Амфотерность химических веществ¶

Амфотерность (от др.-греч. ἀμφοτέρω — «оба», «обоих») — способность химических веществ проявлять одновременно кислотные и основные свойства, то есть вступать в реакции и с кислотами, и с щелочами. Амфотерные вещества относят к слабым электролитам; в зависимости от условий они могут выступать либо кислотой, либо основанием. Термин ввёл немецкий химик Рихард Лёвиг в 1838 году.

¶Теоретические основы

Согласно теории Бренстеда — Лоури, кислота — донор протона (H⁺), основание — акцептор протона. Амфотерная молекула или ион содержит и атомы, способные отдавать протон (проявлять кислотные свойства), и атомы, способные его принимать (проявлять основные свойства. Наиболее показательный пример — вода:

H₂O + HCl → H₃O⁺ + Cl⁻ (вода выступает основанием)

H₂O + NH₃ → NH₄⁺ + OH⁻ (вода выступает кислотой)

По теории Льюиса амфотерность связана со способностью вещества быть как донором электронной пары (основание Льюиса), так и акцептором (кислота Льюиса).

¶Классификация амфотерных веществ

К амфотерным относят:

• Оксиды амфотерных металлов — Al₂O₃, ZnO, BeO, Cr₂O₃, SnO, PbO, Ga₂O₃ и другие. Оксид алюминия реагирует и с кислотами, и со щелочами:

Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

• Гидроксиды амфотерных металлов — Al(OH)₃, Zn(OH)₂, Be(OH)₂, Cr(OH)₃, Sn(OH)₂, Pb(OH)₂. Гидроксид алюминия — типичный пример:

Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O

• Вода — амфотерный растворитель, в котором протекают реакции автопротонолиза.

• Некоторые аминокислоты и белки — содержат и карбоксильную группу (−COOH, кислотный центр), и аминогруппу (−NH₂, основный центр). В растворах аминокислоты существуют в виде внутренних солей (звиттерионов).

• Цинкаты и алюминаты — амфотерные анионы, например [Al(OH)₄]⁻.

• Оксиды и гидроксиды некоторых переходных металлов — Fe(OH)₂, Fe(OH)₃, CuO, Ag₂O.

¶Амфотерность в ряду свойств элементов

Амфотерность проявляют элементы, занимающие промежуточное положение в периодической таблице — на границе между металлическими и неметаллическими элементами. С увеличением заряда ядра в пределах периода кислотные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются, основные — ослабевают. Элементы с амфотерными гидроксидами расположены вблизи «ступеньки» ступенчатой линии металлов: Be, Al, Zn, Cr, Ga, Sn, Pb, As, Sb и другие.

¶Амфотерные аминокислоты

Аминокислоты содержат две функциональные группы: аминогруппу и карбоксильную. В водном растворе они реагируют и с кислотами, и со щелочями:

NH₂CH₂COOH + HCl → Cl⁻H₃N⁺CH₂COOH

NH₂CH₂COOH + NaOH → Na⁺⁻NH₂CH₂COO⁻ + H₂O

В нейтральной среде аминокислоты существуют преимущественно в форме звиттериона — внутренней соли с разделёнными зарядами. Значение pH, при котором суммарный заряд молекулы равен нулю, называют изоэлектрической точкой.

¶Практическое значение

Амфотерные гидроксиды используются в аналитической химии для разделения катионов: при пропускании избытка щёлочи Al³⁺, Zn²⁺, Cr³⁺ переходят в растворимые комплексные анионы, тогда как гидроксиды Fe³⁺, Cu²⁺ и других неамфотерных металлов выпадают в осадок. Этот приём лежит в основе качественного анализа катионов III и IV групп.

Оксид алюминия применяют в производстве металлического алюминия (метод электролиза расплавов), в качестве адсорбента и огнеупорного материала. Гидроксид алюминия используют как антацид (средство, снижающее кислотность желудочного сока) и как компонент огнетушащих порошков.

¶Амфотерность и амфифильность

Не следует путать амфотерность с амфифильностью (амфипатичностью) — свойством молекул содержать гидрофильный и гидрофобный фрагменты, что проявляется при взаимодействии с растворителем, а не в кислотно-основном поведении.

¶Историческая справка

Понятие амфотерности сформировалось в XIX веке параллельно с развитием теорий кислот и оснований. Работы Г. Бренстеда (1923) и Г. Льюиса (1923) расширили трактовку амфотерности, показав, что она проявляется не только в протонных растворителях, но и в реакциях с переносом электронных пар.

Источники:

• Хомченко Г. П. Химия для поступающих в вузы
• Рудзитис Г. Е., Фельдман Ф. Г. Химия. 10–11 класс
• Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии
• Суслов Н. М., Евдокимов Б. В. Общая химия