§ 28. Естественные семейства химических элементов. Амфотерность

ЕСТЕСТВЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Еще до открытия Периодического закона ученые обратили внимание на существование групп элементов, обладающих поразительным сходством в физических и химических свойствах. Такие группы получили название естественных семейств химических элементов.

1. Щелочные металлы (элементы главной подгруппы I группы / IA):

В семейство входят литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и радиоактивный франций Fr.

• Физические свойства: мягкие металлы серебристо-белого цвета (легко режутся ножом), обладают малой плотностью (литий, натрий и калий легче воды), хорошей тепло- и электропроводностью.
• Химическая активность: чрезвычайно высока. На воздухе мгновенно окисляются кислородом, бурно реагируют с водой с образованием растворимых едких щелочей и выделением водорода (2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑). Из-за высокой активности их хранят под слоем обезвоженного керосина, а наилегчайший литий — в вазелине.
• Закономерности в группе (от Li к Cs): с увеличением относительной атомной массы возрастает плотность и радиус атомов, температура плавления закономерно снижается (цезий плавится уже при 28,5 °C в ладони), химическая активность возрастает, а сила и растворимость гидроксидов (от LiOH до CsOH) увеличивается.

2. Щелочноземельные металлы (элементы главной подгруппы II группы / IIA):

К истинным щелочноземельным металлам относят кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra (в эту же подгруппу входят более легкие сходные металлы бериллий Be и магний Mg).

• Свое историческое название семейство получило оттого, что оксиды этих металлов («земли» в терминологии алхимиков) при растворении в воде образуют едкие щелочные растворы.
• Простые вещества представляют собой серебристо-белые или светло-желтые металлы. Они заметно тверже щелочных, имеют более высокие температуры плавления, активно реагируют с кислородом воздуха и водой (хранятся под керосином или в герметично запаянных ампулах). Их гидроксиды Ca(OH)₂ и Ba(OH)₂ являются сильными щелочами.

3. Галогены (элементы главной подгруппы VII группы / VIIA):

Семейство включает фтор F, хлор Cl, бром Br, иод I и астат At. Название происходит от греческих слов halos — соль и genos — рождение («рождающие соли»), так как при взаимодействии с металлами они образуют типичные соли (например, NaCl — поваренная соль).

• Простые вещества состоят из двухатомных молекул: F₂, Cl₂, Br₂, I₂.
• Физическое состояние и цвета:
  • фтор F₂ — светло-желтый удушливый газ;
  • хлор Cl₂ — желто-зеленый тяжелый ядовитый газ с резким запахом;
  • бром Br₂ — тяжелая летучая жидкость темно-красного (бурого) цвета с едкими парами;
  • иод I₂ — темно-серые кристаллические пластинки с металлическим блеском, способные при нагревании сублимировать (возгоняться — переходить из твердого состояния прямо в фиолетовый газ, минуя жидкую фазу).
• Закономерности в группе (от F к I): с ростом относительной атомной массы закономерно возрастают плотность, температуры плавления и кипения, окраска становится все более темной и насыщенной. При этом окислительная способность и химическая активность неметаллов закономерно ослабевают (фтор — самый электроотрицательный и реакционноспособный неметалл во всей химии).

4. Благородные (инертные) газы (элементы главной подгруппы VIII группы / VIIIA):

Включают гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn.

• Их молекулы одноатомны. Все они являются бесцветными газами без запаха, присутствуют в микроколичествах в атмосфере Земли.
• Обладают предельно стабильной завершенной внешней электронной оболочкой (дублет у гелия, октет из 8 электронов у остальных), поэтому проявляют исключительную химическую инертность. Долгое время считались абсолютно неспособными к реакциям; сегодня получены лишь немногие соединения криптона и ксенона с наиболее электроотрицательными элементами (фтором и кислородом).

ПЕРВЫЕ ПОПЫТКИ КЛАССИФИКАЦИИ И ИХ ОГРАНИЧЕННОСТЬ

В начале XIX века шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус предложил разделить все известные элементы на два противоположных класса: металлы и неметаллы. Основой этой классификации служили контрастные свойства образуемых ими простых веществ, оксидов и гидроксидов:

• Металлам соответствуют основные оксиды и основания (Na → Na₂O → NaOH).
• Неметаллам соответствуют кислотные оксиды и кислоты (S → SO₃ → H₂SO₄).

