Тема амфотерных веществ — одна из ключевых в неорганическом блоке ЕГЭ по химии. Ошибки здесь обычно возникают из-за непонимания того, как элементы реагируют в разных средах и окислительно-восстановительных процессах. Разберём химические свойства алюминия, бериллия, цинка и их соединений. После статьи ты поймёшь логику химических превращений и сможешь уверенно выполнять задания на эту тему.
Где эта тема встречается на ЕГЭ и что именно требуют
Тема амфотерных металлов охватывает сразу несколько заданий:
- задания 6 и 7: реакции в пробирках, выбор правильных реагентов (проверяют понимание растворимости и переходов между осадком и комплексной солью);
- задания 8 и 9: установление соответствия между реагентами и продуктами, цепочки неорганических превращений (упор на разницу протекания реакций в растворах и расплавах);
- задание 29: уравнения окислительно-восстановительных реакций (ОВР);
- задание 30: реакции ионного обмена (РИО), где часто встречается разрушение комплексов;
- задание 31: мысленный химический эксперимент, описывающий промышленные и лабораторные химические процессы.
Трудности чаще всего связаны с написанием комплексных солей, продуктами совместного гидролиза и действием кислот-окислителей.
Теоретическая основа: положение в таблице Менделеева и строение
Алюминий ($Al$), цинк ($Zn$) и бериллий ($Be$) находятся в разных группах Периодической системы Д. И. Менделеева, но обладают схожими амфотерными свойствами:
- бериллий ($Be$) — s-элемент главной подгруппы II группы, внешний уровень $2s^2$;
- алюминий ($Al$) — p-элемент главной подгруппы III группы, внешний уровень $3s^2 3p^1$. У него есть пустая d-орбиталь, что позволяет образовывать донорно-акцепторные связи в комплексах;
- цинк ($Zn$) — d-элемент побочной подгруппы II группы, внешний уровень $3d^{10} 4s^2$.
Физические свойства простых веществ типичны для металлов. Это твёрдые, хорошо проводящие тепло и электрический ток вещества серебристо-белого цвета (бериллий со стальным оттенком, цинк с голубоватым). Алюминий отличается высокой пластичностью и лёгкостью.
В соединениях элементы проявляют устойчивые степени окисления.
Таблица 1. Устойчивые степени окисления амфотерных металлов
| Элемент | Степень окисления | Оксид | Гидроксид | Пример комплексной соли |
|---|---|---|---|---|
| Бериллий | +2 | $BeO$ | $Be(OH)_2$ | $Na_2[Be(OH)_4]$ |
| Цинк | +2 | $ZnO$ | $Zn(OH)_2$ | $K_2[Zn(OH)_4]$ |
| Алюминий | +3 | $Al_2O_3$ | $Al(OH)_3$ | $Na[Al(OH)_4]$ |
Соединения этих элементов в их высшей (и единственной устойчивой) степени окисления всегда проявляют амфотерные свойства. Следовательно, они не выступают ни сильными окислителями, ни сильными восстановителями в этих состояниях. В виде простых веществ это восстановители.
Химические свойства простых веществ
Металлы отдают электроны, выступая типичными восстановителями. Рассмотрим специфику основных процессов.
Реакции с неметаллами
Металлы легко окисляются многими неметаллами при нагревании (с галогенами часто без нагревания):
$2Al + 3Cl_2 \rightarrow 2AlCl_3$
$Zn + S \rightarrow ZnS$
$4Al + 3C \rightarrow Al_4C_3$
(образуется карбид алюминия, или метанид)
$2Al + N_2 \rightarrow 2AlN$
$Be + Br_2 \rightarrow BeBr_2$
Алюминий и бериллий на воздухе мгновенно покрываются прочной оксидной плёнкой ($Al_2O_3,\, BeO$), защищающей их от дальнейшего окисления:
$4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$
Реакции с водой
Обычный кусочек алюминия не реагирует с водой из-за оксидной плёнки. Если плёнку удалить (например, протереть ртутью, создав амальгаму алюминия), реакция пойдёт при комнатной температуре с выделением водорода:
$2Al + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 + 3H_2\uparrow$
Цинк реагирует с водяным паром только при сильном нагревании. Продуктом будет оксид, так как при высоких температурах гидроксид разлагается:
$Zn + H_2O \rightarrow ZnO + H_2\uparrow$
Реакции с оксидами менее активных металлов (металлотермия)
Алюминий и цинк отнимают кислород у оксидов менее активных металлов (железа, меди, хрома). Алюминотермия — важнейший промышленный процесс:
$2Al + Fe_2O_3 \rightarrow Al_2O_3 + 2Fe$
$Zn + CuO \rightarrow ZnO + Cu$
Взаимодействие с кислотами-неокислителями
Металлы стоят в ряду напряжений до водорода, поэтому вытесняют его из растворов кислот-неокислителей:
$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$
$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$
Взаимодействие с кислотами-окислителями
Концентрированные серная и азотная кислоты взаимодействуют по другому механизму. Водород здесь не выделяется никогда.
Холодные концентрированные $HNO_3$ и $H_2SO_4$ пассивируют алюминий и бериллий. Реакция идёт только при нагревании.
$2Al + 6H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t^\circ} Al_2(SO_4)_3 + 3SO_2\uparrow + 6H_2O$
$Zn + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Zn(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$
При взаимодействии цинка с разбавленной азотной кислотой чаще всего образуется $N_2O$ или $NH_4NO_3$ — механизм зависит от концентрации.
Взаимодействие со щелочами
Это характерное свойство амфотерных металлов. Реакция идёт с выделением водорода.
Если используется раствор щёлочи, атом металла забирает гидроксид-ионы от воды и щёлочи, образуя объёмный растворимый комплекс:
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$
$Zn + 2KOH + 2H_2O \rightarrow K_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$
$Be + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Be(OH)_4] + H_2\uparrow$
Если реакция идёт при сплавлении твёрдого металла с твёрдой щёлочью без воды, комплекс образоваться не может. Возникают безводные соли (алюминаты, цинкаты, бериллаты):
$Zn + 2KOH(тв) \xrightarrow{t^\circ} K_2ZnO_2 + H_2\uparrow$
Реакции с солями менее активных металлов
Более активный металл вытесняет менее активный из раствора его соли:
$Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu\downarrow$
$2Al + 3FeCl_2 \rightarrow 2AlCl_3 + 3Fe\downarrow$
Оксиды амфотерных металлов ($Al_2O_3$, $ZnO$, $BeO$)
Это твёрдые тугоплавкие вещества белого цвета, практически нерастворимые в воде. Они не реагируют с водой.
Химия этих веществ строится на двойственной природе: они ведут себя и как основные оксиды, и как кислотные.
Реакции с кислотами и кислотными оксидами
Проявляют основные свойства, образуя соли и воду:
$ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O$
$Al_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O$
При сплавлении с сильными кислотными оксидами:
$ZnO + SO_3 \xrightarrow{t^\circ} ZnSO_4$
Реакции со щелочами и основными оксидами
Важнейшую роль играет среда проведения реакции.
В растворе образуются комплексные соли (осадок оксида растворяется):
$ZnO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$
$Al_2O_3 + 2KOH + 3H_2O \rightarrow 2K[Al(OH)_4]$
При сплавлении с основными оксидами или твёрдыми щелочами образуются средние соли:
$ZnO + Na_2O \xrightarrow{t^\circ} Na_2ZnO_2$
(цинкат натрия)
$Al_2O_3 + 2NaOH(тв) \xrightarrow{t^\circ} 2NaAlO_2 + H_2O\uparrow$
(метаалюминат натрия)
Реакции с солями летучих кислот (карбонатами, сульфитами)
Амфотерные оксиды при сильном нагревании способны вести себя как кислотные оксиды (подобно оксиду кремния) и вытеснять летучие оксиды из солей. Эта реакция идёт только при сплавлении:
$Al_2O_3 + Na_2CO_3 \xrightarrow{t^\circ} 2NaAlO_2 + CO_2\uparrow$
$ZnO + K_2SO_3 \xrightarrow{t^\circ} K_2ZnO_2 + SO_2\uparrow$
Гидроксиды амфотерных металлов ($Al(OH)_3,\, Zn(OH)_2,\, Be(OH)_2$)
Это белые объёмные (студенистые) осадки, нерастворимые в воде. Легко разлагаются при нагревании.
Термическое разложение
Как и все нерастворимые основания, они теряют воду:
$2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ} Al_2O_3 + 3H_2O$
$Zn(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} ZnO + H_2O$
Амфотерные свойства
Белые осадки растворяются в кислотах и в щелочах.
Проявление основных свойств:
$Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$
Проявление кислотных свойств в растворе избытка щёлочи (образование комплекса):
$Zn(OH)_2 + 2KOH \rightarrow K_2[Zn(OH)_4]$
$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$
При сплавлении с твёрдой щёлочью:
$Zn(OH)_2 + 2NaOH(тв) \xrightarrow{t^\circ} Na_2ZnO_2 + 2H_2O\uparrow$
Соли алюминия, цинка и бериллия
Большинство нитратов, галогенидов (кроме фторидов) и сульфатов хорошо растворимы в воде. Растворы солей бесцветны, если второй ион не имеет собственной окраски.
