Значение гидролиза - Гидролиз солей. Среда водных растворов: кислая, нейтральная, щелочная - ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Реакция гидролиза

Согласно теории электролитической диссоциации в водном растворе частицы растворенного вещества взаимодействуют с молекулами воды. Такое взаимодействие может привести к реакции гидролиза.

Гидролиз — это реакция обменного разложения вещества водой.

- ЗАПОМНИ. Гидролиз (от греч. hydro — «вода», lysis — «разложение, распад»).

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), щелочную (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:

В водном растворе соли происходят два процесса:

1) незначительная обратимая диссоциация молекул воды (очень слабого амфотерного электролита), которую упрощенно можно записать с помощью уравнения:

2) полная диссоциация соли (сильного электролита):

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):

Этот процесс обратим, и химическое равновесие смещено влево (в сторону образования исходных веществ), т. к. вода — значительно более слабый электролит, чем цианистоводородная кислота HCN:

Уравнение показывает, что:

1) в растворе есть свободные гидроксид-ионы ОН^-, и концентрация их больше, чем в чистой воде, поэтому раствор соли KCN имеет щелочную среду (рН > 7);

2) в реакции с водой участвуют ионы CN^-, в таком случае говорят, что идет гидролиз по аниону. Другие примеры анионов слабых кислот, которые участвуют в реакции с водой:

· муравьиной HCOOH — анион HCOO^-;

· уксусной CH₃COOH — анион CH₃COO^-;

· азотистой HNO₂ — анион NO₂^-;

· сероводородной H₂S — анион S^2-;

· угольной H₂CO₃ — анион CO₃^2-;

· сернистой H₂SO₃ — анион SO₃^2-.

Рассмотрим гидролиз карбоната натрия

Происходит гидролиз соли по аниону CO₃^2-. Полное ионное уравнение гидролиза:

Сокращенное ионное уравнение гидролиза:

Продукты гидролиза — кислая соль NaHCO₃ и гидроксид натрия NaOH.

- ЗАПОМНИ. В крови и слюне содержатся соли гидрокарбонат (HCO₃^-) и гидрофосфат (HPO₄^2-) натрия, которые поддерживают определенную реакцию среды за счет смещения, равновесия процессов гидролиза.

Среда водного раствора карбоната натрия — щелочная (рН > 7), потому что в растворе увеличивается концентрация ионов ОН^-. Кислая соль NaHCO₃ тоже может подвергаться гидролизу, который протекает в очень незначительной степени, и им можно пренебречь.

Подведем итог тому, что вы узнали о гидролизе по аниону:

1) по аниону соли, как правило, гидролизуются обратимо;

2) химическое равновесие в таких реакциях сильно смещено влево;

3) реакция среды в растворах подобных солей щелочная (рН > 7);

4) при гидролизе солей, образованных слабыми многоосновными кислотами, получаются кислые соли.

2. Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием.

Рассмотрим гидролиз хлорида аммония NH₄Cl.

В водном растворе соли происходят два процесса:

1) незначительная обратимая диссоциация молекул воды (очень слабого амфотерного электролита), которую упрощенно можно записать с помощью уравнения:

2) полная диссоциация соли (сильного электролита):

Образующиеся при этом ионы OH^- и NH₄⁺ взаимодействуют между собой с получением NH₃ · H₂O (слабый электролит), тогда как ионы Н⁺ остаются в растворе, обусловливая тем самым его кислотную среду.

Полное ионное уравнение гидролиза:

Процесс обратим, химическое равновесие смещено в сторону образования исходных веществ, т. к. вода Н₂О — значительно более слабый электролит, чем гидрат аммиака NH₃ · H₂O.

Сокращенное ионное уравнение гидролиза:

Уравнение показывает, что:

1) в растворе есть свободные ионы водорода Н⁺, и их концентрация больше, чем в чистой воде, поэтому раствор соли имеет кислотную среду (рН < 7);

2) в реакции с водой участвуют катионы аммония NH₄⁺; в таком случае говорят, что идет гидролиз по катиону.

В реакции с водой могут участвовать и многозарядные катионы: двухзарядные М²⁺ (например, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺...), кроме катионов щелочноземельных металлов, трехзарядные М³⁺(например, Fe³+, Al³+, Cr³⁺...).

Рассмотрим гидролиз нитрата никеля Ni(NO₃)₂.

