Amfoteryczność : tlenki i wodorotlenki

W ostatnim poście poznaliśmy związki kompleksowe, przez co zrozumienie kompleksów przyjdzie nam teraz z łatwością. Kiedy sam się uczyłem to myślałem sobie, że fajnie byłoby mieć w jednym miejscu spisane wszystkie możliwe reakcje tlenków i wodorotlenków, które są amfoteryczne. Mam zatem nadzieję, że komuś się to przyda!

1. Które tlenki i wodorotlenki są amfoteryczne ?

Zaczynamy od kluczowej kwestii, czyli ustalenia które tlenki i wodorotlenki są w ogóle amfoteryczne ? Zestawię je w tabeli, wraz z produktami reakcji z typowym kwasem (HCl) i zasadą (NaOH).

Wodorotlenek
amfoteryczny
Al(OH)3 Zn(OH)2 Cr(OH)3 Be(OH)2
Produkt reakcji
z kwasem (HCl)
AlCl3 ZnCl2 CrCl3 BeCl2
Produkt reakcji
z zasadą (NaOH)
Na[Al(OH)4]
lub
Na3[Al(OH)6]
Na2[Zn(OH)4] Na[Cr(OH)4]
lub
Na3[Cr(OH)6]
Na2[Be(OH)4]
Podsumowanie wodorotlenków amfoterycznych

Mam nadzieję, że poradzisz sobie z przewidywaniem produktów reakcji wodorotlenku z innym kwasem? Przykładowo gdyby użyć HNO3 zamiast HCl to produktami będą odpowiednio : Al(NO3)3 , Zn(NO3)2 , Cr(NO3)3 , Be(NO3)2 .

I teraz najlepsza wiadomość na świecie. Tlenki amfoteryczne to będą dokładnie te same, co wodorotlenki! Czyli będzie to tlenek glinu, cynku, chromu (III) oraz berylu! Przecież z tlenku do wodorotlenku to właściwie tylko jeden krok!

Tlenek
amfoteryczny
Al2O3 ZnO Cr2O3 BeO
Produkt reakcji
z kwasem (HCl)
AlCl3 ZnCl2 CrCl3 BeCl2
Produkt reakcji
z zasadą (NaOH)
Na[Al(OH)4]
lub
Na3[Al(OH)6]
Na2[Zn(OH)4] Na[Cr(OH)4]
lub
Na3[Cr(OH)6]
Na2[Be(OH)4]
Cała tabelka z tlenkami wygląda identycznie jak z wodorotlenkami! Jesteśmy uratowani, nie ma tego aż tak dużo!

2. Amfoteryczność wodorotlenków

Zaczynamy od amfoteryczności wodorotlenków, ponieważ jest ona dużo łatwiejsza. Jak już wiemy związki amfoteryczne będą reagowały zarówno z mocnymi kwasami jak i mocnymi zasadami.

Reakcje wodorotlenków z kwasami niczym absolutnie nie różnią się od reakcji ,,normalnych wodorotlenków„. Jest to oczywiście reakcja zobojętnienia (do zasady dodajemy kwas, więc nie dziwi nas powstawanie wody). Jedziemy zatem z dokładnymi równaniami reakcji dla wszystkich maturalnych czterech tlenków i czterech wodorotlenków.

Al(OH)3 +  3HCl  ⟶  AlCl3  +  3H2O

Zn(OH)2 +  2HNO3  ⟶  Zn(NO3)2   +  2H2O

Cr(OH)3 +  3HCl  ⟶  CrCl3  +  3H2O

Be(OH)2 +  H2SO4  ⟶  Be SO4   +  2H2O


Przechodzimy teraz dalej do reakcji wodorotlenków amfoterycznych z wodorotlenkiem, czyli reakcji pozornie nie mającej sensu. My z poprzedniego postu wiemy jednak, że należy do takiej reakcji podchodzić na zasadzie reakcji kwas−zasada Lewisa. Glin, cynk, chrom i beryl mają puste orbitale[1], na które chętnie przyjmą elektrony, a te będą pochodziły z grupy hydroksylowej (OH).

