در دستهبندی ساده مواد، اکسید فلزها را بازی و اکسید نافلزها را اسیدی میدانیم؛ اما این الگو استثناهای مهمی دارد. آلومینیم اکسید و آلومینیم هیدروکسید میتوانند هم با اسید و هم با باز قوی واکنش دهند و به همین دلیل «آمفوتری» نامیده میشوند. این رفتار در سؤالهای معادلهنویسی، رسوبگیری و شناسایی یون آلومینیم اهمیت دارد و اگر فقط جمله «فلزها اکسید بازی میسازند» را حفظ کرده باشیم، گیجکننده میشود. در این مقاله معنای آمفوتری را در سطح کتاب درسی روشن میکنیم، معادلههای یونی را مرحلهبهمرحله میخوانیم، تفاوت افزودن مقدار کم و اضافی باز را میبینیم و با یک مثال عددی نسبتهای مولی را به کار میبریم.
آمفوتری یعنی واکنشپذیری در برابر اسید و باز
ماده آمفوتری در شرایط مناسب میتواند در برابر اسید رفتاری بازی و در برابر باز رفتاری اسیدی نشان دهد. این تعریف به رفتار ماده در یک واکنش مشخص مربوط است، نه اینکه محلول آن ماده الزاماً همزمان اسیدی و بازی باشد. Al₂O₃ و Al(OH)₃ دو نمونه مهم از ترکیبهای آمفوتری آلومینیماند.
آلومینیم فلز است، اما یون Al³⁺ کوچک و دارای چگالی بار نسبتاً زیاد است. این ویژگی بر پیوندهای آلومینیم و اکسیژن اثر میگذارد و سبب میشود اکسید و هیدروکسید آن کاملاً شبیه اکسیدها و هیدروکسیدهای بازی ساده رفتار نکنند. در سطح دبیرستان، مطمئنترین راه تشخیص آمفوتریبودن، بررسی واکنش ماده با یک اسید قوی و یک باز قوی است.
- آمفوتری یک توصیف رفتاری در واکنش اسید–باز است
- Al₂O₃ و Al(OH)₃ هر دو آمفوتریاند
- آمفوتریبودن به معنی خنثیبودن همیشگی ماده نیست
- برای اثبات رفتار، هر دو مسیر واکنش با اسید و باز را بررسی کن
آلومینیم هیدروکسید در برابر اسید نقش باز دارد
در محیط اسیدی، یون H⁺ با گروههای OH موجود در Al(OH)₃ واکنش میدهد و آب میسازد. معادله یونی خالص چنین است: Al(OH)₃(s) + 3H⁺(aq) → Al³⁺(aq) + 3H₂O(l). رسوب آلومینیم هیدروکسید مصرف میشود و یونهای آلومینیم وارد محلول میشوند.
اگر اسید هیدروکلریک را به صورت مولکولی بنویسیم، معادله Al(OH)₃ + 3HCl → AlCl₃ + 3H₂O به دست میآید. یون Cl⁻ در اصل یون تماشاگر است؛ بنابراین معادله یونی بهتر نشان میدهد که عامل اصلی حلشدن رسوب، مصرفشدن یون H⁺ است. در این واکنش Al(OH)₃ پروتون میپذیرد و رفتار بازی دارد.
- هر مول Al(OH)₃ برای واکنش کامل به سه مول H⁺ نیاز دارد
- فرآورده آلومینیم در محیط اسیدی به صورت ساده Al³⁺ نمایش داده میشود
- Cl⁻ در واکنش با HCl یون تماشاگر است
- ناپدیدشدن رسوب نتیجه یک واکنش شیمیایی است، نه صرفاً رقیقشدن
همان رسوب در باز اضافی، یون آلومینات محلول میسازد
آلومینیم هیدروکسید با باز قوی اضافی نیز واکنش میدهد. نمایش رایج این فرایند در محلول آبی Al(OH)₃(s) + OH⁻(aq) → [Al(OH)₄]⁻(aq) است. یون تتراهیدروکسوآلومینات حاصل در محلول میماند؛ پس رسوبی که با افزودن مقدار اولیه باز تشکیل شده بود، در مقدار اضافی باز میتواند دوباره حل شود.
