Кислотность и амфотерность
Растворение в кислотах
Почему мел растворяется в соляной кислоте? Ионы \(\ce{H+}\) связывают карбонат-ионы с образованием слабой угольной кислоты, поэтому концентрация \([\ce{CO3^2-}]\) уменьшается. Произведение концентраций ионов соли в растворе называют ионным произведением \(Q\), а его значение при равновесии с осадком — произведением растворимости \(K_s\). Когда \(Q\) становится меньше \(K_s\), осадок растворяется. По той же причине кислоты могут растворять соли других слабых кислот: сульфиды, фосфаты, оксалаты и фториды.
Для сульфидов можно оценить, насколько далеко протекает растворение, по константе следующего равновесия:
Здесь \(K_1\) и \(K_2\) — константы двух ступеней диссоциации сероводорода, а \(K\) — константа записанного равновесия. Чем больше \(K\), тем легче сульфид растворяется в кислоте. Поэтому свойства сульфидов в \(\ce{HCl}\) заметно различаются:
| Сульфид | \(K_s\) | \(K\) | В \(\ce{HCl}\) |
|---|---|---|---|
| \(\ce{MnS}\) | \(2{,}5\cdot10^{-10}\) | \(10^{10}\) | Сульфид растворяется. |
| \(\ce{FeS}\) | \(5\cdot10^{-18}\) | 400 | Сульфид растворяется. |
| \(\ce{ZnS}\) | \(2{,}5\cdot10^{-22}\) | 0,02 | Сульфид растворяется в избытке кислоты. |
| \(\ce{CuS}\) | \(6\cdot10^{-36}\) | \(5\cdot10^{-16}\) | Сульфид не растворяется. |
| \(\ce{HgS}\) | \(1{,}6\cdot10^{-52}\) | \(10^{-32}\) | Сульфид не растворяется. |
Таким образом, одной соляной кислоты недостаточно для растворения \(\ce{CuS}\) и \(\ce{HgS}\). Однако сульфид можно растворить и другим способом: окислить сульфид-ион или связать катион металла в устойчивый комплекс. Различие между этими способами показывают следующие реакции.
scienceСпособы растворения сульфидов
- \(\ce{FeS + 2HCl -> FeCl2 + H2S ^}\) — при действии соляной кислоты на сульфид железа выделяется сероводород; эту реакцию используют для его получения в аппарате Киппа.
- \(\ce{3CuS + 8HNO3 -> 3Cu(NO3)2 + 3S v + 2NO ^ + 4H2O}\) — азотная кислота окисляет сульфид-ион до серы, поэтому сульфид меди растворяется.
- \(\ce{3HgS + 2HNO3 + 12HCl -> 3H2[HgCl4] + 3S v + 2NO ^ + 4H2O}\) — киноварь растворяется в царской водке: сульфид-ион окисляется, а ртуть связывается в хлоридный комплекс.
- \(\ce{Ag2S + 4NaCN -> 2Na[Ag(CN)2] + Na2S}\) — при действии цианида натрия серебро связывается в комплекс, и сульфид растворяется без участия кислоты.
Амфотерные гидроксиды
Гидроксид, способный растворяться и в кислоте, и в щёлочи, называют амфотерным. Однако причины растворения в этих двух случаях различны.
- В кислоте ионы водорода связывают гидроксогруппы осадка с образованием воды. Такой процесс называют протонированием: \(\ce{Al(OH)3 + 3H+ -> Al^3+ + 3H2O}\).
- В щёлочи гидроксид-ион присоединяется к атому металла. При этом образуется растворимый гидроксокомплекс: \(\ce{Al(OH)3 + OH- -> [Al(OH)4]-}\).
Поэтому зависимость растворимости гидроксида алюминия от pH имеет U-образную форму. В кислой области увеличивается концентрация \(\ce{Al^3+}\), а в щелочной — концентрация \(\ce{[Al(OH)4]-}\). Между этими областями растворимость минимальна; для приведённой модели минимум находится около pH 6.
![Растворимость Al(OH)3 в зависимости от pH (модель: Ks = 10-32, константа образования алюмината 10). В кислой области преобладает Al3+, в щелочной — [Al(OH)4]-; в области выше кривой выпадает осадок.](/inorganic/fig/m10-alph.svg?v=62dbf0a4)
Образование гидроксокомплексов характерно не только для алюминия. Следующие реакции показывают, какие вещества получаются при растворении других амфотерных гидроксидов в щёлочи.
scienceАмфотерные гидроксиды в щёлочи
- \(\ce{Zn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Zn(OH)4]}\) — при взаимодействии гидроксида цинка со щёлочью образуется тетрагидроксоцинкат натрия.
- \(\ce{Cr(OH)3 + 3NaOH -> Na3[Cr(OH)6]}\) — при взаимодействии гидроксида хрома(III) со щёлочью образуется изумрудно-зелёный раствор гидроксокомплекса.
- \(\ce{Be(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Be(OH)4]}\) — гидроксид бериллия реагирует со щёлочью, поскольку бериллий, в отличие от магния, проявляет амфотерность.
