Амфотеризм

Химическое свойство реакции с кислотой или основанием

В химии амфотерное соединение (от греческого amphoteros  «оба») — это молекула или ион , который может реагировать как как кислота , так и как основание . ^[1] Что именно это может означать, зависит от того, какие определения кислот и оснований используются.

Одним из типов амфотерных видов являются амфипротонные молекулы, которые могут либо отдавать , либо принимать протон ( H ⁺ ). Это то, что означает «амфотерность» в кислотно-основной теории Брёнстеда-Лоури . Например, аминокислоты и белки являются амфипротонными молекулами из-за наличия у них аминогрупп ( -NH ₂ ) и карбоновой кислоты ( -COOH ). Самоионизующиеся соединения, такие как вода, также являются амфипротонными.

Амфолиты — амфотерные молекулы, содержащие как кислотные, так и основные функциональные группы . Например, аминокислота H ₂ N-RCH-CO ₂ H имеет как основную группу -NH ₂ , так и кислотную группу -COOH и существует в виде нескольких структур, находящихся в химическом равновесии :

${\displaystyle {\ce {H2N-RCH-CO2H + H2O}}}$ ${\displaystyle {\ce {<=> H2N-RCH-COO- + H3O+}}}$ ${\displaystyle {\ce {<=> H3N+-RCH-COOH + OH-}}}$ ${\displaystyle {\ce {<=> H3N+-RCH-COO- + H2O}}}$

В примерно нейтральном водном растворе (pH ≅ 7) основная аминогруппа в основном протонирована, а карбоновая кислота в основном депротонирована, так что преобладающей разновидностью является цвиттер-ион H 3 _N + ^-RCH -COO ^- . Уровень pH, при котором средний заряд равен нулю, известен как изоэлектрическая точка молекулы . Амфолиты используются для создания стабильного градиента pH для использования в изоэлектрическом фокусировании .

Оксиды металлов , которые реагируют как с кислотами, так и с основаниями с образованием солей и воды, известны как амфотерные оксиды. Многие металлы (например , цинк , олово , свинец , алюминий и бериллий ) образуют амфотерные оксиды или гидроксиды. Оксид алюминия ( Al ₂ O ₃ ) является примером амфотерного оксида. Амфотеризм зависит от степени окисления оксида. Амфотерные оксиды включают , среди многих других , оксид свинца (II) и оксид цинка . ^[2]

Этимология

Амфотерный происходит от греческого слова amphoteroi ( ἀμφότεροι ), означающего «оба». Родственные слова в кислотно-основной химии — амфихроматические и амфихромные , оба описывают такие вещества, как кислотно-основные индикаторы , которые дают один цвет при реакции с кислотой, а другой цвет при реакции с основанием. ^[3]

Амфипротонные молекулы

Согласно теории кислот и оснований Брёнстеда-Лоури , кислоты являются донорами протонов, а основания — акцепторами протонов. ^[4] Амфипротонная молекула (или ион) может либо отдавать, либо принимать протон , действуя таким образом либо как кислота , либо как основание . Вода , аминокислоты , гидрокарбонат- ион (или бикарбонат-ион) HCO−3, ион дигидрофосфата H ₂ PO−4и гидросульфат- ион (или бисульфат-ион) HSO−4являются распространенными примерами амфипротных видов. Поскольку все амфипротонные вещества могут отдавать протон, они содержат атом водорода. Кроме того, поскольку они могут действовать как кислота или основание, они амфотерны.

Примеры

Молекула воды амфотерна в водном растворе. Он может либо получить протон с образованием иона гидроксония H ₃ O ⁺ , либо потерять протон с образованием иона гидроксида OH ^- . ^[5]

Другая возможность — это молекулярная реакция автоионизации между двумя молекулами воды, в которой одна молекула воды действует как кислота, а другая — как основание.

${\displaystyle {\ce {H2O + H2O <=> H3O+ + OH-}}}$

Бикарбонат - ион, HCO−3, является амфотерным, поскольку может действовать как кислота или основание:

Как кислота, теряющая протон: ${\displaystyle {\ce {HCO3- + OH- <=> CO3^2- + H2O}}}$

В качестве основания принимая протон: ${\displaystyle {\ce {HCO3- + H+ <=> H2CO3}}}$

Примечание: в разбавленном водном растворе образование иона гидроксония H 3 _O + ⁽ aq) фактически завершено, так что гидратацией протона можно пренебречь по отношению к равновесиям.

Другие примеры неорганических полипротонных кислот включают анионы серной кислоты , фосфорной кислоты и сероводорода , потерявшие один или несколько протонов. В органической химии и биохимии важными примерами являются аминокислоты и производные лимонной кислоты .

