Амфотерный оксид¶
Амфотерный оксид — оксид, способный вступать в реакции и с кислотами, и с щелочами, то есть проявляющий двойственную (амфотерную) химическую природу. Такие оксиды образуют с кислотами соли, а со щелочами — гидроксокислотные (гидроксо-) соли либо оксокислоты, в зависимости от условий. Амфотерность обусловлена строением кристаллической решётки и характером химической связи: в оксидах переходных и некоторых p-элементов связь металла с кислородом имеет выраженный ковалентный характер, что позволяет атому металла выступать и как электроноакцептор, и как электронодонор.
¶Кислотно-основные свойства оксидов
Оксиды принято делить на три группы по их кислотно-основным свойствам:
| Тип оксида | Примеры | Поведение |
|---|---|---|
| Основные оксиды | Na₂O, CaO, FeO, CuO | Реагируют только с кислотами, образуя соли и воду |
| Кислотные (бескислородные кислотные ангидриды) | SO₂, SO₃, CO₂, P₂O₅ | Реагируют только со щелочами, образуя соли и воду |
| Амфотерные оксиды | Al₂O₃, ZnO, BeO, Cr₂O₃, SnO, PbO, Ga₂O₃ | Реагируют и с кислотами, и со щелочами |
Граница между группами размыта: многие оксиды, считающиеся основными, проявляют слабые амфотерные свойства, и наоборот. Амфотерность — не абсолютное, а относительное понятие: она проявляется в определённых условиях и зависит от соотношения реагентов, растворителя и температуры.
¶Химические свойства
Амфотерные оксиды реагируют с кислотами, образуя нормальные соли и воду:
Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O
Со щелочами они образуют комплексные (оксо-)соли и воду:
Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O
При избытке воды алюминат натрия гидролизуется, и в растворе фактически образуется гидроксид алюминия:
NaAlO₂ + 2H₂O → Al(OH)₃↓ + NaOH
Амфотерные оксиды нерастворимы в воде и не образуют гидроксидов непосредственным присоединением воды (в отличие от оксидов щелочных металлов). Их гидроксиды, получаемые осаждением из растворов солей, также амфотерны — это классическое проявление амфотерности на уровне гидроксидов.
Для оксидов некоторых металлов амфотерность проявляется только при высоких температурах. Так, оксид цинка ZnO реагирует со щелочами лишь в расплаве или в растворе при нагревании, а в холодном растворе практически инертен. Оксид бериллия BeO — один из наиболее выраженных амфотерных оксидов: он растворяется и в кислотах, и в щелочах уже при умеренном нагревании.
¶Амфотерные гидроксиды
Соответствующие гидроксиды амфотерных оксидов — Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Be(OH)₂, Cr(OH)₃, Sn(OH)₂, Pb(OH)₂ — также амфотерны. Ионный баланс в растворе определяет направление реакции:
Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O (в кислой среде)
Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] (в щелочной среде)
При этом амфотерные гидроксиды малорастворимы, их растворимость в воде крайне низка (у Al(OH)₃ — около 10⁻⁵ моль/л), что позволяет осаждать их из растворов солей аммиаком или избытком щёлочи.
¶Строение и причины амфотерности
Амфотерность оксидов связана с типом химической связи. В оксидах щелочных металлов связь почти полностью ионная, и оксид ведёт себя как источник O²⁻, то есть как основный ангидрид. В оксидах серы, фосфора, хлора связь преимущественно ковалентная, и оксид выступает как акцептор гидроксильных групп.
Амфотерные оксиды занимают промежуточное положение: связь металла с кислородом имеет смешанный ионно-ковалентный характер. Атом металла в таких оксидах обладает незаполненными d- или p-орбиталями, что позволяет ему присоединять как электрофильные (кислотные), так и нуклеофильные (щелочные) частицы. Например, в Al₂O₃ атом алюминия координирован кислородом октаэдрически, а при действии кислоты кислородные атомы протонируются, при действии щелочи — алюминий образует тетраэдрический комплекс [Al(OH)₄]⁻.
¶Применение
Амфотерные оксиды находят широкое применение:
- Алюминия оксид (α-Al₂O₃, корунд) — основа огнеупорных материалов, абразивов, керамики; в виде кристаллических модификаций (сапфир, рубин) используется в ювелирном деле и оптике.
- Цинка оксид (ZnO) — компонент кремов и мазей, пигмент, полупроводник в электронике, вулканизирующий агент в резиновой промышленности.
- Бериллия оксид (BeO) — высокоэффективный теплопроводящий изолятор, применяется в электронике и ядерной технике (ядерное сечение захвата нейтронов у бериллия крайне мало).
- Оксиды хрома, олова, свинца — катализаторы, компоненты стеклоплавов, электродов и пигментов.
¶Примеры амфотерных оксидов
К числу амфотерных оксидов относятся:
- BeO, MgO (слабая амфотерность), Al₂O₃, Ga₂O₃, In₂O₃
- TiO₂, Cr₂O₃, MnO₂, Fe₂O₃ (слабая амфотерность)
- ZnO, SnO, SnO₂, PbO, PbO₂
- Sb₂O₃, As₂O₃, Bi₂O₃
Установлено правило: амфотерными являются оксиды элементов, стоящих на границе металлов и неметаллов в периодической таблице, а также оксиды элементов с переменной степенью окисления, находящиеся в средних степенях окисления (например, Cr₂O₃ при степени +3 при Cr).
Источники:
- Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы
- Рудзитас Г. Е., Шаталова И. Ф. Химия: справочник для поступающих в вузы
- Глинка Н. Л. Общая химия
- Мишин В. М. Химия для поступающих
- Энциклопедический словарь по химии