- \(\ce{Sn(OH)2 + 2NaOH -> Na2[Sn(OH)4]}\) — при взаимодействии гидроксида олова(II) со щёлочью образуется станнит; он является сильным восстановителем и превращает соли висмута в чёрный висмут.
Растворение гидроксидов в аммиаке нужно отличать от их растворения в щёлочи. В этом случае некоторые металлы связывают молекулы аммиака и образуют аммиакаты — комплексы с аммиаком. Это различие позволяет разделить цинк и алюминий.
boltРазделение цинка и алюминия
Оба гидроксида растворяются в щёлочи. Однако в избытке аммиака из этих двух гидроксидов растворяется только гидроксид цинка: он образует аммиакат по реакции \(\ce{Zn(OH)2 + 4NH3 -> [Zn(NH3)4](OH)2}\). \(\ce{Al(OH)3}\) аммиакатов не образует и остаётся в осадке. В аммиаке также растворяются \(\ce{Cu(OH)2}\) с образованием васильково-синего раствора и \(\ce{Ni(OH)2}\). Осадок серебра также растворяется в аммиаке, однако вместо неустойчивого \(\ce{AgOH}\) исходным соединением служит \(\ce{Ag2O}\).
Не следует смешивать действие аммиака с действием солей аммония. В следующем случае гидроксид растворяется потому, что ион аммония связывает гидроксид-ионы.
errorРастворение в солях аммония
Гидроксид магния растворяется в солях аммония (\(\ce{Mg(OH)2 + 2NH4Cl -> MgCl2 + 2NH3 + 2H2O}\)): ионы \(\ce{NH4+}\) связывают гидроксид-ионы с образованием слабого основания. Гидроксид железа(III) таким способом не растворяется, поскольку его \(K_s\) слишком мала.
Амфотерность в расплавах и технологии алюминия
Амфотерность проявляется и при сплавлении веществ. Амфотерные оксиды реагируют со щелочами и карбонатами как кислотные оксиды; при этом образуются безводные соли — алюминаты и цинкаты. В растворе, напротив, алюминий образует гидроксокомплекс. Это различие видно из следующих реакций.
scienceРеакции при сплавлении и в растворе
- \(\ce{Al2O3 + 2NaOH ->[t] 2NaAlO2 + H2O}\) — при сплавлении оксида алюминия со щёлочью образуется метаалюминат натрия.
- \(\ce{Al2O3 + Na2CO3 ->[t] 2NaAlO2 + CO2 ^}\) — при сплавлении оксида алюминия с содой образуется метаалюминат натрия и выделяется углекислый газ.
- \(\ce{ZnO + 2NaOH ->[t] Na2ZnO2 + H2O}\) — при сплавлении оксида цинка со щёлочью образуется цинкат.
- \(\ce{2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}\) — щёлочь растворяет оксидную плёнку на алюминии, после чего металл восстанавливает воду с выделением водорода.
- \(\ce{Na[Al(OH)4] + CO2 -> Al(OH)3 v + NaHCO3}\) — углекислый газ вызывает осаждение гидроксида алюминия; избыток углекислого газа не растворяет осадок, поскольку угольная кислота слишком слабая.
Растворение соединений алюминия в щёлочи используют для получения глинозёма из боксита. Этот процесс называют способом Байера. Боксит представляет собой гидратированный \(\ce{Al2O3}\) с примесями \(\ce{Fe2O3}\) и \(\ce{SiO2}\). Его обрабатывают горячим раствором \(\ce{NaOH}\) под давлением: алюминий переходит в раствор в форме \(\ce{Na[Al(OH)4]}\), а оксид железа остаётся в нерастворимом остатке, который называют красным шламом. Затем раствор охлаждают и вносят затравку, чтобы выделить чистый \(\ce{Al(OH)3}\). Полученный гидроксид 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 появления электролиза (1886) алюминий получали восстановлением хлорида натрием. Поначалу металл стоил дороже золота. Согласно известному рассказу, Наполеон III подавал самым почётным гостям приборы из алюминия, а остальным — из золота. В 1884 году шапку памятника Вашингтону отлили из алюминия как из ценного тогда металла.
push_pinГлавное
Соль слабой кислоты может растворяться в сильной кислоте, если константа равновесия \(K = K_s/(K_1K_2)\) достаточно велика: \(\ce{FeS}\) и \(\ce{ZnS}\) растворяются в \(\ce{HCl}\), тогда как для растворения \(\ce{CuS}\) и \(\ce{HgS}\) в приведённых примерах требуется окисление сульфид-иона азотной кислотой или царской водкой. Амфотерные гидроксиды металлов \(\ce{Al}\), \(\ce{Zn}\), \(\ce{Be}\), \(\ce{Cr(III)}\), \(\ce{Sn}\) и \(\ce{Pb}\) растворяются в кислотах благодаря протонированию гидроксогрупп, а в щелочах — благодаря образованию гидроксокомплексов; при промежуточном pH их растворимость минимальна. Аммиак позволяет отличить \(\ce{Al(OH)3}\) от гидроксидов металлов, образующих аммиакаты, в частности \(\ce{Zn}\), \(\ce{Cu}\) и \(\ce{Ni}\); в аммиаке растворяется также соединение \(\ce{Ag}\), осаждающееся в виде оксида.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.