§ 18. Гидролиз

Определения и обозначения

Гидролиз — взаимодействие вещества с водой, в результате которого образуются новые частицы. Для солей это взаимодействие их ионов с молекулами воды. Понятие помогает объяснить, почему состав раствора соли иногда отличается от состава, ожидаемого только по диссоциации.

Гидролиз соли — обратимое взаимодействие катиона или аниона соли с водой, при котором образуются слабый электролит и ионы H₃O⁺ либо OH⁻. H₃O⁺ — ион гидроксония, который возникает при передаче протона молекуле воды. По тому, какой из этих ионов накапливается, определяют кислую или щелочную реакцию раствора.

Степень гидролиза — доля растворённой соли, подвергшаяся гидролизу. Она зависит от природы ионов, концентрации раствора и температуры; обычно при разбавлении и нагревании доля прореагировавшей соли увеличивается. Эта величина показывает, насколько далеко зашло равновесное превращение, а не просто то, гидролизуется ли соль вообще.

Константа гидролиза — характеристика равновесия гидролиза, зависящая от природы реагирующих частиц и температуры. Она связана с константой диссоциации слабого электролита, который образуется в реакции: для аниона слабой кислоты Kг = Kw/Ka, а для катиона слабого основания Kг = Kw/Kb. Здесь Kw — ионное произведение воды, Ka и Kb — константы диссоциации кислоты и основания.

Как это устроено

В растворе соли ионы окружены молекулами воды. Если ион образован сильной кислотой или сильным основанием, он обычно очень слабо связывает протон и почти не меняет состав воды. Ион слабого электролита, напротив, способен вступать с водой в обратимое взаимодействие, потому что соответствующие слабая кислота или основание легче образуются в растворе. Поэтому наличие такого иона и определяет возможность заметного гидролиза.

У соли сильной кислоты и сильного основания оба иона остаются в растворе практически неизменными. Например, Na⁺ и Cl⁻ не связывают воду настолько сильно, чтобы образовывались заметные количества новых частиц. Концентрации H₃O⁺ и OH⁻ остаются примерно равными, поэтому раствор NaCl нейтрален. Гидролиз таких солей считают отсутствующим в обычных условиях.

Если соль образована слабой кислотой и сильным основанием, гидролизуется анион слабой кислоты. Он связывает протон воды, образуя молекулы слабой кислоты, а в растворе остаются OH⁻: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻. Обратимость означает, что продукты могут снова образовать исходные частицы, но избыток OH⁻ обусловливает щелочную среду.

У соли сильной кислоты и слабого основания гидролизуется катион, происходящий от слабого основания. Например, NH₄⁺ передаёт протон молекуле воды: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺. Образование гидроксония создаёт избыток H₃O⁺, поэтому раствор имеет кислую среду. Анион сильной кислоты при этом практически не участвует в реакции.

Если соль образована слабой кислотой и слабым основанием, в реакции с водой могут вступать оба её иона. Тогда одновременно возникают слабые кислота и основание, а среда определяется тем, какая из них сильнее проявляет кислотные или основные свойства: условно сравнивают Ka и Kb. Многозарядные ионы могут гидролизоваться ступенчато: заряд уменьшается поэтапно, и на каждой ступени устанавливается своё равновесие. Поэтому гидролиз часто преимущественно идёт по первой ступени, а последующие выражены слабее.

Гидролиз солей и реакция среды

В таблице сначала выясняют, от каких кислоты и основания образована соль, затем находят ион слабого электролита. Уравнение показывает, какие частицы вступают в реакцию с водой и что появляется в растворе. По образованию H₃O⁺ или OH⁻ определяют реакцию среды.

Разбор задач

Задача 1. Определите, гидролизуется ли NaCl, и укажите реакцию среды его водного раствора.

1. Разделим соль на ионы: NaCl → Na⁺ + Cl⁻.
2. Установим происхождение ионов: Na⁺ связан с сильным основанием NaOH, а Cl⁻ — с сильной кислотой HCl.
3. Поскольку оба иона происходят от сильных электролитов, они практически не взаимодействуют с водой.
4. Значительного избытка H₃O⁺ или OH⁻ не возникает, поэтому гидролиз практически отсутствует.

