Амфотерні оксиди, наприклад, цинк оксид ZnO та алюміній оксид Al₂O₃ можуть реагувати і з кислотами, і з лугами. Проте за звичайних умов із водою вони не реагують. Чому?
На перший погляд це дивно. Якщо амфотерний оксид може виявляти і основні, і кислотні властивості, чому він не утворює відповідний гідроксид під час взаємодії з водою? Щоб відповісти на це запитання, спочатку з’ясуємо, що означає амфотерність.
1. Що означає амфотерність?
Амфотерність — це здатність речовини виявляти як основні, так і кислотні властивості залежно від того, з якою речовиною вона взаємодіє.
Наприклад, цинк оксид ZnO реагує з хлоридною кислотою:
ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O
Утворюються цинк хлорид і вода. У цій реакції ZnO поводиться як основний оксид.
Але він також може реагувати з водним розчином натрій гідроксиду:
ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]
Утворюється натрій тетрагідроксоцинкат — розчинна комплексна сполука Цинку. У цій реакції ZnO виявляє кислотні властивості.
Отже, амфотерний оксид може реагувати з речовинами, які мають протилежні кислотно-основні властивості. Але це зовсім не означає, що він обов’язково реагуватиме з водою.
2. Чому ZnO не реагує з водою?
Цинк оксид ZnO — тверда речовина з кристалічною структурою. Зв’язки між Цинком та Оксигеном у його кристалі мають як йонну, так і ковалентну складову. Вони утворюють стійку просторову структуру.
Якби ZnO безпосередньо реагував із водою, ми могли б очікувати утворення цинк гідроксиду:
ZnO + H₂O → Zn(OH)₂
Але за звичайних умов помітного перетворення ZnO на Zn(OH)₂ не відбувається. Чому?
Пригадаймо кальцій оксид CaO. Його оксид-іони O²⁻ легко приєднують протони від молекул води, унаслідок чого утворюються гідроксид-іони OH⁻. Разом із йонами кальцію вони утворюють Ca(OH)₂.
У випадку ZnO ситуація інша. Його кристалічна структура та характер хімічних зв’язків відрізняються від CaO. Звичайна вода не забезпечує ефективного перетворення кристала ZnO на відповідний гідроксид.
ZnO + H₂O — реакція не відбувається.
Але чому тоді ZnO реагує з кислотою?
Кислота містить частинки, здатні передавати протони. Оксидні центри на поверхні ZnO можуть приєднувати ці протони, що сприяє руйнуванню зв’язків у кристалі та переходу Цинку в розчин.
А у випадку взаємодії з лугом важливу роль відіграють гідроксид-іони OH⁻. Вони можуть утворювати з Цинком стійкі комплексні частинки, що сприяє розчиненню ZnO.
Отже, кислота й луг забезпечують різні шляхи хімічного перетворення ZnO. А звичайна вода не створює таких умов, тому помітної реакції не відбувається.
3. Але ж цинк гідроксид існує!
Якщо ZnO не реагує з водою, чи означає це, що цинк гідроксид Zn(OH)₂ не існує? Зовсім ні! Його можна одержати іншим способом, наприклад додавши розчин натрій гідроксиду до розчину цинк хлориду.
ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl
У результаті утворюється білий осад цинк гідроксиду. Але якщо додати надлишок розчину NaOH, цей осад може розчинитися з утворенням комплексної сполуки:
Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄]
Це ще один прояв амфотерності. Цинк гідроксид може реагувати як із кислотами, так і з лугами.
Проте існування Zn(OH)₂ ще не означає, що його можна одержати безпосередньо реакцією ZnO з водою. Для кожного хімічного перетворення потрібні відповідні умови.
4. Чому Al₂O₃ не реагує з водою?
Алюміній оксид Al₂O₃ — ще один типовий амфотерний оксид. Він також може реагувати і з кислотами, і з лугами, але за звичайних умов із водою не реагує.
Al₂O₃ має міцну кристалічну структуру. Особливо стійкою є його кристалічна форма, відома як корунд. Саме вона входить до складу таких мінералів, як рубін і сапфір.
Якби Al₂O₃ безпосередньо реагував із водою, ми могли б очікувати утворення алюміній гідроксиду:
Al₂O₃ + 3H₂O → 2Al(OH)₃
Але за звичайних умов вода не забезпечує помітного перетворення кристалічного Al₂O₃ на гідроксид.
Al₂O₃ + H₂O — реакція не відбувається.
Проте Al₂O₃ може реагувати з кислотами. Наприклад, під час взаємодії з хлоридною кислотою утворюються алюміній хлорид і вода:
Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O
А у водному розчині лугу за відповідних умов Al₂O₃ може утворювати розчинні комплексні сполуки Алюмінію:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]
Отже, Al₂O₃ виявляє амфотерні властивості, але це не означає, що він повинен реагувати з водою.
5. Чи справді вода зовсім не взаємодіє з амфотерними оксидами?
Тут є важлива деталь. Коли ми говоримо, що ZnO та Al₂O₃ не реагують із водою, маємо на увазі, що за звичайних умов вони не перетворюються на відповідні гідроксиди в помітній кількості.
Але це не означає, що між водою та поверхнею оксиду взагалі не може відбуватися жодної хімічної взаємодії.
Наприклад, на поверхні Al₂O₃ молекули води можуть приєднуватися до поверхневих центрів. Частина з них може розщеплюватися з утворенням гідроксильних груп –OH, сполучених з атомами поверхні.
Цей процес називають гідроксилюванням поверхні.
Але утворення окремих гідроксильних груп на поверхні кристала — це зовсім не те саме, що перетворення всього Al₂O₃ на Al(OH)₃.
Саме тому в шкільному курсі ми справедливо вважаємо, що типові амфотерні оксиди за звичайних умов із водою не реагують.
6. Головне про амфотерні оксиди та воду
Тепер ми можемо сформулювати практичне правило.
Типові амфотерні оксиди, зокрема ZnO та Al₂O₃, за звичайних умов не реагують із водою з утворенням відповідних гідроксидів. Проте вони можуть реагувати з кислотами та лугами, виявляючи різні кислотно-основні властивості.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.