Однако по мере накопления научных фактов выяснилось, что резкой границы между металлами и неметаллами не существует. Были открыты элементы, оксиды и гидроксиды которых вели себя двойственно: в одних условиях они проявляли свойства оснований, а в других — кислот. Это явление разрушило жесткую дуалистическую схему Берцелиуса и потребовало введения более глубокой периодической систематизации.

ЯВЛЕНИЕ АМФОТЕРНОСТИ

Термин «амфотерность» образован от греческого amphoteros, что означает «и тот и другой», «двойственный». Амфотерностью называют способность химических соединений проявлять как основные, так и кислотные свойства в зависимости от природы вещества, с которым они вступают во взаимодействие.

Соединения, обладающие амфотерными свойствами, образуют такие металлы, как цинк Zn, алюминий Al, бериллий Be, хром(III) Cr, железо(III) Fe.

Доказательство амфотерности гидроксида алюминия (лабораторный опыт 28):

При добавлении к раствору соли алюминия небольшого количества щелочи выпадает характерный белый студенистый осадок гидроксида алюминия:

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

Если полученный осадок разделить на две пробирки и провести сравнительные испытания, наблюдается следующее:

• Реакция с кислотой (проявление основных свойств):

При добавлении соляной кислоты осадок мгновенно растворяется с образованием хлорида алюминия и воды:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

• Реакция с избытком щелочи (проявление кислотных свойств):

При добавлении концентрированного раствора щелочи нерастворимый осадок также полностью растворяется! В этой реакции гидроксид алюминия ведет себя как кислота, формулу которой можно условно записать как H₃AlO₃:

H₃AlO₃ + 3NaOH = Na₃AlO₃ + 3H₂O (ортоалюминат натрия)

В водном растворе образуются устойчивые комплексные соли, в которых атом металла связан с гидроксогруппами в сложный комплексный анион, заключаемый в квадратные скобки:

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄] — тетрагидроксоалюминат натрия.

Амфотерность оксида алюминия Al₂O₃:

Оксид алюминия также реагирует как с кислотами, так и со щелочами:

• с кислотой выступает как основный оксид:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O

• с концентрированным раствором щелочи выступает как кислотный оксид с образованием комплексной соли:

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]

• при твердофазном сплавлении оксида или гидроксида алюминия с сухой щелочью образуется безводная средняя соль — метаалюминат натрия:

Al₂O₃ + 2NaOH —(t)→ 2NaAlO₂ + H₂O

Al(OH)₃ + NaOH —(t)→ NaAlO₂ + 2H₂O

Амфотерность соединений цинка:

Аналогично ведет себя гидроксид цинка Zn(OH)₂:

• с кислотой: Zn(OH)₂ + 2HCl = ZnCl₂ + 2H₂O
• в растворе щелочи (образуется комплексный тетрагидроксоцинкат натрия):

Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄]

• при сплавлении: Zn(OH)₂ + 2NaOH —(t)→ Na₂ZnO₂ + 2H₂O (цинкат натрия).

ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЙ ОТ ВАЛЕНТНОСТИ МЕТАЛЛА

Если химический элемент с переменной валентностью образует несколько оксидов и гидроксидов, их кислотно-основные свойства закономерно изменяются с ростом валентности (степени окисления). Наглядной иллюстрацией служит семейство соединений хрома Cr:

• Низшая валентность (Cr II):

Оксид хрома(II) CrO — типичный основный оксид. Ему соответствует гидроксид хрома(II) Cr(OH)₂ — нерастворимое основание.

• Промежуточная валентность (Cr III):

Оксид хрома(III) Cr₂O₃ — амфотерный оксид. Ему соответствует гидроксид хрома(III) Cr(OH)₃ — амфотерный гидроксид, реагирующий как с кислотами, так и со щелочами.

• Высшая валентность (Cr VI):

Оксид хрома(VI) CrO₃ — ярко выраженный кислотный оксид (хромовый ангидрид). Ему соответствуют сильные кислоты: хромовая H₂CrO₄ и двухромовая (дихромовая) H₂Cr₂O₇.

Общее фундаментальное правило: с повышением валентности металла основные свойства его оксидов и гидроксидов ослабевают, сменяются амфотерными, а при высших валентностях переходят в типичные кислотные.

Все амфотерные гидроксиды нерастворимы в воде и при нагревании легко разлагаются на соответствующий оксид металла и воду:

Zn(OH)₂ —(t)→ ZnO + H₂O

2Al(OH)₃ —(t)→ Al₂O₃ + 3H₂O