Совместный (взаимный) гидролиз
Алюминий — классический элемент для проверки знания совместного гидролиза. Если слить раствор растворимой соли алюминия с раствором карбоната, сульфита или сульфида, произойдёт взаимное усиление гидролиза.
Карбонатов, сульфитов и сульфидов алюминия в водном растворе не существует.
Вместо образования ожидаемой средней соли выпадает осадок $Al(OH)_3$ и выделяется газ. Вода выступает полноценным реагентом в левой части уравнения:
$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaCl$
$Al_2(SO_4)_3 + 3K_2S + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow + 3K_2SO_4$
Таблица 2. Продукты совместного гидролиза солей $Al^{3+}$
| Ион-партнёр | Реагент (водный) | Осадок | Газ |
|---|---|---|---|
| $CO_3^{2-}$ | $Na_2CO_3,\, K_2CO_3$ | $Al(OH)_3$ (белый) | $CO_2$ (без запаха) |
| $SO_3^{2-}$ | $Na_2SO_3,\, K_2SO_3$ | $Al(OH)_3$ (белый) | $SO_2$ (резкий запах) |
| $S^{2-}$ | $Na_2S,\, K_2S$ | $Al(OH)_3$ (белый) | $H_2S$ (запах тухлых яиц) |
Разрушение комплексных солей
Комплексные соли (например, $Na[Al(OH)_4]$) образованы в щелочной среде. Любое добавление кислоты разрушает их. Продукты кардинально зависят от силы кислоты и её количества.
Разрушение сильной кислотой ($HCl,\, HNO_3,\, H_2SO_4$)
Если добавить мало кислоты (недостаток), она свяжет лишнюю щёлочь. Комплекс развалится до амфотерного гидроксида:
$Na[Al(OH)_4] + HCl(недостаток) \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaCl + H_2O$
Если прилить кислоту в избытке, амфотерный гидроксид растворится, образуя обычную среднюю соль. Осадок не появится или мгновенно исчезнет:
$Na[Al(OH)_4] + 4HCl(избыток) \rightarrow AlCl_3 + NaCl + 4H_2O$
Разрушение слабой кислотой (или кислотным оксидом $CO_2,\, SO_2,\, H_2S$)
Слабые кислоты не могут растворить образовавшийся амфотерный гидроксид. Он выпадает в осадок даже при бесконечном пропускании газа. Щелочной металл образует кислую соль (из-за избытка газа):
$Na[Al(OH)_4] + CO_2(изб.) \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaHCO_3$
$K_2[Zn(OH)_4] + 2SO_2(изб.) \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2KHSO_3$
$Na[Al(OH)_4] + H_2S(изб.) \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + NaHS + H_2O$
В реакции цинкового комплекса с сероводородом выпадает осадок сульфида цинка $ZnS$.
Обобщим все переходы в компактной таблице.
Таблица 3. Обобщающая схема переходов алюминия и цинка в водных растворах
| Исходное вещество | Реагент | Конечный продукт | Визуальный признак |
|---|---|---|---|
| Соль ($AlCl_3$) | Щёлочь (недостаток) | $Al(OH)_3$ | Образование белого осадка |
| Соль ($AlCl_3$) | Щёлочь (избыток) | $Na[Al(OH)_4]$ | Осадок растворяется; раствор прозрачный |
| Комплекс ($Na[Al(OH)_4]$) | Кислота сильная (избыток) | $AlCl_3 + NaCl$ | Раствор остаётся прозрачным |
| Комплекс ($Na[Al(OH)_4]$) | $CO_2,\, SO_2$ или слабая к-та | $Al(OH)_3 \downarrow$ | Выпадение белого осадка |
Типичные ошибки ЕГЭ
В бланках ответов часто встречаются ошибки, приводящие к потере баллов:
- Запись карбоната алюминия при сплавлении амфотерного оксида с карбонатом. Знакомясь с реакциями обмена, часто пишут $Al_2O_3 + 3Na_2CO_3 \rightarrow Al_2(CO_3)_3 + 3Na_2O$. Правильный подход: карбонат при сильном нагревании отдаёт $CO_2$, а кислотный остаток образуется из амфотерного металла: $Al_2O_3 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaAlO_2 + CO_2\uparrow$.
- Сохранение комплексной соли при избытке сильной кислоты. Нельзя писать $Na[Al(OH)_4] + 4HNO_3 \rightarrow Al(OH)_3 + NaNO_3 + 3HNO_3$. Гидроксид растворяется в кислоте, и оба металла превращаются в нитраты: $Na[Al(OH)_4] + 4HNO_3 \rightarrow Al(NO_3)_3 + NaNO_3 + 4H_2O$.