در این مسیر، Al(OH)₃ در برابر OH⁻ رفتار اسیدی نشان میدهد. توجه کن که نسبت واکنش این بار یک مول OH⁻ به یک مول Al(OH)₃ است، نه سه به یک. در بعضی منابع درسی یا شرایط متفاوت، آلومینات را با نمایش ساده AlO₂⁻ مینویسند. این دو نمایش را نباید بدون موازنه جایگزین هم کرد؛ در محلول آبی، نوشتن [Al(OH)₄]⁻ آب و گروههای هیدروکسید پیرامون آلومینیم را آشکارتر نشان میدهد.
- در باز اضافی، گونه محلول [Al(OH)₄]⁻ تشکیل میشود
- برای این معادله به ازای هر مول رسوب یک مول OH⁻ مصرف میشود
- حلشدن در اسید و حلشدن در باز دو واکنش متفاوتاند
- شکل آلومینات را مطابق قرارداد صورت سؤال بنویس و معادله را موازنه کن
افزودن باز به یون آلومینیم دو مرحله قابل تشخیص دارد
اگر به محلول دارای Al³⁺ مقدار کمی OH⁻ اضافه کنیم، ابتدا رسوب سفید Al(OH)₃ تشکیل میشود: Al³⁺(aq) + 3OH⁻(aq) → Al(OH)₃(s). برای هر مول یون آلومینیم، سه مول یون هیدروکسید لازم است. این مرحله را میتوان واکنش رسوبی دانست، زیرا گونه محلول به جامد کممحلول تبدیل میشود.
با ادامه افزودن باز پس از کاملشدن رسوبگیری، OH⁻ اضافی با رسوب واکنش میدهد و [Al(OH)₄]⁻ محلول میسازد. جمع دو مرحله را میتوان Al³⁺ + 4OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻ نوشت. بنابراین مشاهده درست چنین است: ابتدا رسوب پدید میآید و سپس در باز اضافی ناپدید میشود. اگر مقدار باز فقط برای بخشی از مرحله دوم کافی باشد، مقداری رسوب باقی خواهد ماند.
- مرحله اول: تشکیل رسوب با نسبت Al³⁺:OH⁻ برابر ۱:۳
- مرحله دوم: حلشدن رسوب در یک مول OH⁻ اضافی
- واکنش کلی در باز فراوان نسبت ۱:۴ دارد
- مقدار واکنشدهنده تعیین میکند در پایان یون، رسوب یا آلومینات غالب باشد
آلومینیم اکسید نیز دو مسیر اسیدی و بازی دارد
آلومینیم اکسید جامدی یونی با فرمول Al₂O₃ است. در برابر اسید، یون اکسید سرانجام به آب تبدیل میشود و معادله یونی موازنهشده Al₂O₃(s) + 6H⁺(aq) → 2Al³⁺(aq) + 3H₂O(l) است. دو اتم آلومینیم و سه اتم اکسیژن و بار کل ۶+ در دو طرف پایستهاند.
در محلول بازی میتوان مسیر تشکیل آلومینات را به صورت Al₂O₃(s) + 2OH⁻(aq) + 3H₂O(l) → 2[Al(OH)₄]⁻(aq) نوشت. حضور آب برای موازنه اتمهای هیدروژن و اکسیژن ضروری است. صرف دانستن فرآورده کافی نیست؛ در هر معادله باید شمار اتمها و بار الکتریکی دو طرف را جداگانه کنترل کنیم.
- Al₂O₃ با اسید، Al³⁺ و آب میسازد
- هر مول Al₂O₃ در مسیر اسیدی شش مول H⁺ مصرف میکند
- در مسیر بازی، آب یکی از واکنشدهندههای معادله یونی است
- هم اتمها و هم مجموع بار باید در معادله یونی پایسته باشند
رفتار آمفوتری را با خنثیبودن و اکسایشـکاهش اشتباه نگیر
در معادلههای بالا عدد اکسایش آلومینیم ۳+ باقی میماند: در Al(OH)₃، Al₂O₃، Al³⁺ و [Al(OH)₄]⁻ عدد اکسایش آن تغییر نمیکند. پس این واکنشها اسید–باز یا تشکیل و انحلال رسوباند، نه واکنش اکسایشـکاهش. تغییر حالت فیزیکی نیز بهتنهایی نشانه انتقال الکترون نیست.
همچنین واژه آمفوتری با واژه خنثی مترادف نیست. برای نمونه CO یک اکسید خنثی به شمار میآید، زیرا در دستهبندی ساده نه رفتار اسیدی معمول دارد و نه رفتار بازی معمول؛ اما Al₂O₃ آمفوتری است چون با هر دو گروه واکنش میدهد. از سوی دیگر، آلومینیم فلزی میتواند در بعضی واکنشها اکسید شود، ولی این ویژگی را نباید با آمفوتریبودن ترکیبهای آن یکی دانست.
- ثابتماندن عدد اکسایش Al نشان میدهد انتقال خالص الکترون نداریم
- آمفوتری با خنثی هممعنی نیست
- حلشدن رسوب الزاماً واکنش اکسایشـکاهش نیست
- رفتار فلز Al را از رفتار Al₂O₃ و Al(OH)₃ جدا بررسی کن
مثال حلشده: مقدار اسید لازم برای حلکردن رسوب را حساب کن
فرض کن 7.8 g آلومینیم هیدروکسید خالص داریم. جرم مولی تقریبی Al(OH)₃ برابر 27 + 3(16 + 1) = 78 g·mol⁻¹ است؛ بنابراین مقدار ماده رسوب 7.8÷78 = 0.100 mol خواهد بود.
طبق معادله Al(OH)₃ + 3H⁺ → Al³⁺ + 3H₂O، برای هر مول رسوب سه مول H⁺ لازم است. پس 0.100 mol رسوب به 0.300 mol H⁺ نیاز دارد. اگر محلول HCl غلظت 0.500 mol·L⁻¹ داشته باشد و تفکیک آن را کامل بگیریم، حجم لازم V = n/C = 0.300÷0.500 = 0.600 L، یعنی 600 mL است. همین مقدار رسوب برای حلشدن در مسیر بازیِ نوشتهشده فقط 0.100 mol OH⁻ مصرف میکند؛ تفاوت ضرایب دو معادله علت این اختلاف است.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: به 0.020 mol یون Al³⁺ آنقدر NaOH افزوده میشود که فرآورده نهایی [Al(OH)₄]⁻ باشد. چند مول OH⁻ لازم است؟ از معادله کلی Al³⁺ + 4OH⁻ → [Al(OH)₄]⁻، مقدار یون هیدروکسید برابر 4×0.020 = 0.080 mol است. از این مقدار، 0.060 mol برای تشکیل اولیه 0.020 mol رسوب و 0.020 mol دیگر برای حلکردن همان رسوب مصرف میشود.
برای حل سؤال، ابتدا وضعیت آغاز و پایان را مشخص کن. اگر پایان Al(OH)₃ است، نسبت Al³⁺ به OH⁻ را ۱ به ۳ بگیر؛ اگر باز اضافی داده شده و پایان [Al(OH)₄]⁻ است، نسبت کلی ۱ به ۴ خواهد بود. در واکنش رسوب با اسید، نسبت Al(OH)₃ به H⁺ برابر ۱ به ۳ و در واکنش آن با باز اضافی، نسبت رسوب به OH⁻ برابر ۱ به ۱ است. سپس اتمها، بار و واحدهای مولی را کنترل کن.
- آمفوتریبودن را با دو معادله مستقل نشان بده
- در اسید، رسوب به Al³⁺ تبدیل میشود
- در باز اضافی، رسوب به [Al(OH)₄]⁻ تبدیل میشود
- برای تشکیل رسوب سه مول و برای تبدیل کلی به آلومینات چهار مول OH⁻ لازم است
- عدد اکسایش آلومینیم در این واکنشها تغییر نمیکند
- پیش از محاسبه مشخص کن مقدار باز کم است یا اضافی
برای تشخیص رفتار آمفوتری، واکنش یک ماده را با اسید و باز قوی جداگانه بنویس. Al(OH)₃ در اسید با سه مول H⁺ به Al³⁺ و آب تبدیل میشود، اما در باز اضافی با یک مول OH⁻ یون محلول [Al(OH)₄]⁻ میسازد. اگر از Al³⁺ آغاز کنیم، سه مول OH⁻ ابتدا رسوب را تشکیل میدهد و مول چهارم آن را به آلومینات تبدیل میکند. در هر مسئله، گونه آغازین و نهایی و اضافیبودن باز را پیش از انتخاب نسبت مولی مشخص کن. چون عدد اکسایش Al در این مسیرها ۳+ باقی میماند، این تغییرها را واکنش اسید–باز و رسوبی بدان، نه اکسایشـکاهش؛ و در پایان هم شمار اتمها و هم بار کل معادله یونی را بررسی کن.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.