§ 28. Гидролиз

Определения и обозначения

Гидролиз соли — взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита и изменению состава раствора. Иными словами, растворённая соль может не просто распасться на ионы, но и вступить с водой в обратимую реакцию. Это понятие помогает объяснить, почему раствор некоторых солей имеет не нейтральную реакцию среды.

Гидролиз по катиону — взаимодействие с водой катиона, являющегося сопряжённой кислотой слабого основания. Такой катион способен отдавать протон воде, поэтому в растворе возникает H₃O⁺. Определение используют, чтобы предсказать кислую среду и записать сокращённое ионное уравнение.

Гидролиз по аниону — взаимодействие с водой аниона, являющегося сопряжённым основанием слабой кислоты. Анион принимает протон от воды, вследствие чего появляются молекулы слабой кислоты и ионы OH⁻. По этому определению можно определить, почему раствор соответствующей соли обычно щелочной.

Степень гидролиза — отношение количества вещества гидролизовавшейся соли к её исходному количеству. Её можно представить как долю исходной соли, вступившую в гидролиз; часто её выражают в процентах. Эта величина нужна, чтобы сравнивать, насколько полно протекает гидролиз при разных условиях.

Как это устроено

При растворении растворимая соль распадается на ионы, а вода сама лишь в небольшой степени образует H₃O⁺ и OH⁻. Если один из ионов соли способен связать частицу воды, равновесие этого процесса смещается: часть образовавшихся ионов воды расходуется, а новые появляются в ходе гидролиза. Поэтому меняется соотношение H₃O⁺ и OH⁻, от которого зависит реакция среды.

Соль сильного основания и слабой кислоты гидролизуется по аниону. Например, ацетат-ион CH₃COO⁻ принимает протон у воды, образуя слабую уксусную кислоту, а вода оставляет OH⁻: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻. Слабая кислота лишь частично отдаёт протоны, поэтому её анион заметно связывает их из воды; избыток OH⁻ и обусловливает щелочную среду.

Соль слабого основания и сильной кислоты гидролизуется по катиону. Ион аммония NH₄⁺ отдаёт протон молекуле воды: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺. Образуется слабое основание NH₃, а появление H₃O⁺ делает раствор кислым. Анион сильной кислоты в таком уравнении обычно не участвует, поскольку не связывает воду с образованием слабого электролита.

Ионы сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуются. Они крайне слабо взаимодействуют с водой в направлении образования слабого электролита, поэтому не изменяют заметно соотношение H₃O⁺ и OH⁻. В результате раствор такой соли остаётся близким к нейтральному, хотя утверждать, что в воде вообще нет этих ионов, нельзя.

Если соль образована слабой кислотой и слабым основанием, гидролизоваться могут оба её иона. Тогда один процесс способствует появлению H₃O⁺, а другой — OH⁻, и итоговая реакция среды зависит от относительной силы этих процессов. Например, для ацетата аммония сравнивают Ka(CH₃COOH) и Kb(NH₃): при близких значениях кислотный и основной эффекты примерно компенсируются, а при различии один из них преобладает.

Гидролиз солей и среда раствора

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите, сильными или слабыми были кислота и основание, из которых образована соль. Затем найдите направление гидролиза и проверьте, какие частицы образуются: H₃O⁺ или OH⁻. Для соли слабой кислоты и слабого основания одной классификации недостаточно — нужно сопоставить кислотные и основные свойства.

Разбор задач

Определите, гидролизуется ли NaCl, и укажите среду его раствора.

1. Разделяем соль на ионы: NaCl → Na⁺ + Cl⁻. Ион Na⁺ связан с сильным основанием NaOH, а Cl⁻ — с сильной кислотой HCl.
2. Проверяем, может ли каждый ион заметно взаимодействовать с водой с образованием слабого электролита. Ни Na⁺, ни Cl⁻ такой реакции практически не дают, поэтому сокращённого уравнения гидролиза для этой соли нет.
3. Так как гидролиз не создаёт избытка H₃O⁺ или OH⁻, раствор считают близким к нейтральному. Речь идёт о практически нейтральной среде, а не об отсутствии в растворе ионов воды.

Ответ: NaCl практически не гидролизуется; среда раствора близка к нейтральной.