Al(OH)3 +  NaOH  ⟶   Na[Al(OH)4]

Cr(OH)3 +  KOH  ⟶   K[Cr(OH)4]

Zn(OH)2  +  2KOH  ⟶  K2[Zn(OH)4]

Al(OH)3 +  3NaOH  ⟶   Na3[Al(OH)6]

Cr(OH)3 +  3NaOH  ⟶   Na3[Cr(OH)6]

Be(OH)2  +  2NaOH  ⟶  Na2[Be(OH)4]

Czyli jaki widzimy w przypadku glinu i chromu mamy dwie możliwości jeśli chodzi o napisanie produktu. Obie wersje są równoważne. Co zatem pisać na maturze?

2015 maj – poziom rozszerzony.

Jak widzisz, będziesz mieć powiedziane w treści zadania.

Powyższe związki kompleksowe możesz sobie traktować jak takie mieszane wodorotlenki, w których jest mieszanina różnych kationów, np. (Na+ + Al3+ ) potrzebuje 4 grup OH aby cały związek był obojętny.

Być może kluczem do zrozumienia tych potwornych kompleksów będzie dla Ciebie rozbicie takiego związku (hipotetycznie) na części pierwsze, czyli pojedyncze jony.

3. Amfoteryczność tlenków

Jedziemy teraz z tlenkami amfoterycznymi. Ponownie zaczynamy od reakcji z kwasami (mocnymi) i jak widzisz celowo używam różnych kwasów, żebyś się nie przyzwyczaił do jednego.

Al2O3  +  6HCl  ⟶  2AlCl3  +  3H2O

ZnO  +  H2SO4   ⟶   ZnSO4  +  H2O

Cr2O3  +  3H2SO4 ⟶ Cr2(SO4)3  +  3H2O   

BeO  +  2HNO3  ⟶   Be( NO3)2   +  H2


Reakcje z zasadami będą wyglądać analogicznie, zmieni się jednak delikatnie bilans reakcji.

Al2O3  +  2NaOH  + 3H2O   ⟶   2Na[Al(OH)4

lub : Al2O3  +  6NaOH  + 3H2O   ⟶   2Na3[Al(OH)6]

Cr2O3  +  2NaOH  + 3H2O   ⟶   2Na[Cr(OH)4

lub : Cr2O3  +  6NaOH  + 3H2O   ⟶   2Na3[Cr(OH)6]

ZnO  +  2NaOH  +  H2O  ⟶  Na2[Zn(OH)4]

BeO  +  2NaOH  +  H2O  ⟶  Na2[Be(OH)4]

I tyle! Wszystkie reakcje jeśli chodzi o amfoteryczność w jednym miejscu. Ale idziemy o krok dalej!

4. Roztwarzanie cynku i glinu w zasadzie

Te związki kompleksowe pojawiają się jeszcze w reakcji roztwarzania glinu oraz cynku w zasadzie, czyli typowo będzie to NaOH lub KOH. Jest to wówczas reakcja redoks, zauważ że glin utlenia się ze stopnia utlenienia 0 do +III, natomiast cynk przechodzi z zera do +II. Redukuje się natomiast w obu przypadkach wodór z +I do zera, a dla nas przy okazji radosna nowina, bo wydziela się gaz, a zatem mamy co pisać w obserwacjach!

2Al  +  2NaOH  +  6H2O  ⟶  2Na[Al(OH)4] + 3H2

Zn  +  2NaOH  +  2H2O   ⟶   Na2Zn(OH)4  +  H2 

Będę trochę wredny i jeszcze Wam tu przemycę krzem :

Si  +  2NaOH  +  H2O  ⟶  Na2SiO3  + 2H2

Si  +  4NaOH   ⟶  Na4SiO4  + 2H2

Ta wredność z mojej strony polega tu na tym, że krzem akurat może dawać w tej reakcji dwa różne krzemiany. Obie wersje są poprawne.

5. Pozostałe sprawy

1. Czy wiesz, że z roztworu zawierającego jony glinu (III) po dodaniu amoniaku strąci się osad? 

Wierz lub nie, ale to serio ważna sprawa, tak zwany big deal. Podobnie jest z jonami cynku, gdzie też strącałby się biały osad wodorotlenku Zn(OH)2, który jest rozpuszczalny w nadmiarze amoniaku, z wytworzeniem bezbarwnego związku kompleksowego, podczas gdy Al(OH)3 jest nierozpuszczalny w nadmiarze amoniaku i dzięki temu te dwa kationy można od siebie odróżnić (dlatego to ważne).

