Простые вещества сходные с металлическими элементами по структуре и ряду химических и физических параметров называют амфотерными, т.е. это те элементы, проявляющие химическую двойственность. Надо отметить, что это не сами металли, а их соли или оксиды. К, примеру, оксиды некоторых металлов могут обладать двумя свойствами, при одних условиях они могут проявлять свойства присущие кислотам, в других, они ведут себя как щелочи.
К основным амфотерным металлам относят алюминий, цинк, хром и некоторые другие.
Термин амфотерность был введен в оборот в начале XIX века. В то время химические вещества разделяли на основании их сходных свойств, проявляющиеся при химических реакциях.
Основное понятие амфотерности
Что такое металлы и неметаллы – понять нетрудно. Металлы обладают восстановительными свойствами и в химической реакции отдают электроны. При этом, гидроксиды металлов – это основания. Неметаллы, напротив, являются окислителями и забирают электроны. Гидроксиды неметаллов – это кислоты.
Источник
Амфотерные соединения могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства в зависимости от реакционной среды. Гидроксиды таких атомов могут выступать в качестве кислот или оснований.
Получение
Для получения амфотерных металлов, ученые применяют тот же процесс, что при выделении нерастворимых в воде оснований. Перед проведением работ нужно получить больше информации о взаимодействии амфотерных соединений с щелочами, поскольку с помощью щелочного раствора будет выделяться металл.
Примеры:
- Для получения гидроксида цинка нужно смешать раствор сульфата цинка с гидроксидом натрия.
- Для получения гидроксида алюминия нужно смешать раствор сульфата алюминия с раствором гидроксида калия.
- Для получения трехвалентных гидроксидов хрома, алюминия нужно смешать раствор карбоната с раствором на основе солей этих металлов.
Гидроксид алюминия
Расположение амфотерных элементов в таблице Менделеева
В таблице Менделеева положение того или иного атома сообщает значительную часть информации о строении атома этого элемента и его химических свойствах. Периодической эта система называется, потому что в разных периодах (горизонтальные строчки) и группах (вертикальные столбцы) повторяется определенное качество элементов. Так, вся первая группа является щелочными металлами, а седьмая – галогенами (неметаллами), восьмая – инертными газами. Но, это характерно только для главной подгруппы. В побочной группе располагаются амфотерные элементы.
Строение атома амфотерных элементов
Особенность химических свойств амфотерных элементов связана со строением их атомов. У них происходит предзаполнение s-подуровня, из-за этого, незаполненным оказывается всегда d-подуровень. Все представители побочных подгрупп являются p- или d-элементами. В различных условиях может происходить перескок электронов с подуровней и увеличение неспаренных электронов.
Таблица. Строение атомов некоторых амфотерных элементов
Для некоторых из них характерен проскок электрона. Это состояние, при котором электрон с последнего уровня перескакивает на следующий. По этой причине оказывается неспаренным s-электрон.
Примеры амфотерных гидроксидов
К амфотерным относятся следующие гидроксиды:
большинство гидроксидов d-элементов:
гидроксид хрома(III)Cr(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Cr(OH)_{3}}}}, полигидрат оксида железа (III) Fe(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Fe(OH)_{3}}}}, гидроксид меди(II) Cu(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}}}}, гидроксид цинка Zn(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Zn(OH)_{2}}}}, гидроксид кадмия Cd(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Cd(OH)_{2}}}},
и др.;
ряд гидроксидов p-элементов:
гидроксид алюминия, Al(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Al(OH)_{3}}}}, гидроксид галлия, Ga(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Ga(OH)_{3}}}}, гидрат оксида олова(II), Sn(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Sn(OH)_{2}}}}, гидроксид свинца(II) Pb(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Pb(OH)_{2}}}},
и др.;
из гидроксидов s-элементов:
гидроксид бериллия Be(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Be(OH)_{2}}}};
формально к амфотерным гидроксидам может быть отнесена вода.