Составьте сокращённое ионное уравнение гидролиза CH₃COONa и определите среду раствора.

1. Записываем распад соли: CH₃COONa → CH₃COO⁻ + Na⁺. Натрий — катион сильного основания NaOH, поэтому он остаётся ионом-наблюдателем.
2. Ацетат-ион CH₃COO⁻ является сопряжённым основанием слабой уксусной кислоты. Он принимает протон от воды, поэтому сокращённое уравнение имеет вид: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻.
3. Сопоставляем продукты уравнения: появляется OH⁻, а значит, его концентрация становится выше, чем была бы без гидролиза. Поэтому раствор имеет щелочную среду.

Ответ: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻; раствор щелочной.

Для раствора NH₄CH₃COO сравните силу гидролиза по катиону и аниону и предскажите реакцию среды по значениям Ka(CH₃COOH) и Kb(NH₃).

1. Соль распадается на NH₄⁺ и CH₃COO⁻. Первый ион — сопряжённая кислота слабого основания NH₃, а второй — сопряжённое основание слабой кислоты CH₃COOH, поэтому гидролизуются оба.
2. Гидролиз катиона создаёт H₃O⁺, а гидролиз аниона — OH⁻. Для сравнения кислотного и основного эффектов используют Ka(CH₃COOH) и Kb(NH₃): Ka(NH₄⁺) = Kw/Kb(NH₃), а Kb(CH₃COO⁻) = Kw/Ka(CH₃COOH).
3. При примерно равных Ka(CH₃COOH) и Kb(NH₃) гидролиз обоих ионов сопоставим по силе, и раствор ожидается близким к нейтральному. Если Ka кислоты больше Kb основания, преобладает кислый эффект; если меньше — основной.

Ответ: гидролиз идёт по обоим ионам; при равных или близких Ka(CH₃COOH) и Kb(NH₃) среда близка к нейтральной, а знак отклонения определяет большая из этих констант.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая соль гидролизуется. Её допускают, потому что соли растворяются на ионы и кажется, будто каждый ион обязательно реагирует с водой. Проверьте происхождение ионов: заметный гидролиз ожидают, если хотя бы один из них связан со слабой кислотой или слабым основанием.

Ошибка — включать ионы сильной кислоты или сильного основания в сокращённое уравнение. Эти ионы присутствуют в растворе, но обычно не меняются в ходе реакции и потому являются ионами-наблюдателями. Проверьте уравнение: если ион не превращается в продукт гидролиза, его следует сократить.

Ошибка — перепутать реакцию среды при гидролизе. Иногда направление определяют по заряду иона, забывая проследить, какие частицы получаются из воды. Проверьте продукты: анион слабой кислоты даёт OH⁻ и щелочную среду, а катион слабого основания — H₃O⁺ и кислую.

Ошибка — считать гидролиз необратимым и полностью протекающим. Уравнения часто записывают со стрелкой, но это равновесие, и превращается лишь часть исходных частиц. Проверка проста: учитывайте обратную стрелку и помните, что степень гидролиза зависит от условий, в частности от концентрации и температуры.

Связь с другими темами

Чтобы разбирать гидролиз, нужно уметь записывать диссоциацию электролитов и сокращённые ионные уравнения, отличать сильные электролиты от слабых и понимать кислотно-основные свойства частиц. Эти знания позволяют определить, какой ион соли взаимодействует с водой.

Гидролиз объясняет реакцию среды водных растворов солей и помогает предсказывать, какие реакции будут возможны в растворе. Он также связан с химическим равновесием: разбавление обычно увеличивает долю гидролизовавшихся частиц, а изменение температуры может сдвигать равновесие. Поэтому условия раствора учитывают при выборе способа проведения реакций.

Что запомнить

• Гидролиз соли — взаимодействие её ионов с водой.
• Соль сильной кислоты и слабого основания гидролизуется по катиону.
• Соль слабой кислоты и сильного основания гидролизуется по аниону.
• Гидролиз по катиону обычно создаёт кислую среду.
• Гидролиз по аниону обычно создаёт щелочную среду.
• Ионы сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуются.
• Для солей слабой кислоты и слабого основания учитывают гидролиз обоих ионов.