amfoteryzm
W chemii związek amfoteryczny (z greckiego amphi- „oba”) jest cząsteczką lub jonem , który może reagować zarówno jako kwas , jak i jako zasada . Co dokładnie to może oznaczać, zależy od tego, jakie definicje kwasów i zasad są używane.
Jednym z typów związków amfoterycznych są cząsteczki amfiprotyczne , które mogą albo oddawać , albo przyjmować proton ( H + ). To właśnie oznacza „amfoteryczny” w teorii kwasowo-zasadowej Brønsteda-Lowry'ego . Na przykład aminokwasy i białka są cząsteczkami amfiprotycznymi ze względu na ich grupy aminowe ( −NH 2 ) i karboksylowe ( −COOH ). Związki samojonizujące, takie jak woda, są również amfiprotyczne.
Amfolity to cząsteczki amfoteryczne, które zawierają zarówno kwasowe, jak i zasadowe grupy funkcyjne . Na przykład aminokwas H 2 N-RCH-CO 2 H ma zarówno grupę zasadową -NH 2, jak i grupę kwasową -COOH i istnieje jako kilka struktur w równowadze chemicznej :
W mniej więcej obojętnym roztworze wodnym (pH ≅ 7) podstawowa grupa aminowa jest w większości protonowana, a kwas karboksylowy w większości deprotonowany, tak że dominującym ugrupowaniem jest jon obojnaczy H 3 N + −RCH − COO − . Wartość pH, przy której średni ładunek wynosi zero, jest znana jako punkt izoelektryczny cząsteczki . Amfolity służą do ustalenia stabilnego gradientu pH do stosowania w ogniskowaniu izoelektrycznym .
Tlenki metali , które reagują zarówno z kwasami, jak i zasadami, tworząc sole i wodę, są znane jako tlenki amfoteryczne. Wiele metali (takich jak cynk , cyna , ołów , aluminium i beryl ) tworzy amfoteryczne tlenki lub wodorotlenki. Tlenek glinu ( Al 2 O 3 ) jest przykładem tlenku amfoterycznego. Amfoteryzm zależy od stopnia utlenienia tlenku. Tlenki amfoteryczne obejmują między innymi tlenek ołowiu (II) i tlenek cynku (II) .
Etymologia
Amfoteryczny pochodzi od greckiego słowa amphoteroi ( ἀμφότεροι ) oznaczającego „oba”. Pokrewne słowa w chemii kwasowo-zasadowej to amfichromatyczny i amfichroiczny , oba opisują substancje, takie jak wskaźniki kwasowo-zasadowe , które dają jeden kolor w reakcji z kwasem, a inny kolor w reakcji z zasadą.
Cząsteczki amfiprotyczne
Zgodnie z teorią kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego kwasy są donorami protonów, a zasady akceptorami protonów. Cząsteczka amfiprotyczna (lub jon) może oddawać lub przyjmować proton , działając w ten sposób jako kwas lub zasada . Woda , aminokwasy , jon wodorowęglanowy (lub jon wodorowęglanowy) HCO - 3 , jon diwodorofosforanowy H 2 PO - 4 i jon wodorosiarczanowy (lub jon wodorosiarczanowy) HSO - 4 są typowymi przykładami gatunków amfiprotycznych. Ponieważ mogą oddawać proton, wszystkie substancje amfiprotyczne zawierają atom wodoru. Ponadto, ponieważ mogą działać jak kwas lub zasada, są amfoteryczne.
Przykłady
Cząsteczka wody jest amfoteryczna w roztworze wodnym. Może albo zyskać proton, tworząc jon hydroniowy H 3 O + , albo stracić proton, tworząc jon wodorotlenkowy OH − .
Inną możliwością jest molekularna reakcja autojonizacji między dwiema cząsteczkami wody, w której jedna cząsteczka wody działa jako kwas, a druga jako zasada.
Jon wodorowęglanowy , HCO - 3 , jest amfoteryczny, ponieważ może działać zarówno jako kwas, jak i zasada:
- Jako kwas, tracąc proton:
- Jako podstawa, przyjmując proton:
Uwaga : w rozcieńczonym roztworze wodnym tworzenie jonu hydroniowego H 3 O + (aq) jest faktycznie zakończone, tak więc uwodnienie protonu można pominąć w odniesieniu do stanu równowagi.
Inne przykłady nieorganicznych kwasów poliprotonowych obejmują aniony kwasu siarkowego , kwasu fosforowego , EDTA i siarkowodoru , które utraciły jeden lub więcej protonów. W chemii organicznej i biochemii ważne przykłady obejmują aminokwasy i pochodne kwasu cytrynowego .
Chociaż gatunek amfiprotyczny musi być amfoteryczny, odwrotność nie jest prawdziwa. Na przykład tlenek metalu, taki jak tlenek cynku , ZnO, nie zawiera wodoru, a zatem nie może przekazać protonu. Niemniej jednak może działać jak kwas, reagując z jonem wodorotlenkowym, zasadą:
Ta reakcja nie jest objęta teorią kwasowo-zasadową Brønsteda-Lowry'ego . Ponieważ tlenek cynku może również działać jako baza:
- ,
jest klasyfikowany raczej jako amfoteryczny niż amfiprotyczny.
tlenki
Tlenek cynku (ZnO) reaguje zarówno z kwasami, jak i z zasadami:
![{\displaystyle {\ce {ZnO + {\overset {base}{2 NaOH}}+ H2O -> Na2[Zn(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/74d5e71e7aa587b8ad69bae31011b80e0602d67d)
Ta reaktywność może być wykorzystana do oddzielenia różnych kationów , na przykład cynku(II), który rozpuszcza się w zasadzie, od manganu(II), który nie rozpuszcza się w zasadzie.
Tlenek ołowiu (PbO):
![{\displaystyle {\ce {PbO + {\overset {base}{2 NaOH}}+ H2O -> Na2[Pb(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c001caa2a110a3c0147e56ddd1f35ee72f165a79)
Tlenek glinu ( Al 2 O 3 ):
- (uwodniony glinian sodu )
![{\displaystyle {\ce {Al2O3 + {\overset {base}{2 NaOH}}+ 3 H2O -> 2 Na[Al(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/52faa63ad997f8e39e8c92ff46e09231931eef7f)
Tlenek cynawy (SnO):
![{\displaystyle {\ce {SnO + {\overset {base}{4 NaOH}}+ H2O <=> Na4[Sn(OH)6]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/feddbd538fb383094e3326036fb28e4dce1a49a5)
Dwutlenek wanadu ( VO 2 ):
Niektóre inne pierwiastki tworzące tlenki amfoteryczne to gal , ind , skand , tytan , cyrkon , chrom , żelazo , kobalt , miedź , srebro , złoto , german , antymon , bizmut , beryl i tellur .
wodorotlenki
Wodorotlenek glinu jest również amfoteryczny:
![{\displaystyle {\ce {Al(OH)3 + {\overset {base}{NaOH}}-> Na[Al(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ebb780f8d6860f968905cbd920bc01c440e89871)
![{\displaystyle {\ce {Be(OH)2 + {\overset {base}{2 NaOH}}-> Na2[Be(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4388f2a51153ed3bd4a24476718747dd0c696c72)
![{\displaystyle {\ce {Cr(OH)3 + {\overset {base}{NaOH}}-> Na[Cr(OH)4]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/74a02400ad1ab9ffdca353a101376bc81c8617a7)