Амфотерные металлы - это удивительное явление в химии. Эти элементы сочетают в себе свойства как металлов, так и неметаллов. Давайте подробно разберемся, что представляют собой амфотерные металлы, какие вещества относят к этой группе и где они применяются. В этой статье мы раскроем все тонкости этого необычного класса химических элементов.
Что такое амфотерные металлы
Амфотерность - это свойство некоторых химических соединений проявлять в химических реакциях как кислотные, так и оснóвные свойства. То есть амфотерные вещества могут вступать в реакцию как с кислотами, так и с основаниями. Это обусловлено особенностями их электронного строения.
Впервые термин "амфотерность" предложил шведский химик Якоб Берцелиус в 1816 году. Он обратил внимание, что оксиды и гидроксиды некоторых металлов проявляют двойственные свойства. К таким веществам относятся соединения алюминия, цинка, висмута, олова, свинца, хрома, марганца, кобальта и других элементов.
Первыми амфотерными металлами, выделенными учеными, стали алюминий, бериллий, цинк и олово. В дальнейшем список амфотерных металлов значительно расширился.
Рассмотрим подробнее некоторые наиболее важные и широко распространенные амфотерные металлы.
Алюминий
Алюминий - самый распространенный представитель амфотерных металлов. Он занимает первое место по объемам производства среди всех металлов в мире. Алюминий находит широчайшее применение благодаря своей легкости, прочности, пластичности, электро- и теплопроводности.
В природе алюминий встречается исключительно в виде соединений, чаще всего - в виде оксидов и силикатов. Чистый металл получают промышленным способом из глинозема и криолита.
Оксид и гидроксид алюминия проявляют амфотерные свойства - они могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями с образованием солей.
Цинк
Цинк - важнейший микроэлемент, необходимый для нормальной жизнедеятельности человека, животных и растений. Он участвует во многих ферментативных реакциях в организме.
В природе цинк встречается главным образом в виде сульфидных и карбонатных руд. Металлический цинк получают путем восстановления оксида углем, а также электролизом хлорида или сульфата цинка.
Оксид и гидроксид цинка проявляют амфотерные свойства, то есть способны реагировать как с кислотами, так и с основаниями.
Железо
Железо - основа современной металлургии и машиностроения. Около 95% всех металлов, производимых в мире - это железо и его сплавы.
В природе железо встречается главным образом в виде оксидов - магнетита и гематита. Для получения чистого металла эти оксиды восстанавливают углеродом в доменных печах.
Гидроксид железа(II) Fe(OH)2 и гидроксид железа(III) Fe(OH)3 проявляют амфотерные свойства - они способны реагировать как с кислотами, так и с основаниями.
Другие амфотерные металлы
Помимо перечисленных выше, к амфотерным металлам относятся хром, марганец, кобальт и некоторые другие переходные элементы. Их оксиды и гидроксиды также проявляют двойственный характер, реагируя с кислотами и основаниями.
Рассмотрим более подробно химические свойства амфотерных металлов и их соединений.
Реакции с неметаллами
Как и другие металлы, амфотерные металлы активно взаимодействуют с неметаллами - кислородом, серой, галогенами и другими. Происходят реакции окисления, в результате которых образуются соответствующие бинарные соединения - оксиды, сульфиды, галогениды и так далее.
2Al + 3Cl2 = 2AlCl3 - алюминий реагирует с хлором с образованием хлорида алюминия.
При окислении амфотерных металлов кислородом воздуха на их поверхности образуется оксидная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления.
Реакции с водой и кислотами
Амфотерные металлы взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов и выделением водорода:
Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + H2↑
С кислотами амфотерные металлы также реагируют с выделением водорода и образованием солей:
2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑
Свойства оксидов и гидроксидов
Как уже отмечалось, оксиды и гидроксиды амфотерных металлов проявляют двойственный характер. Они могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями.
Например, оксид цинка ЗнО реагирует с серной кислотой с образованием соли цинка:
ЗнО + H2SO4 → ZnSO4 + H2О
А с гидроксидом натрия этот оксид образует соль цинката натрия:
ЗнО + 2NaOH → Na2ZnO 2 + H2O
Аналогично ведут себя гидроксиды амфотерных металлов.
Примеры реакций
Рассмотрим несколько примеров, демонстрирующих амфотерные свойства соединений алюминия.
Гидроксид алюминия реагирует с соляной кислотой:
2Al(OH)3 + 6HCl → 2AlCl3 + 6H2O
А с гидроксидом калия этот гидроксид образует алюминат калия:
2Al(OH)3 + 2KOH → 2K[Al(OH)4]
Оксид алюминия реагирует и с азотной кислотой:
Al2O3 + 6HNO 3 → 2Al(NO 3)3 + 3H2O
И с оксидом кальция, образуя алюминат кальция:
Al2O3 + 3CaO → 3CaO·Al2O3
Эти и многие другие реакции подтверждают амфотерный характер соединений алюминия, цинка, железа и других подобных металлов.
Применение амфотерных металлов
Амфотерные металлы и их соединения находят широкое применение в различных областях благодаря своим уникальным свойствам:
- В металлургии. В металлургической промышленности амфотерные металлы используются как компоненты металлических сплавов, придающие им особые свойства. Например, алюминий образует легкие и прочные дуралюминиевые сплавы. Хром и марганец применяются для легирования стали.
- В машиностроении. Благодаря высокой прочности и небольшой плотности детали из алюминиевых сплавов широко используются в авиастроении и ракетостроении. Железо и его сплавы - основа машиностроения.
- В строительстве. Алюминий применяется для изготовления различных строительных конструкций. Соединения хрома используются в качестве компонента цемента, придающего ему особые свойства.
- В электротехнике. Благодаря хорошей электропроводности алюминий широко применяется для изготовления проводов, электродов и других деталей электроприборов.
- В электронике. В электронной промышленности соединения алюминия, цинка, хрома используются при производстве полупроводниковых приборов.
- В химической промышленности. Соединения амфотерных металлов применяются в качестве катализаторов различных химических процессов. Оксид алюминия используется как адсорбент.
- В медицине. Соли и комплексные соединения цинка и железа широко используются в медицине в качестве лекарственных препаратов и добавок. Оксид алюминия применяется как антацидное средство.
Добыча амфотерных металлов
Давайте рассмотрим, как добывают и производят амфотерные металлы в промышленных масштабах:
- Основные месторождения. Крупнейшие месторождения алюминиевых руд находятся в Австралии, Китае, России. Железная руда добывается в Австралии, Бразилии, Китае, России. Месторождения цинковых руд расположены в Канаде, Австралии, Китае.
- Способы добычи. Добыча алюминиевых и железных руд ведется открытым способом, цинковых и марганцевых руд - шахтным. Также применяется подземное выщелачивание.
- Переработка руд. Получение чистых металлов из руд включает такие процессы, как обогащение, плавка, рафинирование. Широко используется электролиз расплавов и растворов солей.
- Крупнейшие производители. Крупнейшими производителями алюминия являются Китай, Россия, Канада. Железо в наибольших объемах производят Китай, Япония, Индия. Ведущие производители цинка - Китай, Перу, Австралия.
