Глава IV.28 Естественные семейства химических элементов. Амфотерность

Щелочные металлы – это элементы IА-группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Их простые вещества представляют собой серебристо-белые или белые металлы, хорошо проводящие теплоту и электрический ток, мягкие (легко режутся ножом), очень активные (взаимодействуют с компонентами воздуха), а потому их хранят под слоем керосина (литий – под слоем вазелина). С увеличением значения относительной атомной массы, как правило, плотность их возрастает от лития к цезию, а температура плавления, наоборот, уменьшается. Название семейству дали продукты взаимодействия этих металлов и их оксидов с водой – щёлочи, растворимость которых также закономерно возрастает от LiOH к CsOH.

Щелочноземельные металлы – это элементы IIА-группы периодической таблицы Д. И. Менделеева, начиная с Ca. Простые вещества, образованные этими элементами, – лёгкие металлы серебристо-белого (Ca, Ba), светло-жёлтого (Sr) и белого (Ra) цвета. Они значительно твёрже щелочных металлов. Легко взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому, как и щелочные металлы, хранятся под слоем керосина или в запаянных сосудах. Гидроксиды щелочноземельных металлов также представляют собой щёлочи и могут быть получены взаимодействием соответствующих металлов и их оксидов с водой.

Галогены – фтор, хлор, бром, иод, астат. Их простые вещества состоят из двухатомных молекул. Подобно щелочным металлам, которые являются самыми активными среди металлов, семейство галогенов включает в себя самые активные неметаллы. Своё название эти элементы получили из-за способности образовывать соли при взаимодействии с металлами (от лат. halos – соль и genos – происхождение). Так, всем известную поваренную соль, или хлорид натрия NaCl, можно рассматривать как продукт взаимодействия хлора с натрием.
Первые два галогена (фтор и хлор) – это газы: фтор – светло-жёлтого цвета, хлор – жёлто-зелёного. Бром представляет собой бурую жидкость, а иод – тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском.
Нетрудно заметить, что плотность, температура плавления и температура кипения у галогенов возрастают с ростом относительной атомной массы. Цвет простых веществ становится более интенсивным.

Инертные газы – это элементы VIIIА-группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Своё название они получили из-за чрезвычайно малой химической активности. До сих пор неизвестны соединения гелия и неона. Остальные элементы этой группы образуют соединения в особых условиях, поэтому более точно следует называть это естественное семейство элементов благородными газами. Особенностью их существования в форме простых веществ являются отдельные атомы, а не молекулы.

Первые попытки классификации химических элементов. Мы рассмотрели естественные семейства отдельных групп элементов. А как классифицировать все химические элементы?

Й. Я. Берцелиус разделил все элементы на два класса – металлы и неметаллы на основе различий в свойствах образованных ими простых и сложных веществ. Так, металлам соответствуют осно́вные оксиды и основания, а неметаллам – кислотные оксиды и кислоты. Так как классов было только два, они включали значительно отличающиеся друг от друга элементы. Наличие особых, двойственных свойств оксидов и гидроксидов у некоторых металлов противоречило предложенной Берцелиусом классификации.

Рассмотрим химические реакции, протекающие при выполнении этого эксперимента.

При добавлении щёлочи к раствору соли алюминия выпадает осадок гидроксида алюминия:

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄

Осадок гидроксида алюминия исчезает при добавлении соляной кислоты, так как реагирует с ней как нерастворимое основание:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Однако осадок гидроксида алюминия растворяется и при добавлении к нему раствора щёлочи. В чём же причина такого необычного поведения этого соединения? Оказывается, в данной реакции гидроксид алюминия реагирует со щёлочью с образованием соли и воды, т. е. ведёт себя подобно кислоте: Al(OH)₃ = H₃AlO₃. Следовательно, уравнение реакции можно записать так:

H₃AlO₃ + 3NaOH = Na₃AlO₃ + 3H₂O

Более точно эта химическая реакция описывается уравнением

$\begin{array}{c}\mathrm{Al}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 + \mathrm{NaOH}\\ \\ \end{array} \begin{array}{c}= \mathrm{Na}\left[\mathrm{Al}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4\right]\\ \mathrm{тетрагидроксоалюминат}\\ \mathrm{натрия}\end{array}$

Соль, которая образуется при этом, необычная: с металлом в ней связан сложный остаток, который в формуле заключён в квадратные скобки. Соли такого типа называют комплексными.

Таким образом, в зависимости от природы реагента гидроксид алюминия проявляет свойства как основания, так и кислоты. Такие гидроксиды называют амфотерными.

Аналогично проявляет химическую двойственность и оксид алюминия. При взаимодействии с кислотами он ведёт себя как осно́вный оксид:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

При взаимодействии с концентрированным раствором щёлочи оксид алюминия проявляет свойства кислотного оксида, образуя соль – тетрагидроксоалюминат щелочного металла:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

Амфотерный характер проявляют также оксиды и гидроксиды бериллия – ВеО и Ве(ОН)₂, цинка – ZnO и Zn(OH)₂, хрома(III) – Cr₂O₃ и Cr(OH)₃ и оксиды других металлов с валентностью II, III и IV.

Если химический элемент-металл проявляет переменную валентность, его оксид и гидроксид с низшей валентностью чаще всего проявляют осно́вные свойства, с высшей – кислотные, а с промежуточной – амфотерные (схема 6).

Схема 6

Все амфотерные гидроксиды нерастворимы в воде. Получают их подобно тому, как вы получали гидроксид алюминия, — реакцией обмена между раствором соли металла и щёлочи, например:

ZnCl₂ + 2KOH = Zn(OH)₂↓ + 2KCl

Щёлочь необходимо приливать небольшими порциями, поскольку в её избытке образующийся осадок амфотерного гидроксида растворится.

При нагревании амфотерные гидроксиды разлагаются на оксид металла и воду, например:

Zn(OH)₂ $\stackrel{t}{=}$ ZnO + H₂O