Кислотность и амфотерность
Растворение в кислотах
Почему мел растворяется в соляной кислоте? Ион \(\ce{H+}\) связывает карбонат в слабую кислоту, \([\ce{CO3^2-}]\) падает, \(Q\) становится меньше \(K_s\), и осадок растворяется. Так же ведут себя соли других слабых кислот: сульфиды, фосфаты, оксалаты, фториды.
Для сульфидов удобна итоговая константа:
| Сульфид | \(K_s\) | \(K\) | В \(\ce{HCl}\) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{MnS}\) | \(2{,}5\cdot10^{-10}\) | \(10^{10}\) | растворяется |
| \(\ce{FeS}\) | \(5\cdot10^{-18}\) | 400 | растворяется |
| \(\ce{ZnS}\) | \(2{,}5\cdot10^{-22}\) | 0,02 | растворяется в избытке |
| \(\ce{CuS}\) | \(6\cdot10^{-36}\) | \(5\cdot10^{-16}\) | не растворяется |
| \(\ce{HgS}\) | \(1{,}6\cdot10^{-52}\) | \(10^{-32}\) | не растворяется |
Сульфид меди растворяется только тогда, когда сульфид-ион не просто связывается, а окисляется:
scienceКак растворяют «нерастворимые» сульфиды
- \(\ce{FeS + 2HCl -> FeCl2 + H2S ^}\) — лабораторный способ получения сероводорода (аппарат Киппа).
- \(\ce{3CuS + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 3S v + 2NO ^ + 4H2O}\) — окисление сульфида азотной кислотой.
- \(\ce{3HgS + 2HNO3 + 12HCl -> 3H2[HgCl4] + 3S v + 2NO ^ + 4H2O}\) — киноварь поддаётся лишь царской водке: окисление плюс связывание ртути в хлоридный комплекс.
- \(\ce{Ag2S + 4NaCN -> 2Na[Ag(CN)2] + Na2S}\) — комплексообразование вместо кислоты.
Амфотерные гидроксиды
Амфотерный гидроксид растворяется и в кислоте, и в щёлочи — но по-разному:
- в кислоте — протонирование гидроксид-ионов: \(\ce{Al(OH)3 + 3H+ -> Al^3+ + 3H2O}\);
- в щёлочи — образование гидроксокомплекса: \(\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}\).
Поэтому растворимость зависит от pH U-образно: в кислой области растёт количество \(\ce{Al^3+}\), в щелочной — \(\ce{[Al(OH)4]-}\), а минимум лежит около pH 6.
![Растворимость Al(OH)3 в зависимости от pH (модель: Ks = 10-32, константа образования алюмината 10): слева преобладает Al3+, справа — [Al(OH)4]-, выше кривой выпадает осадок](/inorganic/fig/m10-alph.svg?v=62dbf0a4)
scienceАмфотерные гидроксиды в щёлочи
- \(\ce{Zn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Zn(OH)4]}\) — тетрагидроксоцинкат.
- \(\ce{Cr(OH)3 + 3NaOH -> Na3[Cr(OH)6]}\) — изумрудно-зелёный раствор.
- \(\ce{Be(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Be(OH)4]}\) — бериллий амфотерен, в отличие от магния.
- \(\ce{Sn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Sn(OH)4]}\) — станнит, сильный восстановитель: превращает соли висмута в чёрный висмут.
boltРазделение цинка и алюминия
Оба гидроксида растворяются в щёлочи. Но в избытке аммиака растворяется только гидроксид цинка — он образует аммиакат: \(\ce{Zn(OH)2 + 4NH3 -> [Zn(NH3)4](OH)2}\). \(\ce{Al(OH)3}\) аммиакатов не даёт и остаётся в осадке. Так же в аммиаке растворяются \(\ce{Cu(OH)2}\) (васильково-синий раствор), \(\ce{Ni(OH)2}\), \(\ce{AgOH}\) (\(\ce{Ag2O}\)).
errorРастворение в солях аммония
\(\ce{Mg(OH)2 + 2NH4Cl -> MgCl2 + 2NH3 + 2H2O}\) — гидроксид магния растворяется в солях аммония: \(\ce{NH4+}\) связывает гидроксид-ионы в слабое основание. Гидроксид железа(III) этого не делает — его \(K_s\) слишком мала.
Амфотерность в расплавах и технологии алюминия
В расплаве амфотерные оксиды ведут себя как кислотные и реагируют со щелочами и карбонатами, образуя безводные соли — алюминаты, цинкаты:
scienceРеакции при сплавлении и в растворе
- \(\ce{Al2O3 + 2NaOH ->[t] 2NaAlO2 + H2O}\) — метаалюминат натрия.
- \(\ce{Al2O3 + Na2CO3 ->[t] 2NaAlO2 + CO2 ^}\) — сода вытесняет углекислый газ при сплавлении.
- \(\ce{ZnO + 2NaOH ->[t] Na2ZnO2 + H2O}\) — цинкат.
- \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — алюминий растворяется в щёлочи: плёнку оксида снимает щёлочь, а металл восстанавливает воду.
- \(\ce{Na[Al(OH)4] + CO2 -> Al(OH)3 v + NaHCO3}\) — углекислый газ осаждает гидроксид, но в избытке его не растворяет: угольная кислота слишком слабая.
Способ Байера. Боксит (гидратированный \(\ce{Al2O3}\) с примесью \(\ce{Fe2O3}\) и \(\ce{SiO2}\)) обрабатывают горячим раствором \(\ce{NaOH}\) под давлением: алюминий переходит в \(\ce{Na[Al(OH)4]}\), а оксид железа остаётся нерастворимым «красным шламом». Раствор охлаждают, вносят затравку — выпадает чистый \(\ce{Al(OH)3}\), который прокаливают до \(\ce{Al2O3}\) для электролиза.
history_eduБайер в Петербурге
Австриец Карл Йозеф Байер разработал свой способ в 1887–1888 годах, работая на Тентелевском химическом заводе в Санкт-Петербурге: там искали чистый глинозём для протрав текстильных красителей. Сегодня этим способом получают почти весь глинозём мира.
auto_awesomeДороже золота
До электролиза (1886) алюминий получали восстановлением хлорида натрием, и он стоил дороже золота. Наполеон III подавал самым почётным гостям приборы из алюминия, остальным — из золота. Шапку памятника Вашингтону в 1884 году отлили из алюминия как из драгоценного металла.
push_pinГлавное
Соль слабой кислоты растворяется в сильной кислоте, если \(K = K_s/(K_1K_2)\) не слишком мала: \(\ce{FeS}\) и \(\ce{ZnS}\) растворяются в \(\ce{HCl}\), \(\ce{CuS}\) и \(\ce{HgS}\) — только при окислении (азотная кислота, царская водка). Амфотерные гидроксиды (\(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Be}\), \(\ce{Cr(III)}\), \(\ce{Sn}\), \(\ce{Pb}\)) растворяются в кислотах (протонирование) и в щелочах (гидроксокомплексы); растворимость минимальна при промежуточном pH. Аммиак растворяет гидроксиды металлов, дающих аммиакаты (\(\ce{Zn}\), \(\ce{Cu}\), \(\ce{Ni}\), \(\ce{Ag}\)), но не \(\ce{Al(OH)3}\).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.