Амфотерные оксиды. Получение, химические свойства, образование средних и комплексных солей

Оглавление

• Какие оксиды называют амфотерными?
• Химические свойства амфотерных оксидов
• Получение амфотерных оксидов

Амфотерность – способность веществ проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от реагента. Так, оксид алюминия, с кислотными оксидами и кислотами ведёт себя как основный оксид, а со щелочами и основными оксидами – как кислотный оксид.

Какие оксиды называют амфотерными?

К амфотерным относят в основном оксиды металлов +3 и +4 степени окисления, но также можно встретить амфотерные оксиды и в степени окисления «+2».

Таблица 1. – Примеры амфотерных оксидов в различных степенях окисления

В таблице представлены лишь самые популярные примеры оксидов, встречающихся на ЕГЭ, многие другие оксиды при различных условиях реагируют как со щелочами, так и с кислотами.

Подробнее о классификации оксидов можно узнать в статье Классификация оксидов

Амфотерность – способность веществ проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от реагента. Так, оксид алюминия, с кислотными оксидами и кислотами ведёт себя как основный оксид, а со щелочами и основными оксидами – как кислотный оксид.

Химические свойства амфотерных оксидов

1. Амфотерные оксиды проявляют свойств основных оксидов в реакции с кислотами:

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + H₂O

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

BeO + 2HBr = BeBr₂ + H₂O

2. Амфотерные оксиды проявляют основность при реакции с кислотными оксидами:

ZnO + SO₃ = ZnSO₄

BeO + N₂O₅ = Be(NO₃)₂

3. Амфотерные оксиды проявляют свойства кислотных оксидов при взаимодействии со щелочами (растворимыми основаниями). При этом реакция осуществима как в растворах с концентрированными щелочами, так и при сплавлении.

В растворах:

ZnO + 2NaOH + H₂O = Na₂[Zn(OH)₄]

Полученную соль называют тетрагидроксоцинкат натрия

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Полученную соль называют тетрагидроксоалюминат натрия.

Формула полученной соли зависит от количества воды и щелочи, вступивших в реакцию, так в избытке щелочи образуется гексагидроксоалюминат, а не тетрагидроксоалюминат:

Al₂O₃ + 6NaOH + 3H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆]

При сплавлении:

ZnO + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂O

Полученная соль называется цинкат натрия.

Al₂O₃ + KOH = KAlO₂ + H₂O

Полученная соль называется алюминатом калия (метаалюминат)

В следующих таблицах приведены некоторые средние и комплексные анионы, в состав которых входят амфотерные металлы.

Таблица 2. – Анионы, содержащие амфотерные металлы в валентности II.

Таблица 3. – Анионы, содержащие амфотерные металлы в валентности III.

Соли с координационным числом «6» образуются в сильном избытке щелочи.

Таблица 4. – Наиболее распространенные ионы, содержащие амфотерные металлы в валентности IV.

Пользуясь данными таблицами, можно назвать многие соли, например, средние соли:

KAlO₂ – алюминат калия

Ca(AlO₂)₂ – алюминат кальция

NaAlO₂ – алюминат натрия

K₂ZnO₂ – цинкат калия

BaZnO₂ – цинкат бария

Na₂BeO₂ – бериллат натрия

CaBeO₂ – бериллат кальция

K₂PbO₂ – плюмбит калия, содержит свинец (II)

BaPbO₂ – плюмбит бария

K₄PbO₄ – плюмбат (ортоплюмбат) калия, содержит свинец (IV)

Ca₂PbO₄ – плюмбат кальция

Na₂SnO₃ – станнат натрия

KCrO₂ – хромит калия

NaFeO₂ – феррит натрия

И комплексные соли:

K[Al(OH)₄] – тетрагидроксоалюминат калия

K₃[Al(OH)₆] – гексагидроксоалюминат калия

Na₂[Zn(OH)₄] – тетрагидроксоцинкат натрия

Ca[Zn(OH)₄] – тетрагидроксоцинкат кальция

K₂[Be(OH)₄] – тетрагидроксобериллат калия

Ba[Be(OH)₄] – тетрагидроксобериллат бария

Na₂[Pb(OH)₄] – тетрагидроксоплюмбит натрия

Na₂[Pb(OH)₆] – гексагидроксоплюмбат натрия

Ca[Sn(OH)₆] – гексагидроксостаннат кальция

Na[Cr(OH)₄] – тетрагидроксохромит натрия

K₃[Cr(OH)₆] – гексагидроксохромит калия

Ca₃[Cr(OH)₆] – гексагидроксохромит кальция

Na₃[Fe(OH)₆] – гексагидроксоферрит натрия

Как составлять формулы безводных солей?