Представители амфотерных элементов
Все элементы побочных групп являются амфотерными и проявляют сходные химические свойства. Наиболее распространены в природе три элемента: Al, Zn и Cr.
Цинк как амфотерный элемент
Цинк — это относительно мягкий светло-серый металл. Является одним из самых распространенных амфотерных элементов. В природе цинк встречается в составе 66 минералов, наиболее распространенные представлены в таблице.
Таблица. Минералы, в состав которых входит Zn
Цинк является d-элементом.
1s22s22p63s23p63d104s2
Химические свойства цинка обусловлены наличием незаполненной p-обитали. С s-подуровня происходит перескок электрона, за счет чего появляется два неспаренных электрона: Zn* 1s22s22p63s23p63d104s14p1.
Алюминий как амфотерный элемент
Al является самым распространенных элементом не только среди металлов, но и во всей таблице Менделеева. Он занимает 3 место после кислорода (O2) и кремния (Si).
Это мягкое вещество серебристо-серого цвета с низкой температурой плавления. В природе встречается как в виде минералов, так и в виде самородков. Является примесью многих минералов.
Наиболее распространенные минералы, содержащие Al:
- Авгит ((Ca,Na)(Mg,Fe,Al,Ti)(Si,Al)2O6)
- Боксит (Al2O3xH2O)
- Нефелин (Элиолит) ((NaK)AlSiO4)
- Алунит (K2SO4Al2(SO4)3·4Al(OH)3)
- Силлиманит ((Al2O3)(SiO2))
- Корунд (Al2O3)
Последний минерал в зависимости от примесей имеет разный окрас. Применяется в ювелирном деле и считается полудрагоценным камнем.
Его атом содержит 13 электронов, распределенных по 3 электронным уровням: 1s22s22p63s23p1. Это р-элемент, у которого может происходить переход электрона с s-подуровня на свободную р-орбиталь. За счет этого, металл приобретает 3 неспаренных электрона: Al* 1s22s22p63s13p2
Какие элементы относятся к амфотерным?
Амфотерными называют — соединения, которые проявляют химическую двойственность. Они делятся на 3 группы:
- Оксиды — Cu2O, Cr2O, PbO2, PbO, SnO
- Гидроксиды — Al(OH)3, Fe(OH)3, Zn(OH)2.
К третьей группе относятся металлы — алюминий, медь, железо, цинк, бериллий, свинец и т. д. Они занимают значительную часть в периодической таблице Менделеева и находятся под порядковыми номерами — 22–32, 40–51. Другие идут по отдельности.
Представители металлов:
- Железо. Относится к группе амфотерных. Представляет собой простое вещество. Характерные свойства — серебристо-белый цвет, ковкость, универсальность. Если поместить железо в чистый кислород, оно полностью перегорит, а если сделать его мелкодисперсным, может произойти самовозгорание на открытом воздухе. Оксид железа образуется при его горении в среде, насыщенной чистым кислородом. Он представляет собой окалину.
- Алюминий. На открытом воздухе покрывается прочной оксидной пленкой, которая защищает его от образования ржавчины. Если раздробить его до мелких частиц, начинает взаимодействовать с кислородом. При контакте с кислородом выделяется большое количество тепла. Если нагреть алюминий до 200°C, он начинает взаимодействовать серой. В результате такой реакции образуется сульфид алюминия.
Амфотерные металлы — простые элементы, которые являются аналогами группы веществ металлического типа. Сходства можно увидеть в химических, физических свойствах.
Свойства металлов Al и Zn как простых веществ
Цинк – довольно плотный металл. Сохраняет свои качества в небольшом диапазоне температур: при низких значениях (до -30) становится хрупким, при температурах выше 1000 С очень пластичен. Это используется в металлургии, прокатывая цинковые листы толщиной несколько миллиметров (цинковая фольга). Некоторые примеси резко повышают хрупкость металла, поэтому используется очищенный материал.
