§ 16. Гидролиз органических и неорганических соединений

Определения и обозначения

Гидролиз — взаимодействие вещества с водой, приводящее к образованию новых веществ. При растворении вещество лишь распределяется в воде, а его частицы сохраняют химический состав. При гидролизе состав частиц меняется, поэтому это химическая реакция; понятие помогает отличить превращение вещества от простого растворения.

Гидролиз соли — взаимодействие ионов соли с водой, при котором образуются новые частицы и может измениться среда раствора. Сначала соль распадается на ионы, а затем некоторые из них связываются с частями молекул воды. По этому понятию объясняют, почему растворы разных солей могут быть кислыми, щелочными или нейтральными.

Обратимый гидролиз — реакция, продукты которой могут вновь соединиться и образовать исходные вещества. В прямом и обратном направлениях реакции идут одновременно, устанавливая химическое равновесие. Это определение нужно, чтобы понимать, почему изменение условий может смещать состав смеси, а гидролиз не всегда проходит до конца.

Необратимый гидролиз — процесс, который практически идёт до конца, потому что продукты трудно вернуть в исходное состояние. Его поддерживает, например, образование осадка или газа; пример органической реакции — омыление сложного эфира щёлочью. Различение обратимого и необратимого процессов помогает верно записывать продукты и оценивать, останутся ли исходные вещества.

Как это устроено

При растворении соли в воде частицы воды окружают ионы и ослабляют их притяжение в кристаллической решётке, поэтому соль распадается на катионы и анионы. Сам факт распада ещё не означает гидролиз: ионы сильных электролитов почти не связываются с водой. Реакция идёт заметно, когда ион образован слабой кислотой или слабым основанием, поскольку он способен принять или отдать протон воде. Поэтому происхождение каждого иона подсказывает, будет ли гидролиз и какая частица в нём участвует.

Если соль образована сильным основанием и слабой кислотой, её анион способен присоединить протон, отняв его у молекулы воды. В результате появляются OH⁻, и их избыток создаёт щелочную среду. Например, для карбоната натрия сокращённое ионное уравнение первой ступени: CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻. Ионы Na⁺ в уравнение не включают, потому что они не изменяются и не участвуют в образовании продуктов гидролиза.

Если соль образована слабым основанием и сильной кислотой, с водой взаимодействует её катион. Он может передать протон молекуле воды, вследствие чего образуются слабое основание и H₃O⁺; рост концентрации H₃O⁺ делает среду кислой. Так ведёт себя, например, ион аммония: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺. Анион сильной кислоты обычно остаётся в растворе без изменений.

У соли слабой кислоты и слабого основания возможен гидролиз и катиона, и аниона. Оба процесса влияют на соотношение H₃O⁺ и OH⁻, поэтому итоговая среда зависит от относительной силы кислоты и основания, а не только от формулы соли. Если соль образована сильной кислотой и сильным основанием, её ионы почти не связывают воду и гидролиз практически отсутствует. Поэтому раствор такой соли, как NaCl, близок к нейтральному.

В органических соединениях гидролиз разрывает химическую связь с участием воды. При кислотном гидролизе сложного эфира вода разделяет остатки кислоты и спирта: образуются карбоновая кислота и спирт, а обратная реакция может снова дать эфир. В щелочной среде получается соль кислоты и спирт; связывание кислоты в соль мешает обратному образованию эфира, поэтому омыление практически необратимо. При гидролизе углеводов вода расщепляет связи между сахарными звеньями, образуя более простые сахара.

Гидролиз солей и органических соединений

Сопоставьте происхождение соли с частицей, которая вступает в реакцию: слабой кислоте соответствует гидролиз аниона, слабому основанию — гидролиз катиона. В столбце с уравнениями указаны типичные продукты или примеры, а знак ⇌ показывает обратимый процесс. Для органических соединений важно отдельно смотреть, проводится ли реакция с водой в кислой среде или со щёлочью.

Разбор задач

1. Гидролиз Na₂CO₃

Условие. Запишите сокращённое ионное уравнение гидролиза Na₂CO₃ и определите среду раствора. Рассуждать удобно от ионов, поскольку растворимая соль уже распалась на частицы. Нужно установить, какой из этих ионов связан со слабым исходным электролитом.

