Als Hydroxide bezeichnet man eine Gruppe von anorganischen Verbindungen, die aus zwei festen Bestandteilen bestehen - einem Metallkation, wie z.B. Natrium [Na+], und einem Hydroxidanion [OH-]. Die Anzahl der im Molekül vorhandenen Hydroxylgruppen entspricht der Wertigkeit des Metalls, da es selbst eine Wertigkeit von –I hat.
Amphoterizität
Amphoterizität ist eine Art chemischer Zwitterkeit, was bedeutet, dass alles, was amphoter ist, mit den Eigenschaften von Gegensätzen assoziiert werden kann, in diesem Fall die Reaktion von Substanzen sowohl mit Säuren als auch mit Basen. Das bedeutet, dass ein solches Hydroxid in der Umgebung einer starken Base ebenso reagieren wird wie eine Säure. Das Ergebnis dieser Reaktion ist ein entsprechendes Salz, dessen Säurerest von dem amphoteren Hydroxid stammen wird. Wird die Verbindung hingegen in einer stark sauren Umgebung einer Reaktion unterzogen, so verhält sie sich wie eine Base. Bei einer solchen Reaktion wird versucht, eine Salzverbindung zu bilden, deren Kation ein Metall ist, das von dem verwendeten Hydroxid stammt.
Beispiele von amphoteren Hydroxiden
Die bekanntesten amphoteren Hydroxide sind: Aluminiumhydroxid, Zinkhydroxid, Chrom(III)-hydroxid und Kupfer(II)-hydroxid. Es gibt jedoch noch viele weitere, darunter Berylliumhydroxid, Bleihydroxid und Antimonhydroxid. Diese Verbindungen haben entgegen dem Trend keinen kristallinen Aufbau. Sie bilden kolloidale Niederschläge, die in Wasser sehr schwer löslich sind.
Reaktionen von amphoteren Hydroxiden
Aufgrund ihrer Beschaffenheit zeigen diese Arten von Verbindungen sowohl mit starken Säuren als auch mit Basen auftretende Reaktionen. Allgemeine Notation:
- amphoteres Hydroxid + Säure → Salz + Wasser
- amphoteres Hydroxid + Base → Hydroxokomplex (Salz)
In beiden Fällen ist das Produkt der Reaktion ein Salz, aber bei der Reaktion mit Basen handelt es sich um Komplexe, bei denen das Anion auch aus einem Metall besteht, das vom Hydroxid stammt. Beispiele für Reaktionen des Aluminiumhydroxid:
- Al(OH)3 + 3 HCl → AlCl3 + 3H2O
- Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4]
Wie kann man feststellen, ob Hydroxide amphoter sind?
Der einfachste Weg, solche Verbindungen im Periodensystem zu finden, besteht darin, die Art der Oxide mit ihrer Position im Periodensystem in Verbindung zu bringen. In der Periode von links nach rechts nehmen die sauren Eigenschaften der Oxide zu, so dass vor allem die 1. Gruppe zu basischen Tendenzen neigt und solche Oxide bildet und bei der Reaktion mit Wasser basische Hydroxyde bildet. Ganz rechts, mit Ausnahme der Edelgase, befinden sich dagegen die Elemente mit einer Tendenz zu sauren Oxiden. Da die Oxide und folglich auch die amphoteren Hydroxide einige der Eigenschaften von ihnen allen haben, können wir erwarten, dass sie irgendwo in den Zwischengruppen liegen. Es ist zu beachten, dass amphotere Oxide ähnliche Anteile an alkalischem und saurem Charakter haben.
Veränderung des Charakters der Oxide in den Perioden
Beginnend mit der 1. Gruppe ergibt Natrium bei der Reaktion mit Wasser eine starke Base als Produkt; Magnesium, das in der nächsten Gruppe (2.) liegt, erzeugt damit ebenfalls ein alkalisches Hydroxid, aber nicht mehr so stark – dies zeugt von dem etwas höheren Anteil an sauren Eigenschaften von Mg im Vergleich zu Na. Das nächste Element aus der Gruppe 13 ist Aluminium, das noch eine weitere Eigenschaft aufweist: sein Oxid bildet in Kontakt mit Wasser ein Hydroxid, das eine sehr schwache Base ist, aber auch mit starken Basen reagiert, und zwar nach einem Mechanismus, wie er für Säuren völlig typisch ist. Zur Gruppe 14 gehört u.a. Silicium, dessen Oxid ausschließlich mit Basen reagiert, d.h., seine sauren und basischen Eigenschaften verteilen sich auf die Anteile, die eher zu den sauren gehören. Bei der Sauerstoff-Aluminium-Verbindung hingegen liegen diese Anteile sehr nahe beieinander, was es ihr ermöglicht, sich etwas zu verändern und ihre Reaktion an die Umgebung, in der sie sich befindet, anzupassen. In den nächsten Gruppen, 15. und 16. ist es ähnlich, das beispielsweise Phosphor bildet saure Oxide und hat sehr geringe Anteile an basischen Eigenschaften, während der in der Reihe nächste Schwefel, praktisch keine davon hat.
Veränderung des Charakters der Oxide in den Gruppen
Die Position eines Elements im Verhältnis zu seiner Gruppe deutet auch auf seine Elektronegativität hin, die in immer niedrigeren Perioden zunimmt. So bildet das Nichtmetall Bor ein saures Oxid, während das darunter liegende Aluminium sowohl in Richtung starker Basen als auch Säuren reagieren kann und weiterliegende Gallium, Indium und Thallium dem Trend des Metallcharakters folgend zunehmend basische Oxide bilden. Das Thalliumoxid, Tl2O, ist bereits vollständig basisch und besitzt bei der Reaktion nur unbedeutende Anteile an sauren Eigenschaften.
Beeinflusst die Elektronegativität die Art der Sauerstoffverbindungen?
Bei amphoteren Oxiden ist leicht zu erkennen, dass der Unterschied in der Elektronegativität der Elemente, aus denen sie bestehen, im Bereich von 1,4-2,0 oszilliert und die Anteile der polarisierten kovalenten und der ionischen Bindungen ähnlich sind. In der Praxis wird die Amphoterizität einer Verbindung durch den elektrolytischen Dissoziationsweg bestimmt, und bei einer so ähnlichen Elektrolytizität zwischen Metall und Sauerstoff und der Bindung der Hydroxylgruppe sind zwei verschiedene Wege möglich – analog zur Dissoziation einer starken Base und einer Säure. Das bedeutet, dass sie in saurem Milieu in ein Metallkation und OH– Anionen dissoziieren und in basischem Milieu in ein Metallanion MOnn– und H3O+ Kationen.
Beeinflusst der Grad der Oxidation die Amphoterizität?
Das Verhältnis zwischen dem Oxidationsgrad eines Elements und seiner Beschaffenheit ist aufwärtsgerichtet in Richtung Säure. Das heißt, je geringer der Oxidationsgrad ist, desto mehr neigt das Element zur Alkalität. Bei mehrwertigen Substanzen wie Chrom oder Mangan ist es möglich, dass ihr Charakter in beide Richtungen ausgerichtet ist. Mangan mit den möglichen Wertigkeiten II, III, IV, V, VI, VII weist eine ganze Reihe von Eigenschaftsanteilen auf. Ein mittlerer Wert, IV, deutet auf Amphoterizität hin, niedrigere Werte auf einen alkalischen Charakter und höhere Werte auf einen immer stärkeren Anteil eines sauren Charakters. Daher bildet Manganoxid in der 7. Oxidationsstufe bei der Reaktion mit Wasser eine ziemlich starke Säure, HMnO4. Im Vergleich dazu weisen Mangan- und Kupferoxide – die zur gleichen Gruppe gehören – einen stärkeren sauren Charakter auf, wobei das Kupferoxid in der Gruppe weiter rechts vom Mangan liegt. Da Mangan jedoch dazu neigt, das Verhältnis der einzelnen Eigenschaften zu verändern, ist sein Säuregrad in der Oxidationsstufe III (Mn2O3) bereits ähnlich wie bei CuO.