Al – сильно пластичный легкий металл с низкой температурой плавления. Обладает высокой ковкостью и электропроводностью.
На воздухе он покрывается оксидной пленкой поэтому практически не подвергается коррозии. Благодаря этому он используется при изготовлении проводов и корпусов машинной техники.
Где используются амфотерные металлы?
Сферы применения:
- Изготовление деталей для сейсмических и скоростных датчиков, часовых механизмов, крутящего момента.
- Производство деталей для оборудования, которые будут взаимодействовать с агрессивными факторами.
- Армирование труб высокого давления.
- Кораблестроение, самолетостроение.
- Производство бытовых приборов, инструментов. К ним относятся столовые приборы, рулетки, бритвенные лезвия, посуда для кухни.
- Сборка видеозаписывающего оборудования.
С каждым годом появляется все больше химических соединений. Благодаря этому открываются новые амфотерные металлы. Их называют материалами будущего, но популярность их растет медленно. Связано это с высокой стоимостью, небольшими размерами готовых изделий.
Получение алюминия и цинка
Основной способ получения металлов – выделение их из состава руды. Для этого используется наиболее богатая металлом горная порода. Алюминий получают из боксита. Этот процесс состоит из трех этапов:
- Добыча горной породы;
- Обогащение (увеличение концентрации метала за счет очистки от примесей);
- Выделение чистого вещества путем электролиза.
Получение цинка производится несколькими методами – электролитическим (так же как и Al) и пирометаллургический. Второй способ основан на восстановлении цинка из его оксида углеродом или оксидом углерода II (угарным газом):
ZnO + C ⇄ Zn + CO
ZnO + CO ⇄ Zn + CO2
Достоинство этого метода в том, что продукты первой реакции могут использоваться во второй, что снижает количество выбросов в атмосферу.
Как ищутся металлы и неметаллы
Определение металлов теоретическим методом
Теоретический метод:
- Все металлы, за исключением ртути, находятся в твердом агрегатном состоянии. Они пластичны и без проблем гнутся. Также данные элементы отличаются хорошими тепло- и электропроводящими свойствами.
- Если вам нужно определить список металлов, то проведите диагональную линию от бора до астата, ниже которой будут располагаться металлические компоненты. К ним относятся также все элементы побочных химических групп.
- В первой группе первой подгруппе находятся щелочные, например, литий или цезий. При растворении образую щелочи, а именно гидроксиды. Обладают электронной конфигурацией вида ns1 с одним валентным электроном, который при отдаче приводит проявлению восстановительных свойств.
Во второй группе главной подгруппы находятся щелочно-земельные металлы по типу радия или кальция. При обычной температуре они обладают твердым агрегатным состоянием. Их электронная конфигурация имеет вид ns2. Переходные металлы располагаются в побочных подгруппах. Они обладают переменными степенями окисления. В низших степенях проявляются основные свойства, промежуточные степени выявляют кислотные свойства, а в высших степенях амфотерные.
Теоретическое определение неметаллов
В первую очередь, такие элементы обычно находятся в жидком или газообразном состоянии, иногда в твердом. При попытке согнуть их они ломаются по причине хрупкости. Неметаллы плохо проводят тепло и электрический ток. Неметаллы находятся в верхней части диагональной линии, проведенной от бора до астата. В атомах неметаллов содержится большое количество электронов, из-за чего им выгоднее принимать дополнительные электроны, нежели отдавать. К неметаллам также относят водород и гелий. Все неметаллы располагаются в группах со второй по шестую.
Химические способы определения
Есть несколько способов:
- Нередко приходится применять химические методы определения металлов. Например, нужно определить количество меди в сплаве. Для этого следует нанести каплю азотной кислоты на поверхность и через некоторое время пойдет пар. Промокните фильтрованную бумагу и подержите над колбой с аммиаком. Если пятно окрасилось в темно-голубой цвет, то это свидетельствует о наличии меди в сплаве.
