2	BeO22-	K2BeO2	Метабериллат (бериллат)
ZnO	Zn(OH)2	H2ZnO2	ZnO22-	K2ZnO2	Метацинкат (цинкат)
Al2O3	Al(OH)3	HAlO2	AlO2-	KAlO2	Метаалюминат (алюминат)
Fe2O3	Fe(OH)3	HFeO2	FeO2-	KFeO2	Метаферрат (НО НЕ ФЕРРАТ)
SnO	Sn(OH)2	H2SnO2	SnO22-	K2SnO2	СтаннИТ
PbO	Pb(OH)2	H2PbO2	PbO22-	K2PbO2	ПлюмбИТ
SnO2	Sn(OH)4	H2SnO3	SnO32-	K2SnO3	МетастаннАТ (станнат)
PbO2	Pb(OH)4	H2PbO3	PbO32-	K2PbO3	МетаплюмбАТ (плюмбат)
Cr2O3	Cr(OH)3	HCrO2	CrO2-	KCrO2	Метахромат (НО НЕ ХРОМАТ)

Запомните, реакции, приведенные ниже, протекают при сплавлении.

Взаимодействие амфотерных соединений со ЩЕЛОЧАМИ (здесь только щелочи).

В ЕГЭ это называют «растворением гидроксида алюминия (цинка, бериллия и т. д.) щелочи». Это обусловлено способностью металлов в составе амфотерных гидроксидов в присутствии избытка гидроксид-ионов (в щелочной среде) присоединять к себе эти ионы. Образуется частица с металлом (алюминием, бериллием и т. д.) в центре, который окружен гидроксид-ионами. Эта частица становится отрицательно-заряженной (анионом) за счет гидроксид-ионов, и называться этот ион будет гидроксоалюминат, гидроксоцинкат, гидроксобериллат и т. д.. Причем процесс может протекать по-разному металл может быть окружен разным числом гидроксид-ионов.

Мы будем рассматривать два случая: когда металл окружен четырьмя гидроксид-ионами, и когда он окружен шестью гидроксид-ионами.

Запишем сокращенное ионное уравнение этих процессов:

Al(OH)3 + OH - → Al(OH)4-

Образовавшийся ион называется Тетрагидроксоалюминат-ион. Приставка «тетра-» прибавляется, потому что гидроксид-иона четыре. Тетрагидроксоалюминат-ион имеет заряд -, так как алюминий несет заряд 3+, а четыре гидроксид-иона 4-, в сумме получается -.

Al(OH)3 + 3OH - → Al(OH)63-

Образовавшийся в этой реакции ион называется гексагидроксоалюминат ион. Приставка «гексо-» прибавляется, потому что гидроксид-иона шесть.

Прибавлять приставку, указывающую на количество гидроксид-ионов обязательно. Потому что если вы напишете просто «гидроксоалюминат», не понятно, какой ион вы имеете в виду: Al(OH)4- или Al(OH)63-.

При взаимодействии щелочи с амфотерным гидроксидом в растворе образуется соль. Катион которой – это катион щелочи, а анион – это сложный ион, образование которого мы рассмотрели ранее. Анион заключается в квадратные скобки.

Al(OH)3 + KOH → K[Al(OH)4] (тетрагидроксоалюминат калия)

Al(OH)3 + 3KOH → K3[Al(OH)6] (гексагидроксоалюминат калия)

Какую именно (гекса - или тетра-) соль вы напишете как продукт – не имеет никакого значения. Даже в ответниках ЕГЭ написано: «…K3[Al(OH)6] (допустимо образование K[Al(OH)4]». Главное не забывайте следить, чтобы все индексы были верно проставлены. Следите за зарядами, и имейте ввиду, что сумма их должна быть равна нулю.

Кроме амфотерных гидроксидов, со щелочами реагируют амфотерные оксиды. Продукт будет тот же. Только вот если вы запишете реакцию вот так:

Al2O3 + NaOH → Na[Al(OH)4]

Al2O3 + NaOH → Na3[Al(OH)6]

Но эти реакции у вас не уравняются. Надо добавить воду в левую часть, взаимодейтсиве ведь происходит в растворе, воды там достаточно, и все уравняется:

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4]

Al2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Al(OH)6]

Помимо амфотерных оксидов и гидроксидов, с растворами щелочей взаимодействуют некоторые особо активные металлы, которые образуют амфотерные соединения. А именно это: алюминий, цинк и бериллий. Чтобы уравнялось, слева тоже нужна вода. И, кроме того, главное отличие этих процессов – это выделение водорода:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

2Al + 6NaOH + 6H2O → 2Na3[Al(OH)6] + 3H2↑

В таблице ниже приведены наиболее распространенные в ЕГЭ примеры свойства амфотерных соединений:

Амфотерное вещество	Соль	Название соли	Реакции
Al Al2O3 Al(OH)3	Na[Al(OH)4]	Тетрагидроксоалюминат натрия	Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4] Al2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Al(OH)4] 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Na3[Al(OH)6]	Гексагидроксоалюминат натрия	Al(OH)3 + 3NaOH → Na3[Al(OH)6] Al2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Al(OH)6] 2Al + 6NaOH + 6H2O → 2Na3[Al(OH)6] + 3H2↑
Zn ZnO Zn(OH)2	K2[Zn(OH)4]	Тетрагидроксоцинкат натрия	Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4] ZnO + 2NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4] Zn + 2NaOH + 2H2O → Na2[Zn(OH)4]+ H2↑
K4[Zn(OH)6]	Гексагидроксоцинкат натрия	Zn(OH)2 + 4NaOH → Na4[Zn(OH)6] ZnO + 4NaOH + H2O → Na4[Zn(OH)6] Zn + 4NaOH + 2H2O → Na4[Zn(OH)6]+ H2↑
Be BeO Be(OH)2	Li2[Be(OH)4]	Тетрагидроксобериллат лития	Be(OH)2 + 2LiOH → Li2[Be(OH)4] BeO + 2LiOH + H2O → Li2[Be(OH)4] Be + 2LiOH + 2H2O → Li2[Be(OH)4]+ H2↑
Li4[Be(OH)6]	Гексагидроксобериллат лития	Be(OH)2 + 4LiOH → Li4[Be(OH)6] BeO + 4LiOH + H2O → Li4[Be(OH)6] Be + 4LiOH + 2H2O → Li4[Be(OH)6]+ H2↑
Cr2O3 Cr(OH)3	Na[Cr(OH)4]	Тетрагидроксохромат натрия	Cr(OH)3 + NaOH → Na[Cr(OH)4] Cr2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Cr(OH)4]
Na3[Cr(OH)6]	Гексагидроксохромат натрия	Cr(OH)3 + 3NaOH → Na3[Cr(OH)6] Cr2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Cr(OH)6]
Fe2O3 Fe(OH)3	Na[Fe(OH)4]	Тетрагидроксоферрат натрия	Fe(OH)3 + NaOH → Na[Fe(OH)4] Fe2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Fe(OH)4]
Na3[Fe(OH)6]	Гексагидроксоферрат натрия	Fe(OH)3 + 3NaOH → Na3[Fe(OH)6] Fe2O3 + 6NaOH + 3H2O → 2Na3[Fe(OH)6]

Полученные в этих взаимодействиях соли реагируют с кислотами, образуя две другие соли (соли данной кислоты и двух металлов):

2Na3[Al(OH)6] + 6H2SO4 → 3Na2SO4 + Al2(SO4)3 + 12H2O

Вот и все! Ничего сложного. Главное не путайте, помните что образуется при сплавлении, что в растворе. Очень часто задания по этому вопросу попадаются в B части.