Амфотерні оксиди й гідроксиди Цинку та Алюмінію

Амфотерність — це здатність хімічної сполуки виявляти основні властивості в реакціях із кислотами й кислотні властивості в реакціях із лугами. Слово походить від грецького «амфотерос» — «і той, і другий». Програма НМТ вимагає складати рівняння реакцій для оксидів і гідроксидів Цинку (ZnO, Zn(OH)₂) і Алюмінію (Al₂O₃, Al(OH)₃). Амфотерні також BeO, Cr₂O₃, PbO та відповідні гідроксиди — їх варто вміти впізнати, хоча рівнянь для них програма не вимагає.

Фізичні властивості

ZnO й Al₂O₃ — білі тверді речовини, нерозчинні у воді. Вони не реагують із водою, тому з них не можна «приготувати» гідроксиди простим додаванням H₂O. Zn(OH)₂ і Al(OH)₃ — білі драглисті осади, які в таблиці розчинності позначені літерою «Н» (нерозчинні). Їхній драглистий вигляд — характерна ознака, яка допомагає впізнати ці сполуки в лабораторному досліді.

Формальне перегрупування формули

Щоб зрозуміти, чому солі амфотерних гідроксидів називають цинкатами й алюмінатами, запиши гідроксид у вигляді кислоти, переставивши атоми Гідрогену наперед:

• Zn(OH)₂ ↔ H₂ZnO₂ — цинкатна кислота (аніон ZnO₂²⁻ — цинкат-іон)

• Al(OH)₃ ↔ H₃AlO₃ — ортоалюмінатна кислота; HAlO₂ — метаалюмінатна кислота (аніон AlO₂⁻ — метаалюмінат-іон)

Важливо: це формальний прийом, який допомагає запам’ятати назви солей. У водному розчині стійких кислот H₂ZnO₂ чи H₃AlO₃ не існує. Однак саме через таке перегрупування продукти сплавляння називають цинкатами (Na₂ZnO₂) і метаалюмінатами (NaAlO₂).

Алюміній і Цинк у катіонах та аніонах

Один і той самий елемент може входити до складу різних іонів. Ступінь окиснення при цьому не змінюється, але роль у сполуці — різна:

Наприклад, у сполуці K[Al(OH)₄] Алюміній входить до складу аніона [Al(OH)₄]⁻, а в AlCl₃ — до катіона Al³⁺. Уміння розрізняти ці форми перевіряють у завданні № 10 демоваріанта НМТ.

Амфотерні оксиди й гідроксиди виявляють основні властивості, реагуючи з кислотами, і кислотні властивості, реагуючи з лугами. Розгляньмо обидва випадки для розчинів.

Реакції з кислотами (основні властивості)

З кислотами амфотерні сполуки поводяться як звичайні основні оксиди або нерозчинні основи: утворюють сіль і воду.

• ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O

• Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

• Zn(OH)₂ + H₂SO₄ → ZnSO₄ + 2H₂O

• Al(OH)₃ + 3HNO₃ → Al(NO₃)₃ + 3H₂O

Зверни увагу: у цих реакціях Алюміній і Цинк входять до складу катіона (Al³⁺, Zn²⁺). Продукти — звичайні солі, які добре розчинні у воді.

Реакції з лугами в розчині (кислотні властивості)

У розчині лугу амфотерні сполуки виявляють кислотні властивості. При цьому утворюються гідроксокомплекси — сполуки, де атом металу оточений гідроксильними групами:

• Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] — натрій тетрагідроксоцинкат

• Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] — натрій тетрагідроксоалюмінат

• ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄]

• Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄]

Поміть: у рівняннях із ZnO й Al₂O₃ обов’язково бере участь вода. Без води гідроксокомплекси не утворюються — це ще одна відмінність від сплавляння.

Як відрізнити амфотерний гідроксид від основного

Основні гідроксиди — Mg(OH)₂, Cu(OH)₂, Fe(OH)₂ — у лугах не розчиняються. Це найпростіший спосіб розрізнити їх в одному завданні:

Якщо до розчину AlCl₃ додавати NaOH краплями, спочатку випадає білий драглистий осад Al(OH)₃. Якщо продовжити додавати NaOH, осад розчиняється. З MgCl₂ осад Mg(OH)₂ не розчиняється в надлишку лугу — це ключ до розпізнавання.

Якщо нагріти (сплавити) амфотерний оксид або гідроксид із твердим лугом, гідроксокомплекси не утворюються. Замість них виникають цинкати й метаалюмінати, а також виділяється вода. Умова «t» або «сплавляння» в завданні — сигнал, що треба писати саме ці продукти.

Рівняння сплавляння

• Zn(OH)₂ + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + 2H₂O (натрій цинкат)

• Al(OH)₃ + NaOH → NaAlO₂ + 2H₂O (натрій метаалюмінат)

• ZnO + 2NaOH → Na₂ZnO₂ + H₂O

• Al₂O₃ + 2NaOH → 2NaAlO₂ + H₂O

Порівняй два рівняння для Al(OH)₃:

Той самий реагент — різні продукти. Тому перше, що треба прочитати в умові завдання, — це слова «розчин», «сплавляння» або позначка «t». Саме вони визначають, який продукт записувати.

