Конспект урока: Неорганические и органические амфотерные соединения

Понятие амфотерности

Рис. 1. Жозеф Луис Гей-Люсак, автор неизвестен

Амфотерность как понятие в качестве характеристики двойственного поведения вещества было введено в 1814 году Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром.

 

Типичные представители неорганических амфотерных соединений — оксиды и гидроксиды, а в органической химии типичные амфотерные соединения — аминокислоты.

Характеристика амфотерных соединений

Оксиды металлов, в которых металл проявляет степень окисления +3 или +4, как правило, относятся к амфотерным. 

Среди представителей можно выделить оксид и диоксид олова, оксиды бериллия, марганца, цинка, железа (ІІІ). Амфотерные гидроксиды представлены такими веществами: гидроксид бериллия, алюминия, железа (ІІІ), метагидроксид железа, алюминия, дигидроксид-оксид титана. Самыми распространёнными и часто используемыми из перечисленных выше соединений являются оксид железа (III) и алюминия, а также гидроксиды этих металлов.

Амфотерные гидроксиды представляют собой твёрдые кристаллические вещества, практически нерастворимые в воде. Так, например, гидроксид хрома (III) имеет серо-зелёный цвет, а остальные амфотерные гидроксиды по большей части имеют белый цвет.

Химические свойства амфотерных неорганических соединений

Амфотерными называют соединения, которые в зависимости от условий могут быть как донорами катионов водорода и проявлять кислотные свойства, так и их акцепторами, а значит проявлять основные свойства. 

Взаимодействие с кислотами

Амфотерные соединения взаимодействуют с сильными кислотами, где в реакциях проявляют основные свойства.

Решение

Оксид алюминия является одним из ярких представителей амфотерных соединений.

1. Запишем реакцию между хлороводородной кислотой и оксидом алюминия. Уравняем и отметим растворимость: 

${\mathrm{Al}}_2{\mathrm{О}}_3 + 6\mathrm{HCl} = 2{\mathrm{AlCl}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

  ^{Н                     P                   Р}                       

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

${\mathrm{Al}}_2{\mathrm{О}}_3 + 6{\mathrm{Cl}}^{-} + 6{\mathrm{H}}^{+} = 2{\mathrm{Al}}^{3+} + 6{\mathrm{Cl}}^{-} + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

${\mathrm{Al}}_2{\mathrm{О}}_3 + 6{\mathrm{H}}^{+ }= 2{\mathrm{Al}}^{3+} + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Аналогично в реакцию вступают амфотерные гидроксиды, которые в результате реакции с кислотами также проявляют основные свойства и образуют соль и воду.

При этом нерастворимые амфотерные основания разлагаются при нагревании на оксид металла (в той же степени окисления) и воду:

$2\mathrm{Сr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 \to {\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Взаимодействие с щелочами

Амфотерные соединения из оснований реагируют только с растворимыми — щелочами. Например, рассмотрим гидроксид цинка. В привычном виде гидроксид цинка — основание. А раз это основание, то оно будет взаимодействовать с кислотами по обменному механизму:

$\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2\mathrm{HCl} = {\mathrm{ZnCl}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Если гидроксид цинка амфотерен и проявляет кислотные свойства, то как можно переписать его формулу, чтобы он выглядел, как привычная для нас кислота? И какой заряд будет иметь при этом кислотный остаток? Записать формулу гидроксида цинка в кислотной форме достаточно просто. Необходимо поставить на первое место атомы водорода, как в формулах типичных неорганических кислот. В результате получается ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{ZnO}}_2$ — цинковая кислота. Тогда ${\mathrm{ZnO}}_2$ будет иметь заряд 2- и будет выступать кислотным остатком с названием «цинкат». А раз это кислота, значит будет реагировать с щелочами.

Решение

Гидроксид натрия является одним из ярких представителей амфотерных соединений.

1. Запишем реакцию между гидроксидом цинка и гидроксидом натрия (расплавом). Уравняем и отметим растворимость: 

$\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2\mathrm{NaOH} = {\mathrm{Na}}_2{\mathrm{ZnO}}_2 + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

                                                              ^{Н                           P                         Р}                       

При взаимодействии гидроксида цинка с гидроксидом натрия образуются диоксоцинкат натрия и вода.