- Образование сульфида алюминия в водном растворе. Запись $2AlCl_3 + 3Na_2S \rightarrow Al_2S_3\downarrow + 6NaCl$ неверна. Нужно учитывать совместный гидролиз, так как $Al_2S_3$ полностью разлагается водой: $2AlCl_3 + 3Na_2S + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow + 6NaCl$.
Примеры заданий из ЕГЭ
Давайте закрепим теорию, решив типичные экзаменационные задания.
Пример 1
В одну из пробирок с осадком гидроксида алюминия добавили сильную кислоту X, а в другую — раствор вещества Y. В результате в каждой из пробирок наблюдали растворение осадка. Из предложенного перечня выберите вещества X и Y.
- Бромоводородная кислота.
- Гидросульфид натрия.
- Сероводородная кислота.
- Гидроксид калия.
- Гидрат аммиака.
- Исходное вещество — амфотерный осадок $Al(OH)_3$. Он растворяется в сильных кислотах и сильных щелочах.
- Ищем вещество X (сильная кислота). В списке есть бромоводородная кислота ($HBr$) и сероводородная ($H_2S$). Сероводородная — слабая, осадки она не растворяет. Бромоводородная — сильная: $Al(OH)_3 + 3HBr \rightarrow AlBr_3 + 3H_2O$. Значит, X = 1.
- Ищем вещество Y. Нужно вещество, растворяющее амфотерный осадок в водной среде. Это сильная щёлочь. Из списка подходит $KOH$. Гидрат аммиака — слабое основание, оно осадок алюминия не растворяет. А $KOH$ растворит осадок с образованием комплекса: $Al(OH)_3 + KOH \rightarrow K[Al(OH)_4]$. Значит, Y = 4.
Ответ: 14.
Пример 2
Установите соответствие между реагирующими веществами и продуктами:
A) $Al + HNO_3 (разб.)$
Б) $Al_2O_3 + HNO_3 (разб.)$
В) $KNO_3 + Al(изб.) + KOH + H_2O$
Варианты ответа:
- $KAlO_2 + N_2$.
- $K[Al(OH)_4] + NH_3$.
- $Al(NO_3)_3 + H_2O$.
- $Al(NO_3)_3 + NH_4NO_3 + H_2O$.
- Буква А. Алюминий реагирует с разбавленной азотной кислотой без выделения водорода. С активными металлами разбавленная азотная кислота восстанавливается до нитрата аммония: $8Al + 30HNO_3 \rightarrow 8Al(NO_3)_3 + 3NH_4NO_3 + 9H_2O$. Ответ для А — 4.
- Буква Б. Оксид алюминия и азотная кислота. Это обычная реакция обмена амфотерного оксида с кислотой: $Al_2O_3 + 6HNO_3 \rightarrow 2Al(NO_3)_3 + 3H_2O$. Ответ для Б — 3.
- Буква В. Восстановление нитратов активными металлами в щелочной среде. Алюминий растворяется в щёлочи, переводя азот в минимальную степень окисления (состояние аммиака). Из-за присутствия воды образуется комплекс: $8Al + 3KNO_3 + 5KOH + 18H_2O \rightarrow 8K[Al(OH)_4] + 3NH_3\uparrow$. Ответ для В — 2.
Ответ: 432.
Пример 3
Задана схема превращений веществ:
$Al \xrightarrow{X} K[Al(OH)_4] \xrightarrow{Y} Al(OH)_3$
Определите вещества X и Y из списка:
- $KOH(р-р)$.
- $K_2O$.
- $CO_2$.
- $KOH(расплав)$.
- $HCl(избыток)$.
- Первый переход. Из алюминия нужно получить комплексную соль. Комплексные соли образуются только в водном растворе (расплавы дают алюминаты). Значит, реагент X — раствор гидроксида калия: $2Al + 2KOH + 6H_2O \rightarrow 2K[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$. X = 1.
- Второй переход. Из комплекса получаем осадок гидроксида алюминия. Для разрушения с выпадением осадка нужна либо слабая кислота (и её оксиды), либо недостаток сильной. Избыток $HCl$ перевёл бы соль в хлорид, а $CO_2$ подходит идеально: $K[Al(OH)_4] + CO_2 \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + KHCO_3$. Y = 3.
Ответ: 13.
Заключение
Химические свойства амфотерных металлов — объёмная тема, но теперь ты понимаешь логику их реакций. Раствор или расплав, избыток или недостаток реагента — эти уточнения в условиях заданий больше не введут тебя в заблуждение. Кроме того, ты умеешь писать реакции разрушения комплексных солей и предсказывать продукты совместного гидролиза. Чтобы закрепить тему и довести навык до автоматизма, рекомендуем решить 8–10 заданий из нашего банка заданий.