- Предположим, что вам надо отыскать золото, но вы не хотите спутать его с латунью. Наносите на поверхность концентрированный раствор азотной кислоты в соотношении 1 к 1. Подтверждением большого количества золота в сплаве будет отсутствие реакции на раствор.
- Очень популярным металлом считается железо. Для его определения нужно нагреть кусочек металла в соляной кислоте. Если это действительно железо, то колба окрасится в желтый цвет. Если для вас химия довольно проблемная тема, то возьмите магнит. Если это действительно железо,то оно притянется к магниту. Никель определяется практически таким же методом, как и медь, только дополнительно капните диметилглиоксин на спирт. Никель подтвердит себя красным сигналом.
Похожими методами определяются и остальные металлические элементы. Просто используйте необходимые растворы и все получится.
Химические свойства алюминия и цинка
Оба вещества способны реагировать как обычные металлы. Так же, есть ряд специфических реакций.
Взаимодействие с неметаллами
С неметаллами и оба вещества взаимодействуют с образованием бинарных соединений – солей. Как правило, скорость течения реакции и условия зависят от активности неметалла. Так, с кислородом реакция идет реакция образования оксида при нагревании с цинком:
2Zn + O2 = 2ZnO
с алюминием в обычных условиях:
4Al + 3O2 = 2Al2O3
Оксид алюминия покрывает изделие плотной пленкой (оксидная пленка) и доступ кислорода прекращается, поэтому, для полной реакции его нужно брать в порошке.
Zn не реагирует с Br, N2, Si, C, H2.
Al не вступает в реакцию только с H2.
Взаимодействие с металлами
С восстановителями оба металла образуют сплавы:
- Алюминиды CuAl2, CrAl7, FeAl3
- Латунь ZnCu
Это не является химической реакцией, так как не происходит передачи электронов или изменения химических свойств веществ.
Взаимодействие с кислотами и щелочами
С кислотами и алюминий, и цинк взаимодействуют при обычных условиях с образованием солей:
8Al + 30HNO3 = 8Al(NO3)3 + 3N2O + 15H2O;
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2;
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2;
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2.
Результат реакции со щелочами зависит от условий реакции: если реакция идет в растворе (в присутствии воды), то образуются комплексные соли:
2Al + 2NaOH + 10H2O = 2Na[Al(H2O)2(OH)4] + 3H2;
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4] + H2.
В безводной среде (сплавление) образуются соли металлических кислот:
Zn + 2KOH = K2ZnO2 + H2 (K2ZnO2 – цинкат калия);
2Al + 6KOH = 2KAlO2 + 2K2O + 3H2 (KAlO2 – алюминат калия).
Взаимодействие с водой
Алюминий активно взаимодействует с водой, если очистить оксидную пленку. Реакцию нужно проводить быстро, так как пленка образуется практически мгновенно:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2;
Zn реагирует с водой при очень высокой температуре (при накаливании до красного состояния):
Zn + H2O = ZnO + H2.
Взаимодействие оксидов с кислотами
С кислотами реагируют основные и амфотерные оксиды. При этом образуются соли и вода:
FeO + H2SO4 = FeSO4 + H2O
Несолеобразующие оксиды не реагируют с кислотами вообще, а кислотные оксиды не реагируют с кислотами в большинстве случаев.
Когда все-таки кислотный оксид реагирует с кислотой?
