Условие задачи
Существование галлия было впервые предсказано Д. И. Менделеевым, который назвал его экаалюминием. Попробуйте вслед за Менделеевым предсказать свойства этого элемента, исходя из его положения в Периодической системе. Каков характер свойств оксида и гидроксида галлия? Напишите уравнения реакций оксида галлия с серной кислотой и расплавленным гидроксидом натрия.
Решение
Дисциплина задачи – химия (общая и неорганическая химия, специальные свойства элементов и их соединений).
По положению галлия в Периодической системе, сразу после алюминия, Менделеев предсказал, что свойства экаалюминия (галлия) будут во многом схожими с алюминием. Это означает, что его оксид (Ga₂O₃) и гидроксид (Ga(OH)₃) должны проявлять амфотерный характер – то есть реагировать как с кислотами, так и с основаниями.
Ниже приводится подробное решение с использованием принципов периодичности и амфотерности оксидов и гидроксидов:
1. Сравнительный анализ с алюминием.
Алюминий (Al) находится в одной группе с галлием (Ga). Известно, что оксид алюминия (Al₂O₃) и гидроксид алюминия (Al(OH)₃) проявляют амфотерные свойства. Следовательно, можно предсказать, что и оксид галлия, Ga₂O₃, а также гидроксид галлия, Ga(OH)₃, будут амфотерными.
2. Амфотерность оксида и гидроксида галлия.
Амфотерные соединения реагируют как с кислотами, так и с основаниями. Это означает, что Ga₂O₃ будет реагировать с кислотами (например, с серной кислотой) с образованием соответствующего галлиевого солей, а с основаниями (например, с расплавленным гидроксидом натрия) – с образованием галлатов (аналогично образованию натрального алюмината). С гидроксидом происходит аналогичная реакция.
3. Уравнения реакций.
А) Реакция оксида галлия с серной кислотой.
Типичная реакция для амфотерного оксида с кислотой происходит по схеме:
Ga₂O₃ + 3H₂SO₄ → Ga₂(SO₄)₃ + 3H₂O
Здесь оксид галлия реагирует с серной кислотой, в результате чего образуется сульфат галлия и вода.
Б) Реакция оксида галлия с расплавленным гидроксидом натрия.
При взаимодействии амфотерного оксида с сильным основанием (NaOH) получается соответствующий галлат – аналог реакции оксида алюминия с NaOH. Можно записать уравнение как:
Ga₂O₃ + 2NaOH → 2NaGaO₂ + H₂O
Это уравнение аналогично реакции образования натрального алюмината (NaAlO₂) из Al₂O₃, однако следует отметить, что в присутствии избытка воды может быть образован комплексный ион:
Ga₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Ga(OH)₄]
В зависимости от условий реакции (сухой расплав или водный раствор) образуется либо галлат – NaGaO₂, либо комплексный тетрагидроксигаллат – [Ga(OH)₄]⁻. В условии задачи указано расплавленный NaOH, поэтому предпочтительно рассмотреть первую форму – NaGaO₂.
Таким образом, задача решается следующим образом:
• Предсказание свойств: Исходя из положения галлия в таблице Менделеева, его соединения (Ga₂O₃ и Ga(OH)₃) обладают амфотерным характером.
• Уравнения реакций:
1) Ga₂O₃ + 3H₂SO₄ → Ga₂(SO₄)₃ + 3H₂O
2) Ga₂O₃ + 2NaOH → 2NaGaO₂ + H₂O
Эти уравнения отражают типичные реакции амфотерного оксида галлия с кислотой и основанием.