Назви солей

Запам’ятай назви продуктів — вони знадобляться в завданнях на відповідність:

• Na₂ZnO₂ — натрій цинкат

• NaAlO₂ — натрій метаалюмінат

• K₂[Zn(OH)₄] — калій тетрагідроксоцинкат

• K[Al(OH)₄] — калій тетрагідроксоалюмінат

Зверни увагу на заряд аніона: [Zn(OH)₄]²⁻ потребує двох катіонів Калію (K₂), а [Al(OH)₄]⁻ — лише одного (K). Це часто плутають, і саме на цьому побудовані дистрактори в тесті.

Амфотерні гідроксиди добувають реакцією обміну між розчинною сіллю металу й лугом. Ключова умова: луг додають без надлишку, тобто краплями, поки не випаде осад. Якщо луг узяти в надлишку, осад розчиниться.

Добування гідроксидів (луг без надлишку)

• ZnCl₂ + 2NaOH → Zn(OH)₂↓ + 2NaCl

• AlCl₃ + 3NaOH → Al(OH)₃↓ + 3NaCl

• Al₂(SO₄)₃ + 6KOH → 2Al(OH)₃↓ + 3K₂SO₄

Стрілка вниз (↓) біля Zn(OH)₂ і Al(OH)₃ показує, що ці сполуки випадають в осад. Саме так їх і виділяють.

Чому луг не можна брати в надлишку

Амфотерні гідроксиди розчиняються в надлишку лугу. Якщо додати більше NaOH, ніж потрібно, осад зникає:

• Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄] — осад розчиняється

• Сумарно: AlCl₃ + 4NaOH → Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

• ZnSO₄ + 4NaOH → Na₂[Zn(OH)₄] + Na₂SO₄

Найбільше осаду Al(OH)₃ утворюється, коли співвідношення n(AlCl₃) : n(NaOH) = 1 : 3. Якщо співвідношення стає 1 : 4, осад повністю розчиняється. Це важливо пам’ятати в задачах на кількість речовини.

Добування оксидів

Оксиди ZnO й Al₂O₃ добувають термічним розкладанням відповідних гідроксидів під час нагрівання:

• 2Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3H₂O (t)

• Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O (t)

Оскільки оксиди не реагують із водою, зворотна реакція (Al₂O₃ + H₂O → Al(OH)₃) не відбувається — це типова помилка.

Руйнування тетрагідроксоалюмінату кислотою

Якщо на тетрагідроксоалюмінат подіяти надлишком сильної кислоти, комплекс руйнується, і Алюміній знову переходить у катіон:

Na[Al(OH)₄] + 4HCl → NaCl + AlCl₃ + 4H₂O

Це зворотний процес до утворення комплексу — чотири молекули кислоти нейтралізують чотири гідроксильні групи.

Розгляньмо чотири типові завдання НМТ на тему амфотерних сполук. Кожне розібране покроково.

Приклад 1. Продукт взаємодії Al(OH)₃ з надлишком розчину NaOH

Завдання: Укажи продукт взаємодії алюміній гідроксиду з надлишком розчину натрій гідроксиду.

Розв’язання: Al(OH)₃ — амфотерний гідроксид. У розчині лугу (не сплавляння!) він утворює гідроксокомплекс. Оскільки NaOH у надлишку, осад Al(OH)₃ повністю розчиняється. Рівняння: Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]. Продукт — натрій тетрагідроксоалюмінат.

Відповідь: Na[Al(OH)₄].

Чому інші варіанти неправильні:

• NaAlO₂ і H₂O — це продукти сплавляння, а в умові сказано «розчин».

• Al₂O₃ — оксид, який утворюється під час нагрівання гідроксиду, а не від дії лугу.

• «Реакція не відбувається» — помилка, бо Al(OH)₃ реагує з лугом.

Приклад 2. Логічні пари: реагенти й умови → продукти

Завдання: Установи відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакції (А–Д).

Розв’язання:

• 1 → А: сплавляння ZnO з NaOH дає цинкат і воду — Na₂ZnO₂ + H₂O.

• 2 → Б: у розчині Zn(OH)₂ з NaOH утворює тетрагідроксоцинкат — Na₂[Zn(OH)₄].

• 3 → В: Zn(OH)₂ з HCl — реакція нейтралізації, продукти ZnCl₂ + H₂O.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В. Варіанти Г і Д зайві.

Приклад 3. Два твердження

Завдання: Оціни правильність двох тверджень.

I. У сполуці K[Al(OH)₄] Алюміній входить до складу катіона.

II. ZnO реагує з розчином NaOH.

Розв’язання: I — неправильне. У K[Al(OH)₄] Алюміній входить до складу аніона [Al(OH)₄]⁻, а катіоном є K⁺. II — правильне. ZnO — амфотерний оксид, у розчині лугу він реагує з утворенням Na₂[Zn(OH)₄] (за участю води).

Відповідь: правильне лише II.

Приклад 4. Розпізнавання розчинів

Завдання: Яким реагентом можна розрізнити розчини AlCl₃ і MgCl₂?

