§ 18. Гидролиз

Определения и обозначения

Гидролиз — взаимодействие вещества или его ионов с водой, приводящее к образованию новых слабых электролитов. Проще говоря, частица обменивается с водой и меняет свой состав. Это понятие помогает объяснить превращения веществ в водных растворах.

Гидролиз соли — обратимое взаимодействие ионов соли с молекулами воды, изменяющее состав раствора и его реакцию среды. Не все соли ведут себя одинаково: результат зависит от того, из каких кислоты и основания они образованы. По этому определению можно связать состав соли со свойствами её раствора.

Степень гидролиза — доля растворённых частиц соли, подвергшихся гидролизу. Она зависит от природы соли: ионы очень слабых электролитов обычно взаимодействуют с водой заметнее. На неё также влияют условия раствора, например разбавление и температура, поэтому величина не всегда одинакова.

Реакция среды — характеристика раствора как кислого, щелочного или нейтрального, связанная с соотношением ионов H⁺ и OH⁻. При преобладании H⁺ среда кислая, при избытке OH⁻ — щелочная, а при их равном влиянии — нейтральная. Определение реакции среды позволяет предсказать окраску индикатора и поведение раствора в реакциях.

Как это устроено

В воде соль распадается на ионы, но с водой взаимодействуют не все из них. Ион сильного электролита — например, Na⁺ из сильного основания или Cl⁻ из сильной кислоты — очень слабо связывает частицу противоположного заряда и практически не отнимает H⁺ или OH⁻ у воды. Ион слабого электролита, напротив, способен образовать с водой слабую молекулу. Поэтому именно остатки слабых кислот и катионы слабых оснований обычно определяют гидролиз.

Чтобы выяснить, какой ион реагирует, мысленно разделите соль на кислоту и основание, из которых она образована. Если кислота слабая, а основание сильное, гидролизуется анион кислотного остатка; если кислота сильная, а основание слабое — катион основания. У соли слабой кислоты и слабого основания могут гидролизоваться оба иона. Если же оба исходных электролита сильные, заметного гидролиза обычно нет.

Гидролиз аниона слабой кислоты образует молекулу этой кислоты и OH⁻, потому раствор становится щелочным. При гидролизе катиона слабого основания образуются частицы слабого основания и H⁺, поэтому среда кислая. Когда гидролиз отсутствует, соотношение H⁺ и OH⁻ существенно не меняется и среда остаётся нейтральной. Для соли слабой кислоты и слабого основания итог зависит от того, насколько сильнее проявляются кислотные или основные свойства образующихся частиц.

Уравнение удобно составлять в три шага: сначала записать исходные вещества, затем представить сильные растворимые электролиты в виде ионов, а в конце сократить ионы, не участвующие в превращении. В сокращённом ионном уравнении остаются гидролизующийся ион, вода и образующиеся слабые электролиты либо H⁺ или OH⁻. Воду записывают потому, что она — реагент, а не просто среда. Обратимая стрелка нужна, поскольку продукты гидролиза могут снова взаимодействовать и восстанавливать исходные частицы.

Степень гидролиза зависит от состава соли и условий. Разбавление обычно усиливает гидролиз: при увеличении объёма раствора равновесие смещается в сторону образования большего числа растворённых частиц. Повышение температуры часто также усиливает процесс, поскольку гидролиз нередко сопровождается поглощением тепла. Многозарядный катион, например Al³⁺, отдаёт протоны воде не сразу, а последовательно: сначала образуется AlOH²⁺, затем Al(OH)₂⁺; каждая следующая ступень обычно выражена слабее.

Гидролиз солей и реакция среды

Сначала определите силу исходных кислоты и основания, а затем найдите ион, который может образовать с водой слабый электролит. Уравнения в таблице показывают общий вид процесса, где HA — слабая кислота, B — слабое основание. Для соли двух слабых электролитов нельзя определить среду только по типу соли: нужно сравнить свойства образующихся частиц.

Разбор задач

1. Среда растворов NaCl, Na₂CO₃ и NH₄Cl

Условие. Определите реакцию среды и укажите гидролизующиеся ионы. Решение начните с установления происхождения каждой соли. Так становится понятно, какой ион способен реагировать с водой.

1. NaCl образована сильными HCl и NaOH. Оба иона практически не гидролизуются, поэтому среда нейтральная.
2. Na₂CO₃ образована слабой H₂CO₃ и сильным NaOH. Гидролизуется CO₃²⁻, образуя HCO₃⁻ и OH⁻, поэтому среда щелочная.
3. NH₄Cl образована сильной HCl и слабым основанием NH₃·H₂O. Гидролизуется NH₄⁺, раствор имеет кислую среду.