Ответ: NaCl практически не гидролизуется; среда нейтральная.

Задача 2. Составьте ионное уравнение гидролиза CH₃COONa и определите реакцию среды раствора.

1. Запишем диссоциацию: CH₃COONa → CH₃COO⁻ + Na⁺.
2. Уксусная кислота слабая, поэтому гидролизуется ацетат-ион, а Na⁺, происходящий от сильного основания, остаётся ионом-наблюдателем.
3. Анион принимает протон от воды: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻.
4. Появление OH⁻ указывает на щелочную среду. Стрелка равновесия напоминает, что процесс обратим.

Ответ: сокращённое ионное уравнение — CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻; среда щелочная.

Задача 3. Для раствора NH₄Cl составьте сокращённое ионное уравнение гидролиза и объясните, как изменится степень гидролиза при разбавлении и нагревании.

1. Запишем диссоциацию: NH₄Cl → NH₄⁺ + Cl⁻. NH₄⁺ происходит от слабого основания NH₃, а Cl⁻ — от сильной кислоты.
2. Следовательно, с водой взаимодействует катион: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺. Кислую среду объясняет образование H₃O⁺.
3. Разбавление обычно смещает равновесие гидролиза в сторону образования большего числа частиц, поэтому доля соли, вступившей в реакцию, возрастает.
4. При нагревании степень гидролиза обычно также увеличивается: для многих таких равновесий повышение температуры смещает их в сторону продуктов.

Ответ: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺; при разбавлении и нагревании степень гидролиза обычно возрастает.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая соль гидролизуется. Так думают, потому что все соли растворяются в воде и распадаются на ионы, но диссоциация сама по себе не означает гидролиз. Проверьте, образована ли соль слабой кислотой или слабым основанием: если оба исходных электролита сильные, заметного гидролиза нет.

Ошибка — записывать взаимодействие с водой и катиона, и аниона для соли слабой кислоты и сильного основания или наоборот. Её допускают, смешивая эти случаи с солью слабой кислоты и слабого основания. Чтобы проверить уравнение, определите происхождение каждого иона: у обычной соли сильного и слабого электролита гидролизуется только ион слабого электролита.

Ошибка — выбирать кислую или щелочную среду только по названию соли. Название не показывает непосредственно, какие частицы образуются при гидролизе, поэтому такой вывод легко сделать неверно. Запишите сокращённое ионное уравнение и проверьте, появляются ли H₃O⁺ или OH⁻: первые указывают на кислую, вторые — на щелочную среду.

Ошибка — считать гидролиз необратимым и полагать, что разбавление его подавляет. Иногда процесс путают с реакцией, идущей до полного расходования реагента, хотя гидролиз устанавливает равновесие. В уравнении поставьте знак ⇌, а при рассуждении о разбавлении учитывайте изменение равновесия: степень гидролиза обычно увеличивается.

Связь с другими темами

Для изучения гидролиза нужны знания о диссоциации электролитов, сильных и слабых кислотах и основаниях, а также об ионных уравнениях реакций. Эта тема помогает предсказывать реакцию среды солевых растворов и выбирать условия проведения химических реакций. Гидролиз связан с химическим равновесием в растворах, понятием pH и качественными реакциями на ионы. Поэтому состав соли позволяет не только записать её распад, но и понять, как она влияет на свойства раствора.

Что запомнить

• Гидролиз солей — взаимодействие ионов соли с водой.
• Соль сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуется.
• Соль слабой кислоты и сильного основания даёт щелочную среду.
• Соль сильной кислоты и слабого основания даёт кислую среду.
• У соли слабой кислоты и слабого основания гидролизуются оба иона; среда зависит от относительной силы кислоты и основания.
• Гидролиз — обратимый процесс; разбавление и нагревание обычно повышают его степень.