Амфотерные соединения

amphoteric compound - амфотерное соединение.

Химическое соединение, способное проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от природывторого компонента, участвующего в кислотно-основном взаимодействии (одно и то же А.с., реагируя ссильной кислотой, имеет тенденцию проявлять основные свойства, а при реакции с сильными основаниями -кислотные); к А.с. относятся аминокислоты, белки, нуклеопротеиды и т.д.; А.с. используются в методахразделения белков (изоэлектрическое фокусирование <isoelectric focusing>) в градиенте рН.

 

Амфоте́рность (от др.-греч. (ἀμφότεροι — «двойственный», «обоюдный») — способность некоторых соединений проявлять в зависимости от условий как кислотные, так и осно́вные свойства.

Понятие амфоте́рность как характеристика двойственного поведения вещества было введено в 1814 г. Ж. Гей-Люссаком и Л. Тенаром. А. Ганч в рамках общей химической теории кислотно-основных взаимодействий (1917-1927 гг.) определил амфоте́рность как «способность некоторых соединений проявлять как кислотные, так и основные свойства в зависимости от условий и природы реагентов, участвующих в кислотно-основном взаимодействии, особенно в зависимости от свойств растворителя»[1].

Амфотерные гидроксиды таких элементов главных подгрупп, как бериллий, алюминий, галлий, мышьяк, сурьма, селен и др., таких элементов побочных подгрупп как хром, цинк, молибден, вольфрам и многих других. Обычно в химическом поведении гидроксидов преобладает или кислотный, или основный характер[2].

 

 

Амфотерность как химическое свойство

Амфотерность как химическое свойство вещества может проявляться по-разному:

1. В рамках теории электролитической диссоциации это способность вещества к электролитической диссоциации как по механизму кислот (с отщеплением ионов гидроксония, H+ ), так и по механизму оснований (отщепление гидроксид-ионов, OH–). Электролиты, которые в растворе ионизируются одновременно по кислотному и основному типам называются амфолитами[3]. Если обозначить амфотерный электролит формулой ROH, то его диссоциацию можно описать схемой:

H+ + RO–  ROH  R+ + OH–

Амфотерное поведение фторхинолонов

Например, кислотно-основные свойства азотистой кислоты определяются равновесными процессами диссоциации с образованием нитрит-аниона и нитрозильного катиона:

HNO2  H+ + NO2- (Ka ~ 105)

HNO2  NO+ + OH- (Kb ~ 107).

Идеальным амфолитом будет вода:

H2O  H+ + OH-

Также к числу идеальных амфолитов относят гидроксид галлия Ga(OH)3, вторые и третьи константы диссоциации которого по кислотному и основному типам практически одинаковы[2].

 

2. В рамках протолитической теории Брёнстеда-Лоури проявление амфотерности рассматривается как способность протолита выступать донором и акцептором протона. Например, для воды амфотерность проявляется как автопротолиз[4]:

H2O + H2O  H3O+ + OH-

Амфолитами также будут вещества, имеющие в своём составе функциональные группы, способные быть донорами и акцепторами протонов. Например, к амфотерным органическим электролитам относятся белки,пептиды и аминокислоты. Так аминокислоты имеют в своём составе, по крайней мере, карбоксильную группу –COOH и аминогруппу –NH2. В растворе эти группы подвергаются частичной ионизации:

R–COOH + H2O  R–COO– + H3O+

R–NH2 + H2O  R–NH3+ + OH-

Таким образом, молекула аминокислоты находится в двух равновесных формах, заряженной (цвиттер-ион) и незаряженной. В этих комбинациях R–COOH и R–NH3+ являются потенциальными кислотами (донорами протонов, катионов), а R–COO– и R–NH2 – сопряженными потенциальными основаниями (акцепторами протонов, катионов).

 

3. Амфотерность может проявляться как способность вещества к взаимодействию как с кислотами, так и с основаниями. Это характерно для оксидов, гидроксидов и комплексных соединений некоторых p-элементов и большинства d-элементов в промежуточных степенях окисления. Амфотерность в той или иной степени является общим свойством гидроксидов[3]. Например, для соединений хрома (III) известны реакции[5]:

Cr(OH3) (тв) + 3HCl (р-р)  CrCl3 (р-р) + 3H2O

Cr(OH3) (тв) + NaOH (р-р) + 2H2O  Na[Cr(OH)4(H2O)2] (р-р)

Cr2O3 (тв) + 6HCl (р-р)  2CrCl3 (р-р) + 3H2O

Cr2O3 (тв) + Na2CO3 (плавл)  2NaCrO2 + CO2 (газ)

Не соответствуют действительности традиционные представления о проявлении амфотерности гидроксидов как диссоциации по кислотному и основному типам[2]. В общем виде амфотерное поведение нерастворимых гидроксидов хрома (III), алюминия, цинка может описано как реакции ионного обмена ионов среды с лигандами H2O и OH–. Например, для Al(OH3) ионные равновесия могут быть записаны следующим образом:

[Al(OH)3(H2O)3] + 3H3O+  Al(H2O)63+ + 3H2O (в кислой среде)

[Al(OH)3(H2O)3] + 3OH-  Al(OH)63-. (в щелочной среде)

 

4. В ряде случаев важным косвенным признаком амфотерности является способность элемента образовывать два ряда солей, катионного и анионного типа[6]. Например, для цинка: ZnCl2, [Zn(H2O)4]SO4 (катионные) и Na2ZnO2, Na2(Zn(OH)4) (анионные).