Ответ: NaCl — нейтральная среда, гидролиз практически отсутствует; Na₂CO₃ — щелочная, гидролизуется CO₃²⁻; NH₄Cl — кислая, гидролизуется NH₄⁺. Проверка проста: остаток слабой кислоты указывает на щелочную среду, а катион слабого основания — на кислую. Натрий- и хлорид-ионы в этих примерах остаются ионами-наблюдателями.

2. Гидролиз ацетата натрия

Условие. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения для CH₃COONa. Ацетат натрия образован слабой уксусной кислотой и сильным основанием NaOH. Значит, реагирует с водой анион CH₃COO⁻, а Na⁺ в превращении не участвует.

1. В молекулярной форме запишите образование слабой кислоты и щёлочи: CH₃COONa + H₂O ⇌ CH₃COOH + NaOH.
2. Для полного ионного уравнения разложите растворимые сильные электролиты на ионы: CH₃COO⁻ + Na⁺ + H₂O ⇌ CH₃COOH + Na⁺ + OH⁻.
3. Сократите одинаковые ионы Na⁺ по обе стороны: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻.

Ответ: уравнения записаны в молекулярной, полной и сокращённой ионной формах. Ион OH⁻ появляется в результате реакции ацетат-иона с водой, поэтому среда раствора щелочная. Сокращать воду нельзя: она участвует в переносе протона и является реагентом.

3. Ступенчатый гидролиз AlCl₃

Условие. Запишите ступени гидролиза AlCl₃, объясните кислую среду и укажите влияние разбавления. Хлорид-ион — остаток сильной HCl и в гидролизе практически не участвует. Заряженный катион Al³⁺ притягивает электронную плотность воды, из-за чего связи O–H ослабляются и в раствор переходят H⁺.

1. Первая ступень: Al³⁺ + H₂O ⇌ AlOH²⁺ + H⁺.
2. Вторая ступень: AlOH²⁺ + H₂O ⇌ Al(OH)₂⁺ + H⁺. Последующие ступени возможны, но обычно выражены слабее.
3. На каждой ступени образуются H⁺, поэтому раствор имеет кислую реакцию. При разбавлении равновесие гидролиза обычно смещается вправо, и степень гидролиза возрастает.

Ответ: гидролиз Al³⁺ идёт ступенчато с образованием гидроксосоединений и H⁺; раствор кислый, а разбавление обычно усиливает гидролиз. Стрелка в обе стороны показывает равновесие, а не полное превращение всего алюминия. Хлорид-ионы в сокращённые уравнения этих ступеней не включают.

Типичные ошибки

Считать, что гидролизуется любая соль, — значит не учитывать природу исходных кислоты и основания. Эту ошибку допускают, потому что слово «гидролиз» связывают с присутствием воды, хотя вода сама по себе не заставляет все ионы реагировать. Проверьте, есть ли среди исходных электролитов слабый: если оба сильные, соль обычно не гидролизуется заметно.

Запись гидролиза как необратимой реакции до конца неверна для большинства солей. Её часто выбирают по привычке изображать химические превращения одной стрелкой, но здесь устанавливается равновесие. Проверьте знак: обратимую стрелку ставят, если в растворе остаются и исходные частицы, и продукты.

Определять среду только по формуле соли — ненадёжно, если не выяснить происхождение её ионов. Например, наличие металла само по себе не означает щелочную реакцию, а наличие неметалла — кислую. Для проверки восстановите исходные кислоту и основание, затем установите, какой слабый ион гидролизуется и какие частицы образуются.

В сокращённое ионное уравнение иногда ошибочно включают распад воды на H⁺ и OH⁻ или оставляют ионы сильного электролита. Так происходит, если смешать гидролиз с диссоциацией или не выполнить сокращение. Проверьте, что в уравнении вода реагирует с ионом соли, сильные электролиты представлены ионами, а одинаковые ионы по обе стороны удалены.

Связь с другими темами

Для изучения гидролиза нужны знания об электролитической диссоциации, сильных и слабых электролитах, ионных уравнениях, кислотах и основаниях. На этой основе можно объяснять pH и реакцию раствора, а также понимать, почему некоторые ионы не могут долго совместно существовать в одном растворе. Эти знания пригодятся при разборе реакций обмена и качественных реакций. Гидролиз также важен для изучения равновесий, буферных растворов и химических процессов в природных водах.

Что запомнить

• Гидролиз соли — взаимодействие её ионов с водой.
• Соли сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуются.
• Анион слабой кислоты гидролизуется с образованием OH⁻ и щелочной среды.
• Катион слабого основания гидролизуется с образованием H⁺ и кислой среды.
• Гидролиз является обратимым равновесным процессом.
• Многозарядные ионы могут гидролизоваться ступенчато.
• Разбавление обычно усиливает гидролиз.