Это явление объясняется тем, что в присутствии избытка сильного основания гидроксид цинка способен отдавать ионы водорода, подобно кислоте: **
§8.6 Амфотерные основания.Гидроксид цинка Zn(OH)2 является малорастворимым основанием. Его можно получить, действуя щелочью на какую-нибудь растворимую соль цинка – при этом Zn(OH)2 выпадает в осадок:
ZnCl2 + 2 NaOH = Zn(OH)2↓ + 2 NaCl
Подобно всем другим основаниям, осадок гидроксида цинка легко растворяется при добавлении какой-нибудь кислоты:
Zn(OH)2 + H2SO4 = ZnSO4 + 2 H2O,
Zn(OH)2 + 2 HCl = ZnCl2 + 2 H2O
Если же вместо кислоты к осадку гидроксида цинка добавить избыток щелочи, то он также растворяется, чего не происходит с другими гидроксидами. Почему Zn(OH)2 растворяется в щелочи?
Это явление объясняется тем, что в присутствии избытка сильного основания гидроксид цинка способен отдавать ионы водорода, подобно кислоте:
|
Zn(OH)2 или H2ZnO2 |
+ |
2 NaOH |
= |
Na2ZnO2 |
+ |
2 H2O |
|
гидроксид цинка |
щелочь |
цинкат натрия (соль) |
вода |
Происходит реакция нейтрализации наподобие той, которая могла бы произойти между NaOH и кислотой. Эта кислота (цинковая кислота H
2ZnO2) и гидроксид цинка Zn(OH)2 являются одним и тем же соединением! Сокращенная (но не структурная) формула этого соединения может быть записана двумя способами:Zn(OH)2 или H2ZnO2
- это две сокращенные формулы;H–O–Zn–O–H единственная структурная формула.
Поскольку прочность связей Н–О и O–Zn сравнимы между собой, гидроксид цинка способен быть как основанием в присутствии кислоты, так и кислотой – в присутствии основания:
|
H2SO4 |
2 NaOH |
|||
|
2H2O + ZnSO4 |
← |
Zn(OH)2 = H2ZnO2 |
→ |
Na2ZnO2 + 2H2O |
|
реагирует как основание |
реагирует как кислота |
Данное свойство гидроксидов называется амфотерностью.
Амфотерными называются такие гидроксиды, которые способны отдавать в реакциях с другими соединениями как атомы (ионы) водорода, так и гидрокси-группы (анионы гидроксила).
Помимо гидроксида цинка, амфотерными свойствами обладают гидроксиды некоторых других металлов: Al(OH)3, Cr(OH)3, Be(OH)2, Sn(OH)4, Pb(OH)2.
Объяснение проявления амфотерности у одних металлов и отсутствие ее у других следует искать в теории химической связи.
Можно заметить, что амфотерные свойства чаще проявляют те металлы, которые в Периодической таблице находятся близко к неметаллам. Как известно, неметаллы обладают большей электроотрицательностью (по сравнению с металлами), поэтому их связь с кислородом носит ковалентный характер и отличается значительной прочностью.
Связи между не амфотерными металлами и кислородом, как правило, ионные (из-за низкой электроотрицательности металлов). Такие связи часто менее прочны, чем ковалентные (вспомните атомные кристаллы).
Рассмотрим структурные формулы трех разных соединений: гидроксида бора B(OH)3
, гидроксида алюминия Al(OH)3 и гидроксида кальция Ca(OH)2.
Соединение B(OH)3 имеет внутри молекулы наиболее "ковалентную" связь бора с кислородом, поскольку бор ближе по электроотрицательности к кислороду, чем Al и Сa. Из-за высокой электроотрицательности бору выгоднее входить в состав отрицательно заряженной частицы – то есть кислотного остатка. Поэтому соединение B(OH)3 записывают также как H3BO3 и называют борной кислотой. При этом H3BO3 очень слабая и практически одноосновная кислота (но все-таки кислота):
H3BO3 = H+ + H2BO3- (в растворе)
Кальций – наименее электроотрицательный из этих элементов, поэтому в его молекуле связь Са–О носит ионный характер. Из-за низкой электроотрицательности для кальция выгодно существование в виде катиона Ca2+. Таким образом, Ca(OH)2 - это уже никакая не кислота, а типичное основание:
Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH- (в растворе)
На рисунке выше в структурных формулах пунктирными линиями отмечены связи, разрыв которых энергетически более выгоден.
Структурные формулы показывают, что соединение B(OH)3 будет легче отдавать ионы водорода, чем ионы гидроксида, т.е. является кислотой и может быть записано формулой H3BO3. Напротив, Ca(OH)2 – типичное основание. Гидроксид алюминия, в котором центральный атом имеет промежуточную электроотрицательность, может проявлять как свойства кислоты, так и основания – в зависимости от партнера по реакции нейтрализации. Это наблюдается в действительности. В первой из приведенных ниже реакций Al(OH)3 реагирует как обычное основание, а в следующих – как кислота:
2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6 H2O.
Al(OH)3 º H3AlO3 + NaOH = NaH2AlO3 + H2O, причем если реакцию проводить при нагревании, то соль NaH2AlO3 теряет одну молекулу воды и образуется алюминат натрия NaAlO2. В растворе алюминат натрия, наоборот, легко присоединяет воду и существует в виде соли Na[Al(OH)4]. Итак:
Al(OH)3 + NaOH = NaAlO2 + 2 H2O (при сплавлении);
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4] (при добавлении раствора NaOH без нагревания).
Таким образом, если к осадку Al(OH)3 просто добавлять раствор NaOH, то реакция идет именно так, как показано в последнем уравнении.
У цинка электроотрицательность практически такая же, как у алюминия (1,65), поэтому гидроксид цинка Zn(OH)2 проявляет похожие свойства. Таким образом, амфотерные гидроксиды взаимодействуют как с растворами кислот, так и с растворами щелочей.
Задачи.
8.18. Закончите уравнения реакций:
Cr(OH)3 + 6HCl = ?
Cr(OH)3 + NaOH = ?
8.19 (ФМШ). Напишите уравнения реакций, описывающие следующие химические превращения:
а) ZnCl2 + KOH(избыток) → осадок → растворение осадка;
б) Cr(NO3)2 + NaOH(избыток) → осадок → растворение осадка;
в) Be(NO3)2 + LiOH(избыток) → осадок → растворение осадка;
г) Al2(SO4)3 + KOH(избыток) → осадок → растворение осадка;
8.20 (НГУ). Осуществите следующие превращения:
Al2O3 → Al → Al2O3 → NaAlO2 → AlCl3
8.21 (НГУ). Из порошкообразной смеси, содержащей Na2CO3, Fe, Al и BaSO4, выделите химическим путем все соединения в чистом виде. Напишите уравнения реакций и последовательность их проведения (опишите технологию всей работы).
8.22 (НГУ). В трех разных пробирках без этикеток находятся растворы NH4Cl, ZnCl2, MgCl2. С помощью только одного химического реагента установите, какое соединение находится в каждой пробирке.
_________________