Хотя амфипротные виды должны быть амфотерными, обратное неверно. Например, оксид металла, такой как оксид цинка ZnO, не содержит водорода и поэтому не может отдавать протон. Тем не менее, он может действовать как кислота, реагируя с гидроксид-ионом основания:

${\displaystyle {\ce {ZnO_{(s)}{}+ 2OH- + H2O -> Zn(OH)_{4(aq)}^2-}}}$

Эта реакция не описывается кислотно-основной теорией Брёнстеда-Лоури . Поскольку оксид цинка также может выступать в качестве основания:

${\displaystyle {\ce {ZnO_{(s)}{}+ 2H+ -> Zn^2+_{(aq)}{}+ H2O}}}$,

он классифицируется как амфотерный, а не амфипротный.

Оксиды

Оксид цинка (ZnO) реагирует как с кислотами, так и с основаниями:

• ${\displaystyle {\ce {ZnO + {\overset {acid}{H2SO4}}-> ZnSO4 + H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {ZnO + {\overset {base}{2 NaOH}}+ H2O -> Na2[Zn(OH)4]}}}$

Эту реакционную способность можно использовать для отделения различных катионов , например цинка(II), который растворяется в основании, от марганца(II), который не растворяется в основании.

Оксид свинца (PbO):

• ${\displaystyle {\ce {PbO + {\overset {acid}{2 HCl}}-> PbCl2 + H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {PbO + {\overset {base}{2 NaOH}}+ H2O -> Na2[Pb(OH)4]}}}$

Оксид алюминия ( Al ₂ O ₃ ):

• ${\displaystyle {\ce {Al2O3 + {\overset {acid}{6 HCl}}-> 2 AlCl3 + 3 H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {Al2O3 + {\overset {base}{2 NaOH}}+ 3 H2O -> 2 Na[Al(OH)4]}}}$(гидратированный алюминат натрия )

Оксид олова (SnO):

• ${\displaystyle {\ce {SnO + {\overset {acid}{2 HCl}}<=> SnCl2 + H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {SnO + {\overset {base}{4 NaOH}}+ H2O <=> Na4[Sn(OH)6]}}}$

Диоксид ванадия ( VO ₂ ):

• ${\displaystyle {\ce {VO2 + {\overset {acid}{2 HCl}}-> VOCl2 + H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {4 VO2 + {\overset {base}{2 NaOH}}-> Na2V4O9 + H2O}}}$

Некоторые другие элементы, образующие амфотерные оксиды, — это галлий , индий , скандий , титан , цирконий , хром , железо , кобальт , медь , серебро , золото , германий , сурьма , висмут , бериллий и теллур .

Гидроксиды

Гидроксид алюминия также амфотерен:

• ${\displaystyle {\ce {Al(OH)3 + {\overset {acid}{3 HCl}}-> AlCl3 + 3 H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {Al(OH)3 + {\overset {base}{NaOH}}-> Na[Al(OH)4]}}}$

Гидроксид бериллия :

• ${\displaystyle {\ce {Be(OH)2 + {\overset {acid}{2 HCl}}-> BeCl2 + 2 H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {Be(OH)2 + {\overset {base}{2 NaOH}}-> Na2[Be(OH)4]}}}$^[6]

Гидроксид хрома :

• ${\displaystyle {\ce {Cr(OH)3 + {\overset {acid}{3 HCl}}-> CrCl3 + 3H2O}}}$
• ${\displaystyle {\ce {Cr(OH)3 + {\overset {base}{NaOH}}-> Na[Cr(OH)4]}}}$

Смотрите также

• Ел комплекс
• Изоэлектрическая точка
• Цвиттерион

Рекомендации

1. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «амфотерный». дои :10.1351/goldbook.A00306
2. Хаускрофт, CE; Шарп, AG (2004). Неорганическая химия (2-е изд.). Прентис Холл. стр. 173–4. ISBN 978-0-13-039913-7.
3. Научный словарь Penguin 1994, Penguin Books
4. Петруччи, Ральф Х.; Харвуд, Уильям С.; Херринг, Ф. Джеффри (2002). Общая химия: принципы и современные приложения (8-е изд.). Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. п. 669. ИСБН 978-0-13-014329-7. LCCN  2001032331. OCLC  46872308.
5. Скуг, Дуглас А.; Уэст, Дональд М.; Холлер, Ф. Джеймс; Крауч, Стэнли Р. (2014). Основы аналитической химии (Девятое изд.). Бельмонт, Калифорния. п. 200. ИСБН 978-0-495-55828-6. ОСЛК  824171785.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
6. CHEMIX School & Lab - Программное обеспечение для изучения химии, автор Арне Станднес (требуется загрузка программы)