Условие задачи
Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической системы, отвечающих их высшей степени окисления. Как изменяется кислотно-основной характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Напишите уравнения реакций, доказывающих амфотерность гидроксида алюминия.
Решение
Мы имеём дело с задачей по неорганической химии, касающейся оксидов и гидроксидов элементов третьего периода и их кислотно–основного поведения. Рассмотрим по порядку.
──────────────────────────────
1. Формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода в их высшей степени окисления
Элементы третьего периода (слева направо):
Натрий (Na), Магний (Mg), Алюминий (Al), Кремний (Si), Фосфор (P), Сера (S) и Хлор (Cl).
Для каждого элемента в его максимальной степени окисления получаем:
• Для щёлочных и щёлочноземельных металлов (Na, Mg, возможно Al – металл) – оксиды и соответствующие гидроксиды являются основными:
– Натрий. Высшая степень: +1.
– Оксид: Na₂O
– Гидроксид: NaOH
– Магний. Высшая степень: +2.
– Оксид: MgO
– Гидроксид: Mg(OH)₂
• Для алюминия (Al, степень +3):
– Оксид: Al₂O₃
– Гидроксид: Al(OH)₃
• Далее идут элементы с неметаллическим поведением, у которых оксиды в высокой степени окисления являются кислотными, а при взаимодействии с водой дают кислоты:
– Кремний. Его оксид – диоксид кремния: SiO₂.
При реакции с водой образуется слабокислый раствор, условно можно записать образование кремнистой кислоты (H₄SiO₄), хотя она широко кросполярна гидратационными процессами.
– Фосфор. Высшая степень – +5.
Оксид – тетракетаподводный оксид, принято записывать как P₄O₁₀ (иногда условно P₂O₅, но на практике молекула P₄O₁₀).
При взаимодействии с водой образуется фосфорная кислота: H₃PO₄.
– Сера. Высшая степень – +6.
Оксид – триоксид серы: SO₃.
При взаимодействии с водой образуется серная кислота: H₂SO₄.
– Хлор. Его высшая степень – +7.
Оксид – диноксид хлора седьмой: Cl₂O₇.
При реакции с водой образуется перхлорная кислота: HClO₄.
──────────────────────────────
2. Изменение кислотно–основного характера при переходе от натрия к хлору
При движении слева направо по третьему периоду изменяется электроотрицательность элементов, что отражается в химическом поведении их соединений. Таким образом, наблюдается следующая картина:
– Оксид натрия (Na₂O) – выраженно основный; взаимодействуя с водой, образует сильный раствор гидроксида (NaOH).
– Оксид магния (MgO) тоже основный, хотя его щёлочность несколько ниже. Гидроксид Mg(OH)₂ является малорастворимым, но по своей сути основным.
– Оксид алюминия (Al₂O₃) и гидроксид алюминия (Al(OH)₃) – амфотерны, то есть могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. Это связано с промежуточной позицией алюминия по электроотрицательности.
– При дальнейшем переходе – кремний, фосфор, сера и хлор – оксиды становятся кислотными и при взаимодействии с водой образуют кислоты (условно «гидроксиды» данных элементов в воде не встречаются как таковые, а имеются соответствующие кислоты).
Таким образом, от сильной основности соединений натрия и магния мы переходим к амфотерности алюминиевых соединений, а затем – к выраженной кислотности соединений неметаллических элементов (Si, P, S, Cl).
──────────────────────────────
3. Реакции, подтверждающие амфотерность гидроксида алюминия
Амфотерный характер Al(OH)₃ доказывают его реакциями как с кислотой, так и с основанием.
(a) Реакция с кислотой (например, с соляной кислотой):
Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O
(b) Реакция с основанием (например, с гидроксидом натрия):
В щёлочной среде гидроксид алюминия растворяется с образованием комплексного аниона тетрагидроксиалюмината. Можно записать уравнение как:
Al(OH)₃ + NaOH → Na[Al(OH)₄]
Либо с учётом воды:
Al(OH)₃ + OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻
Оба уравнения ясно демонстрируют, что Al(OH)₃ может реагировать как с кислотой (придавая H⁺) – проявляя основу, так и с щёлочью (принимая OH⁻) – проявляя кислотные свойства.
──────────────────────────────
Вывод
Мы записали формулы оксидов и гидроксидов (или соответствующих продуктов реакции с водой) для элементов третьего периода в их высшей степени окисления:
• Na: Na₂O и NaOH
• Mg: MgO и Mg(OH)₂
• Al: Al₂O₃ и Al(OH)₃
• Si: SiO₂ (при взаимодействии с водой → H₄SiO₄)
• P: P₄O₁₀ (→ H₃PO₄)
• S: SO₃ (→ H₂SO₄)
• Cl: Cl₂O₇ (→ HClO₄)
Кислотно–основной характер этих соединений меняется от ярко выраженной основы (Na₂O, NaOH) через амфотерные (Al₂O₃, Al(OH)₃) до выраженно кислотных (окислы Si, P, S, Cl, дающие при взаимодействии с водой кислоты). Реакции гидроксида алюминия с кислотой и основанием служат ярким подтверждением его амфотерности.
Таким образом, решение задачи соответствует принципам неорганической химии, где свойства соединений объясняются изменением электроотрицательности и характера химических связей при переходе от металлических к неметаллическим элементам.