Амфотерность и реакции сложных веществ

Все знакомые вам гидроксиды делятся на два лагеря. Основания — NaOH, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, Cu(OH)₂ — реагируют с кислотами и не реагируют со щелочами. Кислоты — H₂SO₄, HNO₃, H₂CO₃ — наоборот, реагируют со щелочами и не реагируют с кислотами.

Но есть вещества, которые ведут себя и так, и так. Гидроксид цинка растворяется и в соляной кислоте, и в растворе гидроксида натрия. Гидроксид алюминия — тоже. Такое двойственное поведение называют амфотерностью (от греческого «амфотерос» — «и тот, и другой»).

Почему это возможно. Связь Э—O—H в гидроксиде может рваться в двух местах. Если металл активный, электронная плотность смещена к кислороду, и легче отрывается ион H⁺ — вещество ведёт себя как кислота. Если металл малоактивен и тянет электроны к себе, легче отрывается группа OH⁻ — вещество ведёт себя как основание. У элементов промежуточной активности — цинка, алюминия, бериллия, хрома(III), железа(III) — прочность обеих связей сопоставима, и разрыв идёт по тому пути, который навязан средой: в кислоте отрывается OH⁻, в щёлочи отрывается H⁺.

Отсюда правило, объясняющее всё поведение амфотерного гидроксида: в кислоте он ведёт себя как основание, в щёлочи — как кислота. Химия здесь действует по принципу «противоположности реагируют»: чтобы реакция пошла, партнёр должен быть другой природы.

Кого считать амфотерным на ОГЭ. Твёрдо: Zn(OH)₂ и ZnO, Al(OH)₃ и Al₂O₃, Be(OH)₂ и BeO. Считаются амфотерными также Cr(OH)₃, Cr₂O₃, Fe(OH)₃ и Fe₂O₃, но у железа амфотерность выражена слабо и проявляется только при сплавлении.

Практическое следствие, ради которого всё это и спрашивают. Амфотерный гидроксид — единственный белый осадок школьного набора, который растворяется в избытке щёлочи. Это и есть способ отличить соли алюминия и цинка от солей магния: к раствору по каплям приливают щёлочь, во всех трёх случаях выпадает белый осадок, но при дальнейшем добавлении осадок алюминия и цинка исчезает, а магния остаётся. Приём прямо используется в заданиях 17 и 23.

Здесь лежит главная трудность задания 9, и разобрать её надо до конца, потому что путаница между двумя случаями стоит балла.

В растворе щёлочи амфотерный гидроксид даёт гидроксокомплекс — соединение, в котором к атому металла присоединены четыре гидроксогруппы. Молекулы воды здесь есть в избытке, и они достраивают комплекс:

Zn(OH)₂ + 2NaOH(р-р) = Na₂[Zn(OH)₄] — тетрагидроксоцинкат натрия; Al(OH)₃ + NaOH(р-р) = Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия.

Квадратные скобки здесь не украшение: они выделяют комплексную частицу, которая в растворе существует целиком.

При сплавлении с твёрдой щёлочью воды нет, и достраивать комплекс нечем. Вместо него получается безводная соль — цинкат или алюминат, а вода уходит:

ZnO + 2NaOH(тв., сплавление) = Na₂ZnO₂ + H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH(тв., сплавление) = 2NaAlO₂ + H₂O.

Запомнить различие проще всего одной фразой: есть вода — есть комплекс со скобками; нет воды — нет скобок. И обратите внимание, что условие («р-р» или «тв., сплавление») в задании указывается всегда; если вы его не заметили, ответ будет неверным при совершенно правильной химии.

Третий случай: сам металл со щёлочью. Цинк и алюминий — единственные металлы школьного курса, которые реагируют не только с кислотой, но и со щёлочью, причём с выделением водорода:

Zn + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Zn(OH)₄] + H₂↑; 2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑.

Это реакция замещения и одновременно окислительно-восстановительная: цинк отдаёт электроны, водород воды их принимает. Практический след: алюминиевую посуду нельзя мыть содой и щелочными средствами — защитная оксидная плёнка растворяется, и металл начинает разрушаться.

Сводка для задания 9. Амфотерный гидроксид в растворе щёлочи даёт комплекс; амфотерный оксид при сплавлении даёт безводную соль; амфотерный металл в растворе щёлочи даёт комплекс и водород. Три строки, и ровно они чаще всего и стоят в столбце «продукты».

Вторая половина задания 9 — соответствие между реагентами и продуктами, и чаще всего проверяют её на железе. Причина в том, что железо образует два ряда соединений: со степенью окисления +2 и +3, — и продукт зависит от того, кто окислитель.

Сильный окислитель даёт железо(III). Хлор, бром, кислород, концентрированная азотная кислота окисляют железо до +3: 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ (хлорид железа(III)); 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (железная окалина, смешанный оксид); 4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ — то есть ржавление.

Слабый окислитель даёт железо(II). Раствор соляной или разбавленной серной кислоты, сера, растворы солей менее активных металлов окисляют железо только до +2: Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑; Fe + S = FeS; Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

Вот источник самой частой ошибки: пара «Fe и Cl₂» даёт FeCl₃, а пара «Fe и HCl» даёт FeCl₂. Формулы отличаются одним индексом, а происхождение у этого индекса содержательное — сила окислителя.

