Амфотерные оксиды

Амфотерные оксиды — это класс неорганических химических соединений, представляющих собой бинарные соединения химического элемента с кислородом, которые проявляют двойственную химическую природу: в зависимости от условий (главным образом, от pH среды) они могут реагировать и как кислотные оксиды (взаимодействуя с основаниями), и как основные оксиды (взаимодействуя с кислотами). Данное свойство называется амфотерностью.

Химическая природа и классификация

Амфотерность оксидов обусловлена особенностями химической связи и электронного строения атома элемента-оксидообразователя. Как правило, амфотерные оксиды образуют элементы, находящиеся вблизи границы между металлами и неметаллами в Периодической системе Д. И. Менделеева. К ним относятся:

Элементы главных подгрупп: бериллий (Be), алюминий (Al), галлий (Ga), германий (Ge), олово (Sn), свинец (Pb), сурьма (Sb), висмут (Bi), а также некоторые другие.
Элементы побочных подгрупп (переходные металлы): цинк (Zn), кадмий (Cd), хром (Cr), марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), медь (Cu) и другие, особенно в высших и промежуточных степенях окисления.

По составу амфотерные оксиды делятся на:

Простые (бинарные): состоят из одного элемента-оксидообразователя и кислорода (например, ZnO, Al₂O₃, SnO₂).
Смешанные: содержат два или более элемента-оксидообразователя, каждый из которых может проявлять амфотерные свойства (например, ZnAl₂O₄ — цинковая шпинель, FeAl₂O₄ — герцинит).

Химические свойства

Основное свойство, отличающее амфотерные оксиды от основных и кислотных, — способность реагировать как с кислотами, так и с основаниями (щелочами).

Взаимодействие с кислотами

При взаимодействии с кислотами амфотерные оксиды ведут себя как основные оксиды, образуя соль и воду. В этой реакции элемент-оксидообразователь выступает в роли катиона.

Пример: \[ ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O \] \[ Al_2O_3 + 6HNO_3 \rightarrow 2Al(NO_3)_3 + 3H_2O \]

Взаимодействие с основаниями (щелочами)

При взаимодействии с щелочами амфотерные оксиды ведут себя как кислотные оксиды, образуя соль (обычно комплексную или среднюю) и воду. В этой реакции элемент-оксидообразователь входит в состав аниона (кислотного остатка).

Реакция при сплавлении (в твердой фазе): \[ ZnO + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + H_2O \] (образуется цинкат натрия)

Реакция в растворе (в присутствии воды): \[ ZnO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] \] (образуется тетрагидроксоцинкат натрия)

\[ Al_2O_3 + 2NaOH + 3H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] \] (образуется тетрагидроксоалюминат натрия)

Взаимодействие с водой

Большинство амфотерных оксидов практически нерастворимы в воде и не реагируют с ней напрямую (в отличие от типичных основных оксидов щелочных и щелочноземельных металлов). Исключение составляют оксиды некоторых элементов, например, оксид бериллия (BeO) и оксид цинка (ZnO), которые в очень малой степени могут взаимодействовать с водой, но этот процесс не является характерным и не приводит к образованию растворимых гидроксидов в заметных количествах.

Термическая устойчивость

Амфотерные оксиды, как правило, обладают высокой термической устойчивостью. Многие из них (например, Al₂O₃, Cr₂O₃, ZnO) являются тугоплавкими веществами и используются в качестве огнеупорных материалов. При нагревании до очень высоких температур некоторые амфотерные оксиды могут разлагаться (например, оксид ртути(II) HgO, который также проявляет слабые амфотерные свойства, разлагается на ртуть и кислород).

Получение

Амфотерные оксиды получают теми же способами, что и другие оксиды:

Прямое окисление простых веществ кислородом: \[ 4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3 \]
Термическое разложение гидроксидов: \[ 2Al(OH)_3 \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 3H_2O \]
Термическое разложение солей: \[ ZnCO_3 \xrightarrow{t} ZnO + CO_2 \uparrow \]
Окисление низших оксидов: \[ 2Cr_2O_3 + 3O_2 \xrightarrow{t} 4CrO_3 \] (хотя CrO₃ — кислотный оксид, а Cr₂O₃ — амфотерный)

Применение

Амфотерные оксиды широко используются в различных отраслях промышленности и науки.

Оксид алюминия (Al₂O₃, корунд): используется как абразивный материал, огнеупор, сырьё для получения алюминия (электролизом расплава), компонент керамики и рубиновых лазеров.
Оксид цинка (ZnO, цинковые белила): применяется как белый пигмент в производстве красок, резины (вулканизирующий агент), косметики (солнцезащитные кремы), в электронике (варисторы), в медицине (подсушивающие и противовоспалительные средства).
Оксид хрома(III) (Cr₂O₃): используется как зелёный пигмент, абразив, компонент керамических глазурей и катализаторов.
Оксид олова(IV) (SnO₂): применяется в производстве прозрачных электропроводящих покрытий (например, для экранов), как катализатор, в керамике.
Оксид свинца(II) (PbO, глёт): используется в производстве хрусталя, аккумуляторов, свинцовых стекол и глазурей.

Примеры амфотерных оксидов

Формула	Название	Элемент	Степень окисления	Основные области применения
BeO	Оксид бериллия	Be	+2	Огнеупорная керамика, ядерная энергетика (замедлитель нейтронов)
Al₂O₃	Оксид алюминия	Al	+3	Абразивы, огнеупоры, сырьё для алюминия, керамика, лазеры
ZnO	Оксид цинка	Zn	+2	Пигменты, резина, косметика, электроника, медицина
Cr₂O₃	Оксид хрома(III)	Cr	+3	Пигменты, абразивы, катализаторы, керамика
Fe₂O₃	Оксид железа(III)	Fe	+3	Пигменты (красный, коричневый), магнитные материалы, катализаторы
SnO₂	Оксид олова(IV)	Sn	+4	Электропроводящие покрытия, катализаторы, керамика
PbO	Оксид свинца(II)	Pb	+2	Хрусталь, аккумуляторы, стекло, глазури
TiO₂	Оксид титана(IV)	Ti	+4	Белый пигмент (титановые белила), солнцезащитные фильтры, фотокатализаторы

Интересные факты

Амфотерные оксиды являются основой для создания многих природных минералов. Например, корунд (Al₂O₃) с примесями хрома даёт рубин, а с примесями титана и железа — сапфир.
Свойство амфотерности широко используется в аналитической химии для разделения и идентификации ионов металлов. Например, осадок гидроксида алюминия Al(OH)₃ растворяется в избытке щёлочи, что позволяет отличить его от нерастворимых в щелочах гидроксидов магния или железа.
Оксид цинка (ZnO) обладает пьезоэлектрическими свойствами — при механической деформации в нём возникает электрический заряд. Это свойство используется в микроэлектронике и датчиках.
Оксид титана(IV) (TiO₂) является одним из наиболее эффективных фотокатализаторов, способных разлагать органические загрязнители под действием ультрафиолетового света. Это свойство используется в самоочищающихся покрытиях и системах очистки воды.

Источники

Химическая энциклопедия в 5 томах. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2001.
Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М.: Химия, 1994.
Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. — М.: Химия, 2000.
Гринвуд Н., Эрншо А. Химия элементов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →