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: 

$$\underset{\mathrm{H}}{\mathrm{Al_2O_3}} + \underset{\mathrm{P}}{3\,\mathrm{HCl}} = \underset{\mathrm{P}}{\mathrm{AlCl_3}} + \underset{\mathrm{H}}{3\,\mathrm{H_2O}}$$

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

$Al_{2} O_{3} + 6 Cl^{-} + 6 H^{+} = 2 Al^{3 +} + 6 Cl^{-} + 3 H_{2} O$. 

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

$Al_{2} O_{3} + 6 H^{+ } = 2 Al^{3 +} + 3 H_{2} O$.

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:

$2 Cr \left( OH \right)_{3} \rightarrow Cr_{2} O_{3} + 3 H_{2} O$.

Взаимодействие со 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:

$Zn \left( OH \right)_{2} + 2 HCl = ZnCl_{2} + 2 H_{2} O$. 

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 $H_{2} ZnO_{2}$ — цинковая кислота. Тогда $ZnO_{2}$ будет иметь заряд 2- и будет выступать кислотным остатком с названием «цинкат». А раз это кислота, значит, будет реагировать со 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: 

$$\underset{\mathrm{H}}{\mathrm{Zn(OH)_2}} + \underset{\mathrm{P}}{2\,\mathrm{NaOH}} = \underset{\mathrm{P}}{\mathrm{Na_2ZnO_2}} + \underset{\mathrm{H}}{2\,\mathrm{H_2O}}$$

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

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

$Zn \left( OH \right)_{2} + 2 Na^{+} + 2 OH^{-} = \left(ZnO_{2}\right)^{2 -} + 2 Na^{+} + 2 H_{2} O$. 

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

$Zn \left( OH \right)_{2} + 2 OH^{-} = \left(ZnO_{2}\right)^{2 -} + 2 H_{2} O$.

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

$3 ZnO + 6 NaOH = 3 Na_{2} ZnO_{2} + 3 H_{2} O$.

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 — $Na_{3} [ Fe \left( OH \right)_{6} \left]\right.$, где $6$ — координационное число, которое находится по формуле: $n \cdot 2$ ($n$ — валентность амфотерного металла). Комплексные соли образуются как в результате реакции с оксидами, так и гидроксидами амфотерных металлов:

$ZnO + 2 NaOH + H_{2} O = Na_{2} \left[Zn \left(OH\right)_{4}\right]$,

$Cr \left(OH\right)_{3} + 3 NaOH = Na_{3} \left[Cr \left(OH\right)_{6}\right]$.

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 $H^{+} ,$ а кислотные свойства обеспечивает карбоксильная группа, которая является донором протонов $H^{+} .$

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 кислотой и гидроксидом натрия:                                      $$\underset{\mathrm{P}}{\mathrm{NH_2-CH_2-COOH}} + \underset{\mathrm{P}}{\mathrm{NaOH}} \rightarrow \underset{\mathrm{P}}{\mathrm{NH_2-CH_2-COONa}} + \underset{\mathrm{H}}{\mathrm{H_2O}}$$

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

2. Запишем реакцию в полном ионном виде:

$$\displaylines{NH_2—CH_2—COO^{-}+H^{+}+Na^{+}+OH^{-}\rightarrow\\ \rightarrow NH_2—CH_2—COO^{-}+Na^{+}+H_2O}$$

3. Запишем сокращённое ионное уравнение: 

$H^{+} + OH^{-} = H_{2} O$.

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

$NH_{2} — CH_{2} — COOH + CH_{3} OH \rightarrow NH_{2} — CH_{2} — COOCH_{3} + H_{2} O$.

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 и соляной кислотой.

$HOOC — CH_{2} — NH_{2} + HCl \rightarrow [ HOOC — CH_{2} — NH_{3} \left]\right. Cl$

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).

Упражнение 1

1) $Cr \left( OH \right)_{3} + 3 HCl \rightarrow CrCl_{3} + 3 H_{2} O$

2) $Al \left(OH\right)_{3} + 3 KOH \rightarrow K_{3} AlO_{3} + 3 H_{2} O$

Упражнение 2

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

$2 Al + 6 KOH + 6 H_{2} O \rightarrow 2 K_{3} [ Al \left( OH \right)_{6} \left]\right. + 3 H_{2}$.