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

$\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2{\mathrm{Na}}^{+} + 2{\mathrm{OH}}^{-} = {{\mathrm{ZnO}}_2}^{2-} + 2{\mathrm{Na}}^{+}+ 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

$\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_2 + 2{\mathrm{OH}}^{-} = {{\mathrm{ZnO}}_2}^{2-} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Аналогично в реакцию вступают амфотерные оксиды, которые в результате сплавления с твёрдыми растворимыми основаниями (щелочами) также проявляют кислотные свойства и образуют соль и воду: 

$3\mathrm{ZnO} + 6\mathrm{NaOH} = 3{\mathrm{Na}}_2{\mathrm{ZnO}}_2 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{О}$.

Также амфотерные соединения способны образовывать комплексные соли в реакциях с растворами щелочей. Например, при взаимодействии гидроксида железа (III) с раствором гидроксида натрия продуктом реакции является гексагидроксоферрат (III) натрия — ${\mathrm{Na}}_3\left[\mathrm{Fe}{\left(\mathrm{OH}\right)}_6\right]$, где $6$ — координационное число, которое находится по формуле: $\mathrm{n}·2$ ($\mathrm{n}$ — валентность амфотерного металла). Комплексные соли образуются как в результате реакции с оксидами, так и гидроксидами амфотерных металлов:

$\mathrm{ZnO} + 2\mathrm{NaOH} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{О} = {\mathrm{Na}}_2\left[\mathrm{Zn}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4\right]$,

$\mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 + 3\mathrm{NaOH} = {\mathrm{Na}}_3\left[\mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_6\right]$.

Химические свойства амфотерных органических соединений

В органической химии типичные амфотерные соединения — аминокислоты, общая формула которых ($\alpha$-аминокислот) такова:

Основные свойства обусловлены наличием аминогруппы, которая является акцептором протонов ${\mathrm{Н}}^{+},$ а кислотные свойства обеспечивает карбоксильная группа, которая является донором протонов ${\mathrm{Н}}^{+}.$

Реакции по карбоксильной группе

Именно амфотерность аминокислот обусловливает их наиболее характерные свойства.

Кислотные свойства аминокислот проявляются в их способности взаимодействовать, например с основаниями, или вступать в реакцию этерификации с образованием сложных эфиров.

Решение

1. Запишем реакцию между аминоуксусной кислоты с гидроксидом натрия: 

${\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—\mathrm{COOH} + \mathrm{NaOH} \to {\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—\mathrm{COONa} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

                                               ^{P                                      P                                        Р}                                       

При взаимодействии аминоуксусной кислоты с гидроксидом натрия образуются натриевая соль аминоуксусной кислоты и вода.

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

${\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—{\mathrm{COO}}^{-}+{\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{Na}}^{+}+{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—{\mathrm{COO}}^{-}+{\mathrm{Na}}^{+}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

${\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{OH}}^{-} = {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Также аминокислоты в рамках амфотерности свойств реагируют со спиртами. Так, при взаимодействии аминоуксусной кислоты с метанолом образуются метиловый эфир аминоуксусной кислоты и вода: 

${\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—\mathrm{COOH} + {\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH} \to {\mathrm{NH}}_2—{\mathrm{CH}}_2—{\mathrm{COOCH}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.

Реакции по аминогруппе

Основные свойства аминокислот проявляются в их способности взаимодействовать с кислотами, образуя комплексные ионы по донорно-акцепторному механизму.

Решение

Запишем реакцию между аминоуксусной кислотой с соляной кислотой.

$\mathrm{HOOC}—{\mathrm{CH}}_2—{\mathrm{NH}}_2+\mathrm{HCl}\to [\mathrm{HOOC}—{\mathrm{CH}}_2—{\mathrm{NH}}_3]\mathrm{Cl}$

В результате реакции образуется комплексный ион по донорно-акцепторному механизму, то есть продуктом будет соль аминоуксусной кислоты.

Также амфотерность аминокислот проявляется в их способности в растворе образовывать в результате диссоциации диполярный ион — как бы внутреннюю соль.

Аминокислоты могут вступать в реакции друг с другом (реакции поликонденсации), образуя полипептиды и белки.

В результате протекающей реакции наблюдается образование пептидной связи (CO− NH).

Ответы

Упражнение 1

1) $\mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 + 3\mathrm{HCl} \to {\mathrm{CrCl}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

2) Al(OH)₃ + 3KOH → K₃AlO₃ + 3H₂O

Упражнение 2

Алюминий реагирует со щелочами, поэтому щёлочи нельзя хранить в алюминиевой посуде:

$2\mathrm{Al} + 6\mathrm{KOH} + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to 2{\mathrm{K}}_3\left[\mathrm{Al}{\left(\mathrm{OH}\right)}_6\right] + 3{\mathrm{H}}_2$.