Розв’язання: До обох розчинів додають надлишок NaOH. В обох випадках спочатку випадає осад: Al(OH)₃ (білий драглистий) і Mg(OH)₂ (білий). Але Al(OH)₃ у надлишку лугу розчиняється, а Mg(OH)₂ — ні. Отже, за розчиненням осаду можна розрізнити ці солі.

Відповідь: надлишок розчину NaOH.

Чому інші варіанти не підходять:

• HCl — не дає осаду з жодним розчином.

• AgNO₃ — дає білий осад AgCl з обома (хлорид-іон однаковий).

• NaNO₃ — не реагує з жодним.

• Забувають, що в надлишку лугу осад Al(OH)₃ чи Zn(OH)₂ розчиняється, і записують осад як кінцевий продукт. Наприклад, у завданні «AlCl₃ + надлишок NaOH →» пишуть Al(OH)₃↓, хоча насправді утворюється Na[Al(OH)₄]. Завжди перевіряй, чи є слово «надлишок».

• Плутають продукти в розчині й під час сплавляння: пишуть NaAlO₂ для реакції в розчині або Na[Al(OH)₄] для сплаву. Запам’ятай: розчин → гідроксокомплекс (з квадратними дужками), сплавляння → цинкат/метаалюмінат (без дужок) + вода.

• Вважають ZnO основним оксидом, бо ступінь окиснення Цинку +2. Насправді ступінь окиснення +2 не гарантує основного характеру: характер оксиду залежить і від елемента, і від його ступеня окиснення, а ZnO (як і BeO) — амфотерний. ZnO реагує і з HCl, і з NaOH.

• Записують Al₂O₃ + H₂O → Al(OH)₃ або ZnO + H₂O → Zn(OH)₂. Ці оксиди з водою не реагують! Гідроксиди добувають із солей, а не з оксидів.

• Розчиняють у лугу Mg(OH)₂ чи Cu(OH)₂, вважаючи їх амфотерними. Це основні гідроксиди — вони не реагують із лугами. Амфотерність треба довести двома реакціями.

• Пишуть у тетрагідроксоцинкаті один атом Натрію: Na[Zn(OH)₄] замість Na₂[Zn(OH)₄]. Пам’ятай: заряд аніона [Zn(OH)₄]²⁻, тому потрібно два катіони Na⁺.

Тема «Амфотерні сполуки» (пункт 2.2.5 програми) є основною в завданні № 10 демоваріанта НМТ 2026. Форма — вибір однієї відповіді з чотирьох за двома твердженнями. Завдання оцінюється в 1 бал. У ньому перевіряють, чи розумієш ти, де Алюміній входить до катіона, а де — до аніона, і чи знаєш, що амфотерний оксид реагує з лугом.

Логічні пари (завдання 19–20) мають формат 1–3 → А–Д, де дві букви зайві. Кожна правильно встановлена пара дає 1 бал. У демоваріанті 2026 року вони стосувалися якісних реакцій органічних сполук і гідролізу солей. Вправи «реагенти й умови → продукти» в цьому уроці — тренувальні: у них «розчин» і «сплавляння» дають різні продукти, і на цьому побудована пастка.

Довідкові матеріали НМТ містять таблицю «Розчинність основ, кислот, амфотерних гідроксидів і солей у воді». У ній показано розчинність Zn(OH)₂ і Al(OH)₃ (позначка «Н») та їхніх солей. Однак рівнянь реакцій із лугами в довідці немає — їх треба знати напам’ять.

Стратегія виконання

• У завданні з двома твердженнями спочатку оціни кожне твердження окремо (правильне / неправильне), а потім вибери комбінацію з чотирьох варіантів.

• У завданні на відповідність першим прочитай умову: «розчин», «сплавляння» чи «t». Це визначає, який продукт шукати.

• Якщо в завданні є слово «надлишок» щодо лугу — осад амфотерного гідроксиду не буде кінцевим продуктом.

• Головні амфотерні сполуки програми НМТ — ZnO, Zn(OH)₂, Al₂O₃, Al(OH)₃. Вони реагують і з кислотами, і з лугами.

• З кислотою утворюють сіль і воду (ZnCl₂, AlCl₃ тощо) — виявляють основні властивості.

• З лугом у розчині утворюють гідроксокомплекси: Na₂[Zn(OH)₄] (натрій тетрагідроксоцинкат) і Na[Al(OH)₄] (натрій тетрагідроксоалюмінат).

• Під час сплавляння з лугом утворюються цинкати й метаалюмінати та вода: Na₂ZnO₂, NaAlO₂ + H₂O.

• Гідроксиди добувають із солі й лугу без надлишку, бо в надлишку лугу осад розчиняється.

• Алюміній і Цинк бувають і в катіонах (Al³⁺, Zn²⁺), і в аніонах ([Al(OH)₄]⁻, AlO₂⁻, [Zn(OH)₄]²⁻, ZnO₂²⁻).

• Основні гідроксиди (Mg(OH)₂, Cu(OH)₂) у лугах не розчиняються — це спосіб відрізнити їх від амфотерних.