Zn2+  +  2NH3 +  2H2O  ⟶  Zn(OH)2 ↓   +  2NH4+

Zn(OH)2 ↓  +  4NH3   ⟶  Zn(NH3)42++ 2OH

Al3+  +  3NH3 +  3H2O  ⟶  Al(OH)3 ↓   +  3NH4+

Al(OH)3 ↓   +   NH3 ⟶ nie rozpuszcza się!

2. Napisz równanie reakcji tetrahydroksyglinianu sodu z tlenkiem węgla (IV).

 2Na[Al(OH)4]  +  CO2  ⟶   2Al(OH)3  +  Na2CO3  +  H2

Przebieg tej reakcji może się wydawać dość skomplikowany na pierwszy rzut oka, dlatego można posłużyć się zapisem wyjściowego kompleksu tetrahydroksyglinianu sodu jako ,,mieszaninę” dwóch wodorotlenków : 

Na[Al(OH)4]  =  NaOH • Al(OH)3 

Jako że NaOH jest dobrze rozpuszczalnym wodorotlenkiem (i mocniejszą zasadą) to właśnie on zareaguje z kwasowym tlenkiem CO2 w sposób zwyczajny (znany Tobie ze szkoły) tworząc węglan sodu. Wodorotlenek glinu jest drugim produktem tej reakcji. Warto zapamiętać ten sposób jako jedną z metod ustalania produktów nieznanej reakcji.  

3.  Jaka jest zależność pomiędzy glinianem sodu a tetra−/heksahydroksyglinianem sodu?

W tego typu zadaniach należy szukać prostych cząsteczek ukrytych we wzorach sumarycznych : typowo szukamy cząsteczek wody, tlenków, wodorotlenków, amoniaku. Łatwo wówczas zauważyć, że glinian sodu NaAlO2  to w rzeczywistości odwodniony kompleks Na[Al(OH)4] , analogicznie jak glinian Na3AlO3  to pochodna Na3[Al(OH)6]. W roztworze istnieją jony uwodnione, a zatem w reakcji Al + NaOH (wodny roztwór) najlepiej pisać jako produkty związki kompleksowe. Oczywiście istnieje podobna zależność pomiędzy cynkanami a  hydroksycynkanami itd.

Na[Al(OH)4] − 2H2O  =  NaAlO2

Na3[Al(OH)6] − 3H2O  =  Na3AlO3 

Patrząc na sole oksoglinianowe[2] (warto znać takie określenie na tego typu związki) można mieć problem z ich zrozumieniem, ponieważ różnią się od typowych soli tym, ze atomem centralnym jest metal, gdzie zwykle jest to niemetal, np. siarka i fosfor w siarczanach czy fosforanach. Gdy jednak tylko zdamy sobie z tego sprawę, związki te nabierają większego znaczenia. Warto też (zupełnie schematycznie) pomóc sobie zapisując taki glinian w formie  (Na+)(Al3+)(2O2ー) , dzięki czemu stechiometria jest zrozumiała (i nie należy jej się uczyć na pamięć!).


[1] Jak się możesz domyślać puste orbitale mają nie tylko Be, Zn, Al oraz Cr, ale także masa innych pierwiastków, więc to nie jedyne przykłady amfoterycznych tlenków czy wodorotlenków. Nie idź jednak w drugą stronę, to z kolei nie jest jedyne kryterium, aby dany związek był amfoteryczny.

[2] No właśnie, o tym sobie jeszcze nie powiedzieliśmy. Zacznijmy od analizy nazwy : sole oksoglinianowe. Okso będzie oczywiście oznaczało tlen. Ogólnie w całej tej amfoteryczności moglibyśmy alternatywnie pisać sole oksoglinianowe jako produkty zamiast kompleksów z ligandami hydroksylowymi. Czyli przykładowo :

Zn  +  2NaOH   ⟶  Na2ZnO2  +  H2

ZnO  +  2NaOH   ⟶  Na2ZnO2  + H2O

Ten zapis jednak nie pojawia się już na maturze i odradzam jego stosowanie, natomiast na pewno warto się orientować, że coś takiego istnieje.  Możesz to traktować jak odwodnione (pozbawione wody) kompleksy.  

Leave a Reply

%d bloggers like this: