Задания с комментариями и решениями
В предыдущие годы усвоение этого элемента содержания проверялось заданиями с выбором ответа (базового уровня сложности). Вот примеры подобных заданий.
Пример 39. Кислую реакции среды имеет водный раствор
1) нитрата кальция
2) хлорида стронция
3) хлорида алюминия
4) сульфата цезия
Вспомним, что кислую реакцию среды имеют средние соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой (гидролиз по катиону). Среди предложенных вариантов ответа такая соль есть - это хлорид алюминия. Следовательно, среда его раствора - кислая:
Пример 40. Одинаковую реакцию среды имеют водные растворы сульфата железа(III) и
1) нитрата кальция
2) хлорида стронция
3) хлорида меди
4) сульфата цезия
Водная среда сульфата железа(III) кислая, как и для всех солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой:
В вариантах ответов есть только одна подобная соль - это хлорид меди. Следовательно, среда его раствора тоже кислая:
В экзаменационной работе 2017 года знание этого элемента содержания будет проверяться заданиями повышенного уровня сложности (задания с кратким ответом). Вот примеры подобных заданий.
Пример 41. Установите соответствие между названием соли и реакцией среды ее водного раствора.
Среда водного раствора соли определяется типом ее гидролиза (если он возможен). Рассмотрим отношение к гидролизу каждой из предложенных солей.
A) Нитрат калия KNO 3 является солью сильной кислоты и сильного основания. Соли такого состава не подвергаются гидролизу. Среда водного раствора этой соли - нейтральная (А-2).
Б) Сульфат алюминия Al 2 (SO 4) 3 является солью, образованной сильной серной кислотой и слабым основанием (гидроксидом алюминия). Следовательно, соль будет подвергаться гидролизу по катиону:
В результате накопления ионов Н + среда раствора соли будет кислой (Б-1).
B) Сульфид калия K 2 S образован сильным основанием и очень слабой сероводородной кислотой. Такие соли подвергаются гидролизу по аниону:
В результате накопления ионов ОН - среда раствора соли будет щелочной (В-3).
Г) Ортофосфат натрия Na 3 PO 4 образован сильным основанием и довольно слабой ортофосфорной кислотой. Следовательно, соль будет подвергаться гидролизу по аниону:
В результате накопления ионов ОН - среда раствора соли будет щелочной (Г-3).
Подведем итог. Первый раствор - нейтральный, второй - кислый, два последних - щелочные.
Для получения правильного ответа, сначала установим природу кислот и оснований, которыми образованы эти соли.
A) BeSO 4 образована слабым основанием и сильной серной кислотой, такие соли подвергаются гидролизу по катиону.
Б) KNO 2 образована сильным основанием и слабой азотистой кислотой, такие соли подвергаются гидролизу по аниону.
B) Pb(NO 3) 2 образована слабым основанием и сильной азотной кислотой, такие соли подвергаются гидролизу по катиону.
Г) СuСl 2 образована слабым основанием и сильной соляной кислотой, такие соли подвергаются гидролизу по катиону.
Для получения правильного ответа установим природу кислот и оснований, которыми образованы предложенные соли:
A) сульфид лития Li 2 S - соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, подвергается гидролизу по аниону;
Б) хлорат калия КСlO 3 - соль, образованная сильным основанием и сильной кислотой, гидролизу не подвергается;
B) нитрит аммония NH 4 NO 2 - соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой, гидролиз идет и по катиону, и по аниону;
Г) пропионат натрия C 3 H 7 COONa - соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой, гидролиз идет по аниону.
| А | Б | В | Г |
Гидролизом
Типы солей
Окраска индикаторов
Алгоритм составления уравнения реакции гидролиза
ВНИМАНИЕ! Диссоциация молекул воды – не происходит. Уравнение диссоциации воды записывается только для того, чтобы правильно составить уравнение гидролиза!!!
1. Анализируют состав соли:
NaOH (сильное основание)
H 2 CO 3 (слабая кислота)
2. Выбирают ион, подвергающийся гидролизу:
Na 2 CO 3 ↔ 2Na + + CO 3 2-HOH ↔ H + + OH -
2Na + + CO 3 2- + HOH ↔ 2Na + + HCO 3 - + OH -
3. Из полученного уравнения составляют молекулярное, используя те ионы, которые принимали участие в гидролизе:
Na 2 CO 3 + HOH ↔ NaHCO 3 + NaOH
среда раствора
соли – щелочная
4. Данный алгоритм не относится к случаю так называемого полного гидролиза.
Типы солей и характер их гидролиза
Соль образована катионом сильного основания и анионом сильной кислоты.
Соли этого типа гидролизу не подвергаются, так как при их взаимодействии с водой равновесие ионов H + и ОН - не нарушается. В растворах таких солей среда остается нейтральной (рН = 7).
NaOH (сильное основание)
HNO 3 (сильная кислота)
Соль, образованная катионом сильного основания и анионом слабой кислоты.
Гидролиз этого типа солей иначе называется гидролизом по аниону. Рассмотрим в качестве примера гидролиз K 2 SO 3
KOH (сильное основание)
H 2 SO 3 (слабая кислота)
K 2 SO 3 ↔ 2K + + SO 3 2-
HOH ↔ H + + OH -
2K + + SO 3 2- + HOH ↔ 2K + + HSO 3 - + OH -
K 2 SO 3 + HOH ↔ KHSO 3 + KOH
среда раствора
соли – щелочная
Таким образом, каждый ион Н + нейтрализует одну единицу отрицательного заряда иона кислотного остатка СО 3 2- , а из молекулы воды НОН освобождаются гидроксид-ион ОН - . Эти ионы гидроксида ОН - , будучи в избытке, придают щелочную реакцию (рН>7).
Следовательно, растворы солей, образованные сильным основанием и слабой кислотой, имеют щелочную реакцию.
Данный случай гидролиза обратим.
НЕОБРАТИМЫЙ ГИДРОЛИЗ НЕОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Необратимый гидролиз двухэлементных (бинарных) соединений неметаллов
Многие бинарные соединения неметаллов «не выдерживают» испытания водой и необратимо гидролизуются с образованием, как правило, двух кислот: кислородсодержащей (менее электроотрицательный элемент в бинарном соединении) и бескислородной (более электроотрицательный элемент).
SiCI 4 + 3H 2 O = H 2 SiO 3 + 4HCI
P 2 S 5 + 8H 2 O = 2H 3 PO 4 + 5H 2 S
СОЛИ ФОСФОРНОЙ КИСЛОТЫ
Растворимые средние соли фосфорной кислоты подвергаются гидролизу по аниону кислоты и их растворы имеют сильно щелочную реакцию:
Na 3 PO 4 + HOH → Na 2 HPO 4 + NaOH
HOH + PO 4 3- → HPO 4 2- + OH -
Кислые соли фосфорной кислоты (особенно дигидрофосфаты) гидролизуются в значительно меньшей степени, кроме того, образующиеся при этом продукты гидролиза: H 2 PO 4 – , H 3 PO 4 – могут частично диссоциировать с образованием ионов Н + . Поэтому в растворах гидрофосфатов среда является слабощелочной , а в растворах дигидрофосфатов даже слабокислой , т.к. процесс диссоциации H 2 PO 4 – -ионов превалирует над процессом их гидролиза.
Тренировочные задания:
ОТВЕТЫ:
1 – 1324
2 – 2134
3 – 1441
4 – 3232
5 – 3134
6 – 3421
7 – 3322
8 – 3421
9 – 3332
10 – 4312
11 – 3332
12 – 2231
13 – 2131
14 – 4231
15 – 3322
16 – 3211
17 – 1313
18 – 3213
19 – 3142
20 – 3141
21 – 1213
22 – 4313
23 – 2121
24 – 1231
25 – 2122
26 – 2431
27 – 2421
28 – 3322
29 – 2222
30 – 2121
Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная
Одним из важнейших свойств солей является гидролиз. Гидролизом называют взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита.
В зависимости от силы кислот и оснований образуемые ими соли делят на четыре типа:
1) соли, образованные катионом сильного основания и анионом сильной кислоты;
2) соли, образованные катионом сильного основания и анионом слабой кислоты;
3) соли, образованные катионом слабого основания и анионом сильной кислотой;
4) соли, образованные катионом слабого основания и анионом слабой кислотой.
Типы солей
Окраска индикаторов
Хотя гидролиз солей – разновидность реакции обмена, технология составления уравнений реакций этого процесса имеет свои особенности. Главное отличие – то, что в этом случае сначала составляют ионное уравнение реакции, а затем не его основе записывают молекулярное.
Исследуем действие универсального индикатора на растворы некоторых солей
Как мы видим, среда первого раствора — нейтральная (рН=7), второго — кислая (рН < 7), третьего щелочная (рН > 7). Чем же объяснить столь интересный факт? 🙂
Для начала, давайте вспомним, что такое pH и от чего он зависит.
pH- водородный показатель, мера концентрации ионов водорода в растворе (по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni - сила водорода).
pH вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на один литр:
В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов одинаковы и составляют 10 -7 моль/л (рН=7).
Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, раствор имеет нейтральную реакцию. Когда > раствор является кислым, а при > - щелочным.
За счет чего же в некоторых водных растворах солей происходит нарушение равенства концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов?
Дело в том, что происходит смещение равновесия диссоциации воды вследствие связывания одного из ее ионов ( или ) с ионами соли с образованием малодиссоциированного, труднорастворимого или летучего продукта. Это и есть суть гидролиза.
— это химическое взаимодействие ионов соли с ионами воды, приводящее к образованию слабого электролита -кислоты (или кислой соли), или основания (или основной соли).
Слово «гидролиз» означает разложение водой («гидро»-вода, «лизис» — разложение).
В зависимости от того какой ион соли вступает во взаимодействие с водой, различают три типа гидролиза:
- гидролиз по катиону (в реакцию с водой вступает только катион);
- гидролиз по аниону (в реакцию с водой вступает только анион);
- совместный гидролиз — гидролиз по катиону и по аниону (в реакцию с водой вступает и катион, и анион).
Любую соль можно рассматривать как продукт, образованный взаимодействием основания и кислоты:
Гидролиз соли – взаимодействие ее ионов с водой, приводящее к появлению кислотной или щелочной среды, но не сопровождающееся образованием осадка или газа.
Процесс гидролиза протекает только с участием растворимых
солей и состоит из двух этапов:
1) диссоциация
соли в растворе – необратимая
реакция (степень диссоциации, или 100%);
2) собственно , т.е. взаимодействие ионов соли с водой, — обратимая
реакция (степень гидролиза ˂ 1, или 100%)
Уравнения 1-го и 2-го этапов – первый из них необратим, второй обратим – складывать нельзя!
Отметим, что соли, образованные катионами щелочей
и анионами сильных
кислот, гидролизу не подвергаются, они лишь диссоциируют при растворении в воде. В растворах солей KCl, NaNO 3 , NaSO 4 и BaI среда нейтральная
.
Гидролиз по аниону
В случае взаимодействия анионов
растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по аниону
.
1) KNO 2 = K + + NO 2 — (диссоциация)
2) NO 2 — + H 2 O ↔ HNO 2 + OH — (гидролиз)
Диссоциация соли KNO 2 протекает полностью, гидролиз аниона NO 2 – в очень малой степени (для 0,1 М раствора – на 0,0014%), но этого оказывается достаточно, чтобы раствор стал щелочным
(среди продуктов гидролиза присутствует ион OH —), в нем p
H = 8,14.
Гидролизу подвергаются анионы только слабых
кислот (в данном примере – нитрит-ион NO 2 , отвечающий слабой азотистой кислоте HNO 2). Анион слабой кислоты притягивает к себе катион водорода, имеющийся в воде, и образует молекулу этой кислоты, а гидроксид-ион остается свободным:
NO 2 — + H 2 O (H +, OH —) ↔ HNO 2 + OH —
Примеры:
а) NaClO = Na + + ClO —
ClO — + H 2 O ↔ HClO + OH —
б) LiCN = Li + + CN —
CN — + H 2 O ↔ HCN + OH —
в) Na 2 CO 3 = 2Na + + CO 3 2-
CO 3 2- + H 2 O ↔ HCO 3 — + OH —
г) K 3 PO 4 = 3K + + PO 4 3-
PO 4 3- + H 2 O ↔ HPO 4 2- + OH —
д) BaS = Ba 2+ + S 2-
S 2- + H 2 O ↔ HS — + OH —
Обратите внимание, что в примерах (в- д) нельзя увеличить число молекул воды и вместо гидроанионов (HCO 3, HPO 4, HS) писать формулы соответствующих кислот (H 2 CO 3, H 3 PO 4, H 2 S). Гидролиз – обратимая реакция, и протекать «до конца» (до образования кислоты) он не может.
Если бы такая неустойчивая кислота, как H 2 CO 3 , образовывалась в растворе своей соли NaCO 3 , то наблюдалось бы выделение из раствора газа CO 2 (H 2 CO 3 = CO 2 + H 2 O). Однако, при растворении соды в воде образуется прозрачный раствор без газовыделения, что является свидетельством неполноты протекания гидролиза аниона с появлением в растворе только гидранионов угольной кислоты HCO 3 — .
Степень гидролиза соли по аниону зависит от степени диссоциации продукта гидролиза – кислоты. Чем слабее кислота, тем выше степень гидролиза.
Например, ионы CO 3 2- , PO 4 3- и S 2- подвергаются гидролизу в большей степени, чем ион NO 2 , так как диссоциация H 2 CO 3 и H 2 S по 2-й ступени, а H 3 PO 4 по 3-тей ступени протекает значительно меньше, чем диссоциация кислоты HNO 2 . Поэтому растворы, например, Na 2 CO 3 , K 3 PO 4 и BaS будут сильнощелочными
(в чем легко убедиться по мылкости соды на ощупь).
Избыток ионов ОН в растворе легко обнаружить индикатором или измерить специальными приборами (рН-метрами).
Если в концентрированный раствор сильно гидролизующейся по аниону соли,
например Na 2 CO 3 , внести алюминий, то последний (вследствие амфотерности) прореагирует со щелочью и будет наблюдаться выделение водорода. Это – дополнительное доказательство протекания гидролиза, ведь в раствор соды мы не добавляли щелочь NaOH!
Обратите особое внимание на соли кислот средней силы — ортофосфорной и сернистой. По первой ступени эти кислоты диссоциируют довольно хорошо, поэтому их кислые соли гидролизу не подвергаются, и среда раствора таких солей — кислая (из-за наличия катиона водорода в составе соли). А средние соли гидролизуются по аниону — среда щелочная. Итак, гидросульфиты, гидрофосфаты и дигидрофосфаты — не гидролизуются по аниону, среда кислая. Сульфиты и фосфаты — гидролизуются по аниону, среда щелочная.
Гидролиз по катиону
В случае взаимодействия катиона растворенной соли с водой процесс называется
гидролизом соли по катиону
1) Ni(NO 3) 2 = Ni 2+ + 2NO 3 − (диссоциация)
2) Ni 2+ + H 2 O ↔ NiOH + + H + (гидролиз)
Диссоциация соли Ni(NO 3) 2 протекает нацело, гидролиз катиона Ni 2+ − в очень малой степени (для 0,1М раствора − на 0,001%), но этого оказывается достаточно, чтобы среда стала кислотной (среди продуктов гидролиза присутствует ион H +).
Гидролизу подвергаются катионы только малорастворимых основных и амфотерных гидроксидов и катион аммония NH 4 + . Катион металла отщепляет от молекулы воды гидроксид-ион и освобождает катион водорода H + .
Катион аммония в результате гидролиза образует слабое основание − гидрат аммиака и катион водорода:
NH 4 + + H 2 O ↔ NH 3 · H 2 O + H +
Обратите внимание, что нельзя увеличивать число молекул воды и вместо гидроксокатионов (например, NiOH +) писать формулы гидроксидов (например, Ni(OH) 2). Если бы гидроксиды образовались, то из растворов солей выпали бы осадки, чего не наблюдается (эти соли образуют прозрачные растворы).
Избыток катионов водорода легко обнаружить индикатором или измерить специальными приборами. В концентрированный раствор сильно гидролизующейся по катиону соли, вносится магний или цинк, то последние реагируют с кислотой с выделением водорода.
Если соль нерастворимая — то гидролиза нет, т.к ионы не взаимодействуют с водой.
Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная
Согласно теории электролитической диссоциации, в водном растворе частицы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами воды. Такое взаимодействие может привести к реакции гидролиза (от греч. hydro — вода, lysis — распад, разложение).
Гидролиз — это реакция обменного разложения вещества водой.
Гидролизу подвергаются различные вещества: неорганические — соли, карбиды и гидриды металлов, галогениды неметаллов; органические — галогеналканы, сложные эфиры и жиры, углеводы, белки, полинуклеотиды.
Водные растворы солей имеют разные значения рН и различные типы сред — кислотную ($рН 7$), нейтральную ($рН = 7$). Это объясняется тем, что соли в водных растворах могут подвергаться гидролизу.
Сущность гидролиза сводится к обменному химическому взаимодействию катионов или анионов соли с молекулами воды. В результате этого взаимодействия образуется малодиссоциирующее соединение (слабый электролит). А в водном растворе соли появляется избыток свободных ионов $Н^{+}$ или $ОН^{-}$, и раствор соли становится кислотным или щелочным соответственно.
Классификация солей
Любую соль можно представить как продукт взаимодействия основания с кислотой. Например, соль $KClO$ образована сильным основанием $KOH$ и слабой кислотой $HClO$.
В зависимости от силы основания и кислоты можно выделить четыре типа солей.
Рассмотрим поведение солей различных типов в растворе.
1. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой.
Например, соль цианид калия $KCN$ образована сильным основанием $KOH$ и слабой кислотой $HCN$:
${KOH}↙{\text"сильное однокислотное основание"}←KCN→{HCN}↙{\text"слабая однокислотная кислота"}$
1) незначительная обратимая диссоциация молекул воды (очень слабого амфотерного электролита), которую упрощенно можно записать с помощью уравнения
$H_2O{⇄}↖{←}H^{+}+OH^{-};$
$KCN=K^{+}+CN^{-}$
Образующиеся при этих процессах ионы $Н^{+}$ и $CN^{-}$ взаимодействуют между собой, связываясь в молекулы слабого электролита — цианистоводородной кислоты $HCN$, тогда как гидроксид — ион $ОН^{-}$ остается в растворе, обусловливая тем самым его щелочную среду. Происходит гидролиз по аниону $CN^{-}$.
Запишем полное ионное уравнение происходящего процесса (гидролиза):
$K^{+}+CN^{-}+H_2O{⇄}↖{←}HCN+K^{+}+OH^{-}.$
Этот процесс обратим, и химическое равновесие смещено влево (в сторону образования исходных веществ), т.к. вода — значительно более слабый электролит, чем цианистоводородная кислота $HCN$.
$CN^{-}+H_2O⇄HCN+OH^{-}.$
Уравнение показывает, что:
а) в растворе есть свободные гидроксид-ионы $ОН^{-}$, и концентрация их больше, чем в чистой воде, поэтому раствор соли $KCN$ имеет щелочную среду ($рН > 7$);
б) в реакции с водой участвуют ионы $CN^{-}$, в таком случае говорят, что идет гидролиз по аниону . Другие примеры анионов, которые участвуют в реакции с водой:
Рассмотрим гидролиз карбоната натрия $Na_2CO_3$.
${NaOH}↙{\text"сильное однокислотное основание"}←Na_2CO_3→{H_2CO_3}↙{\text"слабая двухосновная кислота"}$
Происходит гидролиз соли по аниону $CO_3^{2-}$.
$2Na^{+}+CO_3^{2-}+H_2O{⇄}↖{←}HCO_3^{-}+2Na^{+}+OH^{-}.$
$CO_2^{2-}+H_2O⇄HCO_3^{-}+OH^{-}.$
Продукты гидролиза — кислая соль $NaHCO_3$ и гидроксид натрия $NaOH$.
Среда водного раствора карбоната натрия — щелочная ($рН > 7$), потому что в растворе увеличивается концентрация ионов $ОН^{-}$. Кислая соль $NaHCO_3$ тоже может подвергаться гидролизу, который протекает в очень незначительной степени, и им можно пренебречь.
Подведем итог тому, что вы узнали о гидролизе по аниону:
а) по аниону соли, как правило, гидролизуются обратимо;
б) химическое равновесие в таких реакциях сильно смещено влево;
в) реакция среды в растворах подобных солей щелочная ($рН > 7$);
г) при гидролизе солей, образованных слабыми многоосновными кислотами, получаются кислые соли.
2. Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием.
Рассмотрим гидролиз хлорида аммония $NH_4Cl$.
${NH_3·H_2O}↙{\text"слабое однокислотное основание"}←NH_4Cl→{HCl}↙{\text"сильная одноосновная кислота"}$
В водном растворе соли происходят два процесса:
1) незначительная обратимая диссоциация молекул воды (очень слабого амфотерного электролита), которую упрощенно можно записать с помощью уравнения:
$H_2O{⇄}↖{←}H^{+}+OH^{-}$
2) полная диссоциация соли (сильного электролита):
$NH_4Cl=NH_4^{+}+Cl^{-}$
Образующиеся при этом ионы $OH^{-}$ и $NH_4^{+}$ взаимодействуют между собой с получением $NH_3·H_2O$ (слабый электролит), тогда как ионы $Н^{+}$ остаются в растворе, обусловливая тем самым его кислотную среду.
Полное ионное уравнение гидролиза:
$NH_4^{+}+Cl^{-}+H_2O{⇄}↖{←}H^{+}+Cl^{-}NH_3·H_2O$
Процесс обратим, химическое равновесие смещено в сторону образования исходных веществ, т.к. вода $Н_2О$ — значительно более слабый электролит, чем гидрат аммиака $NH_3·H_2O$.
Сокращенное ионное уравнение гидролиза:
$NH_4^{+}+H_2O⇄H^{+}+NH_3·H_2O.$
Уравнение показывает, что:
а) в растворе есть свободные ионы водорода $Н^{+}$, и их концентрация больше, чем в чистой воде, поэтому раствор соли имеет кислотную среду ($рН
б) в реакции с водой участвуют катионы аммония $NH_4^{+}$; в таком случае говорят, что идет гидролиз по катиону.
В реакции с водой могут участвовать и многозарядные катионы: двухзарядные $М^{2+}$ (например, $Ni^{2+}, Cu^{2+}, Zn^{2+}…$), кроме катионов щелочноземельных металлов, трехзарядные $М^{3+}$ (например, $Fe^{3+}, Al^{3+}, Cr^{3+}…$).
Рассмотрим гидролиз нитрата никеля $Ni(NO_3)_2$.
${Ni(OH)_2}↙{\text"слабое двухкислотное основание"}←Ni(NO_3)_2→{HNO_3}↙{\text"сильная одноосновная кислота"}$
Происходит гидролиз соли по катиону $Ni^{2+}$.
Полное ионное уравнение гидролиза:
$Ni^{2+}+2NO_3^{-}+H_2O{⇄}↖{←}NiOH^{+}+2NO_3^{-}+H^{+}$
Сокращенное ионное уравнение гидролиза:
$Ni^{2+}+H_2O⇄NiOH^{+}+H^{+}.$
Продукты гидролиза — основная соль $NiOHNO_3$ и азотная кислота $HNO_3$.
Среда водного раствора нитрата никеля кислотная ($рН
Гидролиз соли $NiOHNO_3$ протекает в значительно меньшей степени, и им можно пренебречь.
Подведем итог тому, что вы узнали о гидролизе по катиону:
а) по катиону соли, как правило, гидролизуются обратимо;
б) химическое равновесие реакций сильно смещено влево;
в) реакция среды в растворах таких солей кислотная ($рН
г) при гидролизе солей, образованных слабыми многокислотными основаниями, получаются основные соли.
3. Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой.
Вам, очевидно, уже ясно, что такие соли подвергаются гидролизу и по катиону, и по аниону.
Катион слабого основания связывает ионы $ОН^{-}$ из молекул воды, образуя слабое основание ; анион слабой кислоты связывает ионы $Н^{+}$ из молекул воды, образуя слабую кислоту . Реакция растворов этих солей может быть нейтральной, слабокислотной или слабощелочной. Это зависит от констант диссоциации двух слабых электролитов — кислоты и основания, которые образуются в результате гидролиза.
Например, рассмотрим гидролиз двух солей: ацетата аммония $NH_4(CH_3COO)$ и формиата аммония $NH_4(HCОO)$:
1) ${NH_3·H_2O}↙{\text"слабое однокислотное основание"}←NH_4(CH_3COO)→{CH_3COOH}↙{\text"сильная одноосновная кислота"};$
2) ${NH_3·H_2O}↙{\text"слабое однокислотное основание"}←NH_4(HCOO)→{HCOOH}↙{\text"слабая одноосновная кислота"}.$
В водных растворах этих солей катионы слабого основания $NH_4^{+}$ взаимодействуют с гидроксидионами $ОН^{-}$ (напомним, что вода диссоциирует $H_2O⇄H^{+}+OH^{-}$), а анионы слабых кислот $CH_3COO^{-}$ и $HCOO^{-}$ взаимодействуют с катионами $Н^{+}$ с образованием молекул слабых кислот — уксусной $CH_3COOH$ и муравьиной $HCOOH$.
Запишем ионные уравнения гидролиза:
1) $CH_3COO^{-}+NH_4^{+}+H_2O⇄CH_3COOH+NH_3·H_2O;$
2) $HCOO^{-}+NH_4^{+}+H_2O⇄NH_3·H_2O+HCOOH.$
В этих случаях гидролиз тоже обратимый, но равновесие смещено в сторону образования продуктов гидролиза — двух слабых электролитов.
В первом случае среда раствора нейтральная ($рН = 7$), т.к. $К_Д(СН_3COOH)=К+Д(NH_3·H_2O)=1.8·10^{-5}$. Во втором случае среда раствора слабокислотная ($pH
Как вы уже заметили, гидролиз большинства солей является обратимым процессом. В состоянии химического равновесия гидролизована лишь часть соли. Однако некоторые соли полностью разлагаются водой, т.е. их гидролиз является необратимым процессом.
В таблице «Растворимость кислот, оснований и солей в воде» вы найдете примечание: «в водной среде разлагаются» — это значит, что такие соли подвергаются необратимому гидролизу. Например, сульфид алюминия $Al_2S_3$ в воде подвергается необратимому гидролизу, т. к. появляющиеся при гидролизе по катиону ионы $Н^{+}$ связываются образующимися при гидролизе по аниону ионами $ОН^{-}$. Это усиливает гидролиз и приводит к образованию нерастворимого гидроксида алюминия и газообразного сероводорода:
$Al_2S_3+6H_2O=2Al(OH)_3↓+3H_2S$
Поэтому сульфид алюминия $Al_2S_3$ нельзя получить реакцией обмена между водными растворами двух солей, например хлорида алюминия $AlCl_3$ и сульфида натрия $Na_2S$.
Возможны и другие случаи необратимого гидролиза, их нетрудно предсказать, ведь для необратимости процесса необходимо, чтобы хотя бы один из продуктов гидролиза уходил из сферы реакции.
Подведем итог тому, что вы узнали о гидролизе и по катиону, и по аниону:
а) если соли гидролизуются и по катиону, и по аниону обратимо, то химическое равновесие в реакциях гидролиза смещено вправо;
б) реакция среды при этом или нейтральная, или слабокислотная, или слабощелочная, что зависит от соотношения констант диссоциации образующихся основания и кислоты;
в) соли могут гидролизоваться и по катиону, и по аниону необратимо, если хотя бы один из продуктов гидролиза уходит из сферы реакции.
4. Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой, не подвергаются гидролизу.
К этому выводу, очевидно, вы пришли сами.
Рассмотрим поведение в растворе хлорида калия $KCl$.
${KOH}↙{\text"сильное однокислотное основание"}←KCl→{HCl}↙{\text"сильная одноосновная кислота"}.$
Соль в водном растворе диссоциирует на ионы ($KCl=K^{+}+Cl^{-}$), но при взаимодействии с водой слабый электролит образоваться не может. Среда раствора нейтральная ($рН=7$), т.к. концентрации ионов $Н^{+}$ и $ОН^{-}$ в растворе равны, как в чистой воде.
Другими примерами подобных солей могут быть галогениды, нитраты, перхлораты, сульфаты, хроматы и дихроматы щелочных металлов, галогениды (кроме фторидов), нитраты и перхлораты щелочноземельных металлов.
Следует также отметить, что реакция обратимого гидролиза полностью подчиняется принципу Ле Шателье. По этому гидролиз соли можно усилить (и даже сделать необратимым) следующими способами:
а) добавить воды (уменьшить концентрацию);
б) нагреть раствор, при этом усиливается эндотермическая диссоциация воды:
$H_2O⇄H^{+}+OH^{-}-57$ кДж,
а значит, увеличивается количество $Н^{+}$ и $ОН^{-}$, которые необходимы для осуществления гидролиза соли;
в) связать один из продуктов гидролиза в труднорастворимое соединение или удалить один из продуктов в газовую фазу; например, гидролиз цианида аммония $NH_4CN$ будет значительно усиливаться за счет разложения гидрата аммиака с образованием аммиака $NH_3$ и воды $Н_2О$:
$NH_4^{+}+CN^{-}+H_2O⇄NH_3·H_2O+HCN.$
$NH_3{}↖{⇄}H_2$
Гидролиз солей
Условные обозначения:
Гидролиз можно подавить (значительно уменьшить количество подвергающейся гидролизу соли), действуя следующим образом:
а) увеличить концентрацию растворенного вещества;
б) охладить раствор (для ослабления гидролиза растворы солей следует хранить концентрированными и при низких температурах);
в) ввести в раствор один из продуктов гидролиза; например, подкислять раствор, если его среда в результате гидролиза кислотная, или подщелачивать, если щелочная.
Значение гидролиза
Гидролиз солей имеет и практическое, и биологическое значение. Еще в древности в качестве моющего средства использовали золу. В золе содержится карбонат калия $K_2CO_3$, который в воде гидролизуется по аниону, водный раствор приобретает мылкость за счет образующихся при гидролизе ионов $ОН^{-}$.
В настоящее время в быту мы используем мыло, стиральные порошки и другие моющие средства. Основной компонент мыла — это натриевые и калиевые соли высших жирных карбоновых кислот: стеараты, пальмитаты, которые гидролизуются.
Гидролиз стеарата натрия $С_{17}Н_{35}COONa$ выражается следующим ионным уравнением:
$C_{17}H_{35}COO^{-}+H_2O⇄C_{17}H_{35}COOH+OH^{-}$,
т.е. раствор имеет слабощелочную среду.
В состав же стиральных порошков и других моющих средств специально вводят соли неорганических кислот (фосфаты, карбонаты), которые усиливают моющее действие за счет повышения рН среды.
Соли, создающие необходимую щелочную среду раствора, содержатся в фотографическом проявителе. Это карбонат натрия $Na_2CO_3$, карбонат калия $K_2CO_3$, бура $Na_2B_4O_7$ и другие соли, гидролизующиеся по аниону.
Если кислотность почвы недостаточна, у растений появляется болезнь — хлороз. Ее признаки — пожелтение или побеление листьев, отставание в росте и развитии. Если $рН_{почвы} > 7.5$, то в нее вносят удобрение сульфат аммония $(NH_4)_2SO_4$, которое способствует повышению кислотности благодаря гидролизу по катиону, проходящему в почве:
$NH_4^{+}+H_2O⇄NH_3·H_2O$
Неоценима биологическая роль гидролиза некоторых солей, входящих в состав нашего организма. Например, в состав крови входят соли гидрокарбонат и гидрофосфат натрия. Их роль заключается в поддержании определенной реакции среды. Это происходит за счет смещения равновесия процессов гидролиза:
$HCO_3^{-}+H_2O⇄H_2CO_3+OH^{-}$
$HPO_4^{2-}+H_2O⇄H_2PO_4^{-}+OH^{-}$
Если в крови избыток ионов $Н^{+}$, они связываются с гидроксид-ионами $ОН^{-}$, и равновесие смещается вправо. При избытке гидроксид-ионов $ОН^{-}$ равновесие смещается влево. Благодаря этому кислотность крови здорового человека колеблется незначительно.
Другой пример: в составе слюны человека есть ионы $HPO_4^{2-}$. Благодаря им в полости рта поддерживается определенная среда ($рН=7-7.5$).
В ходе урока мы изучим тему «Гидролиз. Среда водных растворов. Водородный показатель». Вы узнаете о гидролизе - обменной реакции вещества с водой, приводящей к разложению химического вещества. Кроме того, будет введено определение водородному показателю - так называемому РН.
Тема: Растворы и их концентрация, дисперсные системы, электролитическая диссоциация
Урок: Гидролиз. Среда водных растворов. Водородный показатель
Гидролиз - это обменная реакция вещества с водой, приводящая к его разложению . Попробуем разобраться в причине данного явления.
Электролиты делятся на сильные электролиты и слабые. См. Табл. 1.
Табл. 1
Вода относится к слабым электролитам и поэтому диссоциирует на ионы лишь в незначительной степени Н 2 О ↔ Н + + ОН -
Ионы веществ, попадающие в раствор, гидратируются молекулами воды. Но при этом может происходить и другой процесс. Например, анионы соли, которые образуются при её диссоциации, могут взаимодействовать с катионами водорода, которые, пусть и в незначительной степени, но все-таки образуются при диссоциации воды. При этом может происходить смещение равновесия диссоциации воды. Обозначим анион кислоты Х - .
Предположим, что кислота сильная. Тогда она по определению практически полностью распадается на ионы. Если кислота слабая , то она диссоциирует неполностью. Она будет образовываться при прибавлении в воду из анионов соли и ионов водорода, получающихся при диссоциации воды. За счет её образования, в растворе будут связываться ионы водорода, и их концентрация будет уменьшаться. Н + + Х - ↔ НХ
Но, по правилу Ле Шателье, при уменьшении концентрации ионов водорода равновесие смещается в первой реакции в сторону их образования, т. е. вправо. Ионы водорода будут связываться с ионами водорода воды, а гидроксид ионы - нет, и их станет больше, чем было в воде до прибавления соли. Значит, среда раствора будет щелочная . Индикатор фенолфталеин станет малиновым. См. рис. 1.
Рис. 1
Аналогично можно рассмотреть взаимодействие катионов с водой. Не повторяя всю цепочку рассуждений, подытоживаем, что если основание слабое , то в растворе будут накапливаться ионы водорода, и среда будет кислая .
Катионы и анионы солей можно разделить на два типа. Рис. 2.
Рис. 2. Классификация катионов и анионов по силе электролитов
Поскольку и катионы и анионы, согласно данной классификации, бывают двух типов, то всего существует 4 разнообразных комбинации при образовании их солей. Рассмотрим, как относится к гидролизу каждый из классов этих солей. Табл. 2.
|
Какими по силе кислотой и основанием образована соль |
Примеры солей |
Отношение к гидролизу |
Среда |
Окраска лакмуса |
|
Соль сильного основания и сильной кислоты |
NaCl, Ba(NO 3) 2 , K 2 SO 4 |
Гидролизу не подвергаются. |
нейтральная |
фиолетовый |
|
Соль слабого основания и сильной кислоты |
ZnSO 4 , AlCl 3 , Fe(NO 3) 3 |
Гидролиз по катиону. Zn 2+ + HOH ZnOH + + H + |
||
|
Соль сильного основания и слабой кислоты |
Na 2 CO 3 ,К 2 SiO 3 , Li 2 SO 3 |
Гидролиз по аниону CO 3 2 + HOH |
щелочная |
|
|
Соль слабого основания и слабой кислоты |
FeS, Al(NO 2) 3 , CuS |
Гидролиз и по аниону, и по катиону. |
среда раствора зависит от того, какое из образующихся соединений будет более слабым электролитом. |
зависит от более сильного электролита. |
HCO 3 + OHТабл. 2.
Усилить гидролиз можно разбавлением раствора или нагреванием системы.
Соли, которые подвергаются необратимому гидролизу
Реакции ионного обмена протекают до конца при выпадении осадка, выделения газа или малодиссоируемого вещества.
2 Al (NO 3) 3 + 3 Na 2 S +6 Н 2 О → 2 Al (OH) 3 ↓+ 3 H 2 S+6 NaNO 3 (1)
Если взять соль слабого основания и слабой кислоты и при этом и катион, и анион будут многозарядным, то при гидролизе таких солей будет образовываться и нерастворимый гидроксид соответствующего металла, и газообразный продукт. В данном случае гидролиз может стать необратимым. Например, в реакции (1) не образуется осадок сульфида алюминия.
Под это правило подпадают следующие соли: Al 2 S 3 , Cr 2 S 3 , Al 2 (CO 3) 3 , Cr 2 (CO 3) 3 , Fe 2 (CO 3) 3 , CuCO 3 . Эти соли в водной среде подвергаются необратимому гидролизу. Их невозможно получить в водном растворе.
В органической химии гидролиз имеет очень большое значение.
При гидролизе изменяется концентрация ионов водорода в растворе, а во многих реакциях используются кислоты или основания. Поэтому, если мы будем знать концентрацию ионов водорода в растворе, то будет легче следить за процессом и управлять им. Для количественной характеристики содержания ионов в растворе используется pН раствора. Он равен отрицательному логарифму концентрации ионов водорода.
p Н = - lg [ H + ]
Концентрация ионов водорода в воде равна 10 -7 степени, соответственно, рН = 7 у абсолютно чистой воды при комнатной температуре.
Если долить в раствор кислоты или добавить соль слабого основания и сильной кислоты, то концентрация ионов водорода станет больше 10 -7 и рН < 7.
Если добавить щелочи или соли сильного основания и слабой кислоты, то концентрация ионов водорода станет меньше, чем 10 -7 и рН>7. См. рис. 3. Знать количественный показатель кислотности необходимо во многих случаях. Например, водородный показатель желудочного сока равен 1,7. Увеличение или уменьшение этого значения приводит к нарушению пищеварительных функций человека. В сельском хозяйстве ведется контроль кислотности почвы. Например, для садоводства наилучшей является почва с рН = 5-6. При отклонении от этих значений в почву вносят подкисляющие или подщелачивающие добавки.
Рис. 3
Подведение итога урока
В ходе урока мы изучили тему «Гидролиз. Среда водных растворов. Водородный показатель». Вы узнали о гидролизе - обменной реакции вещества с водой, приводящей к разложению химического вещества. Кроме того, было введено определение водородному показателю - так называемому рН.
Список литературы
1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.
2. Попель П.П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П.П. Попель, Л.С.Кривля. - К.: ИЦ «Академия», 2008. - 240 с.: ил.
3. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень. 2-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2007. - 220 с.
Домашнее задание
1. №№6-8 (с. 68) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. - 14-е изд. - М.: Просвещение, 2012.
2. Почему рН дождевой воды всегда меньше 7?
3. Что обусловливает малиновую окраску раствора карбоната натрия?