Решая часть ЕГЭ с вариантами ответа, вы должны условно считать, что кислотные оксиды не реагируют ни с кислотными оксидами, ни с кислотами, за исключением следующих случаев:
1) диоксид кремния, будучи кислотным оксидом, реагирует с плавиковой кислотой, растворяясь в ней. В частности, благодаря этой реакции в плавиковой кислоте можно растворить стекло. В случае избытка HF уравнение реакции имеет вид:
SiO2 + 6HF = H2[SiF6] + 2H2O,
а в случае недостатка HF:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
2) SO2, будучи кислотным оксидом, легко реагирует с сероводородной кислотой H2S по типу сопропорционирования:
S+4O2 + 2H2S-2 = 3S + 2H2O
3) Оксид фосфора (III) P2O3 может реагировать с кислотами-окислителями, к которым относятся концентрированная серная кислота и азотная кислота любой концентрации. При этом степень окисления фосфора повышается от значения +3 до +5:
| P2O3 | + | 2H2SO4 | + | H2O | =to=> | 2SO2 | + | 2H3PO4 |
| (конц.) |
| 3P2O3 | + | 4HNO3 | + | 7H2O | =to=> | 4NO↑ | + | 6H3PO4 |
| (разб.) |
| P2O3 | + | 4HNO3 | + | H2O | =to=> | 2H3PO4 | + | 4NO2↑ |
| (конц.) |
4) Оксид серы (IV) SO2 может быть окислен азотной кислотой, взятой в любой концентрации. При этом степень окисления серы повышается с +4 до +6.
| 2HNO3 | + | SO2 | =to=> | H2SO4 | + | 2NO2↑ |
| (конц.) |
| 2HNO3 | + | 3SO2 | + | 2H2O | =to=> | 3H2SO4 | + | 2NO↑ |
| (разб.) |
Оксиды цинка и алюминия
ZnO – оксид, широко используемый в химической промышленности. Он применяется для получения солей. В реакции со щелочами образуются комплексные соли, легко разрушаемые кислотами.
Al2O3 –глинозем. Имеет очень плотную кристаллическую решетку, из-за чего практически не реагирует при обычных условиях. При экстремально высоких температурах вступает в реакцию со щелочами:
Al2O3 + 2KOH = 2KAlO2 + H2O
Может вступать в реакцию с кипящими кислотами с образованием комплексных солей.
Применение алюминия и цинка
Al как самый распространенный элемент широко используется в химической промышленности. Он способен вытеснять восстановители из соединений, поэтому применяется для получения металлов. Такой метод называется алюмотермия.
Благодаря оксидной пленке и низкой плотности используется в автомобиле-, самолето- и ракетостроении для снижения массы изделия. В строительстве алюминий применяется для изготовления каркасов высотных зданий.
Zn применяется для снижения коррозии металлических изделий –цинкование. Порошок этого металла используется для изготовления масляных красок с металлическим блеском. Также, оксид служит в качестве антисептика. Мази на основе цинкового порошка используются в лечении лишаев и других инфекционных поражений кожи.
Примеры амфотерных гидроксидов
К амфотерным относятся следующие гидроксиды:
большинство гидроксидов d-элементов:
гидроксид хрома(III)Cr(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Cr(OH)_{3}}}}, полигидрат оксида железа (III) Fe(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Fe(OH)_{3}}}}, гидроксид меди(II) Cu(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Cu(OH)_{2}}}}, гидроксид цинка Zn(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Zn(OH)_{2}}}}, гидроксид кадмия Cd(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Cd(OH)_{2}}}},
и др.;
ряд гидроксидов p-элементов:
гидроксид алюминия, Al(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Al(OH)_{3}}}}, гидроксид галлия, Ga(OH)3{\displaystyle {\mathsf {Ga(OH)_{3}}}}, гидрат оксида олова(II), Sn(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Sn(OH)_{2}}}}, гидроксид свинца(II) Pb(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Pb(OH)_{2}}}},
и др.;
из гидроксидов s-элементов:
гидроксид бериллия Be(OH)2{\displaystyle {\mathsf {Be(OH)_{2}}}};
формально к амфотерным гидроксидам может быть отнесена вода.
Сплавы алюминия и цинка
В металлургии практически не применяются в чистом виде из-за высокой пластичности. Для того чтобы сохранить достоинства металлов, но убрать недостатки осуществляют сплавление с другими металлами.
Сплавы алюминия
Сплавы алюминия делятся на две группы:
- Литейные (без сохранения пластичности);
- Конструкционные (деформируемые).
Таблица. Характеристика основных сплавов алюминия