Происходит гидролиз соли по катиону Ni²⁺.

Полное ионное уравнение гидролиза:

Сокращенное ионное уравнение:

Продукты гидролиза — основная соль NiOHNO₃ и азотная кислота HNO₃.

Среда водного раствора нитрата никеля кислотная (рН < 7), потому что в растворе увеличивается концентрация ионов Н⁺.

Гидролиз соли NiOHNO₃ протекает в значительно меньшей степени, и им можно пренебречь. Таким образом:

1) по катиону соли, как правило, гидролизуются обратимо;

2) химическое равновесие реакций сильно смещено влево;

3) реакция среды в растворах таких солей кислотная (рН < 7);

4) при гидролизе солей, образованных слабыми многокислотными основаниями, получаются основные соли.

3. Соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой.

Такие соли подвергаются гидролизу и по катиону, и по аниону.

- ЗАПОМНИ. Возможность и характер протекания гидролиза определяется природой основания и кислоты, из которых образована соль.

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 NH₄CH₃COO и формиата аммония NH₄HCCO:

В водных растворах этих солей катионы слабого основания NH₄⁺ взаимодействуют с гидроксид-ионами ОН^- (напомним, что вода диссоциирует ), а анионы слабых кислотCH₃COO^- и HCOO^- взаимодействуют с катионами Н+ с образованием молекул слабых кислот — уксусной CH₃COOH и муравьиной HCOOH.

Запишем ионные уравнения гидролиза:

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(СН₃СООН) = K_Д(NH₃ · H₂O) = 1,8 · 10^-5. Во втором случае среда раствора будет слабокислотной (pH < 7), т. к. К_Д(НСООН) = 2,1 · 10^-4 и K_Д(NH₃ · Н₂О) < К_Д(НСООН), где К_Д — константа диссоциации.

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.

Сульфид алюминия Al₂S₃ 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:

Поэтому сульфид алюминия Al₂S₃ нельзя получить реакцией обмена между водными растворами двух солей, например, хлорида алюминия AlCl₃ и сульфида натрия Na₂S.

В результате гидролиза и по катиону, и по аниону:

1) если соли гидролизуются и по катиону, и по аниону обратимо, то химическое равновесие в реакциях гидролиза смещено вправо; реакция среды при этом или нейтральная, или слабокислотная, или слабощелочная, что зависит от соотношения констант диссоциации образующихся основания и кислоты;

2) 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.

Рассмотрим «поведение» в растворе хлорида калия KCl.

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. Поэтому гидролиз соли можно усилить (и даже сделать необратимым) следующими способами:

1) добавить воды (уменьшить концентрацию);

2) нагреть раствор, при этом усиливается эндотермическая диссоциация воды:

а значит, увеличивается количество Н⁺ и ОН^-, которые необходимы для осуществления гидролиза соли;

3) связать один из продуктов гидролиза в труднорастворимое соединение или удалить один из продуктов в газовую фазу; например, гидролиз цианида аммония NH₄CN будет значительно усиливаться за счет разложения гидрата аммиака с образованием аммиака NH₃ и воды Н₂О:

Гидролиз можно подавить (значительно уменьшить количество подвергающейся гидролизу соли), действуя следующим образом:

1) увеличить концентрацию растворенного вещества;

2) охладить раствор (для ослабления гидролиза растворы солей следует хранить концентрированными и при низких температурах);

3) 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.

- ЗАПОМНИ. В состав стиральных порошков и других моющих средств специально вводят соли неорганических кислот (фосфаты, карбонаты), которые усиливают моющее действие за счет повышения рН среды.

Еще в древности в качестве моющего средства использовали золу. В золе содержится карбонат калия K₂CO₃, 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 С₁₇Н₃₅СООNa выражается следующим ионным уравнением:

т. е. раствор имеет слабощелочную среду.

Соли, создающие необходимую щелочную среду раствора, содержатся в фотографическом проявителе. Это карбонат натрия Na₂CO₃, карбонат калия K₂CO₃, бура Na₂B₄O₇ 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 (NH₄)₂SO₄, которое способствует повышению кислотности благодаря гидролизу по катиону, проходящему в почве:

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:

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.

Или например: в составе слюны человека есть ионы HPO₄^2-. Благодаря им в полости рта поддерживается определенная среда (рН = 7-7,5).