Например, в реакции участвовал оксид свинца IV и оксид кальция:

PbO₂ + CaO = ?

В первую очередь необходимо знать остатки соответствующих кислот, следовательно и формулы кислот, содержащих амфотерный металл. И хоть многие из них не выделены, теоретически мы можем установить их формулы. Для амфотерных металлов в III и IV валентности можно установить орто- и  мета-формулы кислот. Для металлов в II валентности выделяют только одну форму кислоты, поэтому для них не указывают уточняющую приставку «орто-» или «мета-», а вывод формулы соответствует выводу как орто- так и мета-формул кислот и их остатков у металлов в III и IV валентности.

Орто-формула соответствует гидроксиду амфотерного металла с учетом того, что в кислоте порядок элементов меняется (водород должен стоять на первом месте).

Таблица 5. – Амфотерные оксиды и кислотные остатки, соответствующие им

Для амфотерных металлов в III валентности можно выделить общую формулу орто-кислоты и орто-аниона: H₃MeO₃ и MeO₃^3-.

Для амфотерных металлов в IV валентности можно выделить общую формулу орто-кислоты и орто-аниона: H₄MeO₄ и MeO₄^4-.

Таким образом, в реакции оксида свинца IV и оксида кальция можно получить ортоплюмбат кальция:

PbO₂ + 2CaO = Ca₂PbO₄ (ортоплюмбат кальция)

Для этих же металлов можно вывести мета-формулы кислот и их остатков, для этого при образовании формулы используются наименьшие значения индексов. Так, формула орто-хромистой кислоты, как и любого другого гидроксида в кислотной форме, начинается с водорода, а заканчивается кислородом, степень окисления хрома «+3» учитывается при установке индексов:

Подробнее о таком способе можно прочитать в статье Свойства кислотных оксидов

Таким образом, оксиду алюминия и оксиду свинца IV соответствуют следующие мета-формулы:

Таблица 6. – Амфотерные оксиды и кислотные остатки, соответствующие им

Поэтому в реакции между оксидом кальция и диоксидом свинца может образоваться и метаплюмбат кальция.

PbO₂ + CaO = CaPbO₃

4. Амфотерные оксиды проявляют свойства кислотных в реакциях с основными оксидами. Реакция происходит при сплавлении:

ZnO + CaO = CaZnO₂ – цинкат кальция

Fe₂O₃ + BaO = Ba(FeO₂)₂ - феррит бария

Al₂O₃ + SrO = Sr(AlO₂)₂ – алюминат (метаалюминат) стронция

5. Амфотерные оксиды способны вытеснять летучие оксиды из солей:

ZnO + K₂CO₃ = K₂ZnO₂ + CO₂↑

Al₂O₃ + Na₂SO₃ = NaAlO₂ + SO₂↑

6. Как и многие другие нерастворимые оксиды, амфотерные оксиды реагируют с восстановителями (C, CO, H₂, NH₃, CH₄, более активные металлы). Реакции идут только при нагревании.

ZnO + C = Zn + CO↑

Cr₂O₃ + Al = Al₂O₃ + Cr

Fe₂O₃ + Mg = MgO + Fe

Получение амфотерных оксидов

1. Термическое разложение амфотерных гидроксидов:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Zn(OH)₂ = ZnO + H₂O

2. Прямым взаимодействием металла с кислородом:

2Be + O₂ = 2BeO

2Zn + O₂ = 2ZnO

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

Данная реакция не подходит для получения оксида железа III, так как при окислении железа образуется двойной оксид Fe₃O₄.

3. Термическим разложением нитратов. Причем, если в состав катиона входит металл с переменной степенью окисления, в продукте его степень окисления может измениться:

4Fe(NO₃)₂ = 2Fe₂O₃ + 8NO₂↑ + O₂↑

4Cr(NO₃)₂ = 2Cr₂O₃ + 8NO₂↑ + O₂↑

Оксиды хрома и железа в III валентности разлагаются без изменения степени окисления металла:

4Fe(NO₃)₃ = 2Fe₂O₃ + 12NO₂↑ + 3O₂↑

4Cr(NO₃)₃ = 2Cr₂O₃ + 12NO₂↑ + 3O₂↑

4. Окислением оксидов с более низкой степенью окисления:

FeO + O₂ = Fe₂O₃

CrO + O₂ = Cr₂O₃