Как выглядят соединения железа. Соли железа(II) в растворе светло-зелёные, соли железа(III) жёлто-бурые. Гидроксид железа(II) — зеленоватый осадок, который на воздухе буреет, переходя в гидроксид железа(III): 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃. Гидроксид железа(III) — бурый.

Это побурение — не любопытный факт, а рабочий признак: по нему в задании 23 отличают соль железа(II) от соли железа(III), если цвет осадка сразу после осаждения показался неубедительным.

И общий приём для задания 9. Читая пару «вещество плюс реагент», задайте себе три вопроса по порядку: какого класса каждое вещество; указано ли условие (раствор, сплавление, нагревание); кто здесь окислитель и насколько он силён. Ответы на эти три вопроса почти всегда однозначно задают продукт.

Алюминий стоит в ряду активности сразу после магния — он очень активный металл. Но алюминиевая ложка не растворяется в чае, алюминиевая рама стоит на улице десятилетиями, а алюминиевая кастрюля спокойно выдерживает кипячение. Противоречие разрешается одним словом: оксидная плёнка.

На воздухе алюминий мгновенно покрывается слоем оксида Al₂O₃ толщиной в доли микрометра. Плёнка плотная, прочная и прочно сцеплена с металлом, поэтому дальше кислород до металла не доходит, и окисление останавливается. Именно поэтому алюминий — материал для посуды, фольги, окон и самолётов.

Сравните с железом. Оно тоже окисляется, но образующаяся ржавчина рыхлая и осыпается, открывая новые слои. Поэтому железо ржавеет насквозь, а алюминий нет. Различие не в активности металла, а в свойствах продукта окисления.

Чтобы алюминий заработал как активный металл, плёнку надо снять. Способов два, и оба встречаются в задачах.

Кислота растворяет плёнку. Al₂O₃ — амфотерный оксид и с кислотой реагирует: Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O. Как только плёнка снята, начинается реакция самого металла: 2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑.

Щёлочь растворяет плёнку тем более. Тот же амфотерный оксид реагирует и со щёлочью, а затем щёлочь добирается до металла: 2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑. Отсюда практический вывод, который стоит знать каждому: алюминиевую посуду нельзя мыть содой и щелочными чистящими средствами — защитная плёнка растворяется, и металл начинает разрушаться.

Ещё один след амфотерности алюминия. Al(OH)₃ получают не действием щёлочи в избытке, а осторожно, по каплям, — иначе осадок сразу растворится. Надёжнее получать его действием раствора аммиака: AlCl₃ + 3NH₃·H₂O = Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl. Гидрат аммиака — слабое основание, комплекс с ним не образуется, и осадок остаётся. Этот приём — готовый ответ на вопрос «как получить гидроксид алюминия».

И промышленная сторона. Алюминий в природе встречается только в соединениях, и получают его электролизом расплава оксида алюминия в криолите — процесс энергоёмкий, потому металл и был в XIX веке дороже золота. Столовые приборы из алюминия подавали почётным гостям Наполеона III, пока в 1886 году не изобрели электролизный способ и цена не упала в сотни раз.

В задании 9 наряду с реакциями амфотерных веществ спрашивают и о способах их получения, поэтому цепочку стоит пройти целиком.

Получение. Амфотерный гидроксид нерастворим, значит получить его можно только осаждением из раствора соли: к раствору соли цинка или алюминия приливают щёлочь, и выпадает белый осадок.

ZnSO₄ + 2NaOH = Zn(OH)₂↓ + Na₂SO₄; AlCl₃ + 3NaOH = Al(OH)₃↓ + 3NaCl.

Ключевое слово здесь — в недостатке: щёлочь приливают по каплям и останавливаются, как только осадок выпал. Избыток щёлочи растворит его обратно, и в пробирке снова окажется прозрачный раствор. Из-за этой тонкости надёжнее пользоваться слабым основанием — раствором аммиака: комплекс с ним не образуется, и осадок никуда не денется.

Разложение при нагревании. Как любой нерастворимый гидроксид, амфотерный при прокаливании теряет воду и переходит в оксид: Zn(OH)₂ = ZnO + H₂O; 2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O. Это обычная реакция разложения, и условие t° над знаком равенства обязательно.

Реакция с кислотой. Здесь амфотерный гидроксид ведёт себя как самое обычное основание — даёт соль и воду: Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O; Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O.

Реакция со щёлочью. А здесь — как кислота, отдавая свой водород и образуя соль, в которой цинк или алюминий стоит уже в анионной части: Zn(OH)₂ + 2NaOH(р-р) = Na₂[Zn(OH)₄]; Al(OH)₃ + NaOH(р-р) = Na[Al(OH)₄].

Смысл этой пары реакций стоит проговорить прямо: одно и то же вещество в первом случае отдаёт гидроксогруппы, во втором отдаёт протон. В первом случае цинк оказался катионом Zn²⁺, во втором — частью аниона [Zn(OH)₄]²⁻. Это и есть амфотерность, увиденная с двух сторон.

Полезная цепочка для задания 21, целиком построенная на амфотерности: ZnSO₄ → Zn(OH)₂ → ZnO → Zn. Первый переход — осаждение щёлочью в недостатке, второй — прокаливание, третий — восстановление углеродом или водородом при нагревании. Такие цепочки встречаются в линии 21 регулярно, и амфотерный характер цинка в них обыгрывается специально.