1. Na₂CO₃ образован сильным основанием NaOH и слабой угольной кислотой H₂CO₃. Следовательно, гидролизуется анион CO₃²⁻, а Na⁺ остаётся ионом-наблюдателем.
2. Анион принимает протон у воды, поэтому первая ступень записывается так: CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻. Ионы, не участвующие в превращении, в сокращённое уравнение не включают.
3. В продуктах появляется OH⁻. Его образование означает, что в растворе возникает избыток гидроксид-ионов.

Ответ. CO₃²⁻ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + OH⁻. Среда раствора щелочная, так как при гидролизе образуются OH⁻.

2. Растворы NH₄Cl и CH₃COONa

Условие. Запишите уравнения гидролиза NH₄Cl и CH₃COONa и сравните характер среды. Эти соли дают разные результаты, потому что в первой слабое основание, а во второй слабая кислота. Сначала определите гидролизуемый ион, а затем сравните, образуются ли H₃O⁺ или OH⁻.

1. NH₄Cl образован слабым основанием NH₃·H₂O и сильной кислотой HCl, поэтому гидролизуется NH₄⁺: NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺. Образование H₃O⁺ указывает на кислую среду.
2. CH₃COONa образован слабой уксусной кислотой и сильным основанием NaOH, поэтому реагирует CH₃COO⁻: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻. Появление OH⁻ указывает на щелочную среду.
3. В обоих случаях записаны сокращённые ионные уравнения: ионы Cl⁻ и Na⁺ не меняются и не входят в них. При записи молекулярного уравнения, напротив, показывают состав исходной соли.

Ответ. NH₄Cl гидролизуется по катиону и создаёт кислую среду. CH₃COONa гидролизуется по аниону и создаёт щелочную среду.

3. Щелочной гидролиз этилового эфира уксусной кислоты

Условие. Запишите уравнение щелочного гидролиза этилового эфира уксусной кислоты и назовите органические продукты. Формула эфира — CH₃COOC₂H₅: часть CH₃COO– происходит от уксусной кислоты, а C₂H₅– соответствует этильной группе спирта. При действии щёлочи эфир распадается с образованием соли кислоты и спирта.

1. Определите реагент: для щелочного гидролиза нужен OH⁻, который поступает, например, из NaOH. Уравнение записывают в молекулярной форме, чтобы показать образование соли натрия.
2. Связь в группе –COO– разрывается, а остатки распределяются между продуктами: CH₃COONa и C₂H₅OH. Составьте и проверьте уравнение: CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH.
3. Проверьте атомы: по обе стороны уравнения одинаковое число атомов C, H, O и Na. Кислота в щелочной среде представлена своей солью, а не молекулой уксусной кислоты.

Ответ. CH₃COOC₂H₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH. Органические продукты — ацетат натрия (соль уксусной кислоты) и этанол.

Типичные ошибки

• Считать, что гидролизуется любая соль. Это неверно: соль сильной кислоты и сильного основания, например NaCl, практически не взаимодействует с водой. Так думают, смешивая растворение соли и химический гидролиз. Проверьте себя: определите кислоту и основание, образовавшие соль, и выясните, есть ли среди них слабый электролит.

• Назначать гидролиз катиону или аниону без проверки исходных веществ. Сам заряд иона не показывает, будет ли он реагировать: решающей является сила кислоты или основания, от которого он произошёл. Чтобы не ошибиться, сначала разложите формулу соли на кислотный остаток и катион основания. Затем проверьте, какая часть связана со слабым электролитом.

• Оставлять в сокращённом ионном уравнении посторонние ионы или сокращать участвующие частицы. Ионы-наблюдатели не меняются, поэтому их исключают, но частицы, образующие слабый электролит, должны остаться. Ошибка часто возникает при механическом сокращении одинаковых символов. Проверьте, что каждый реагент в уравнении действительно участвует в реакции, а атомы и заряд сбалансированы.

• Считать кислотный гидролиз эфира необратимым. Его продукты — кислота и спирт — могут вновь дать эфир и воду, поэтому устанавливается равновесие. Омыление щёлочью отличается образованием соли карбоновой кислоты и практически идёт до конца. Для проверки посмотрите на условия и продукты: вода в кислой среде означает обратимый гидролиз, а щёлочь — образование соли.

Связь с другими темами

Для понимания гидролиза нужны знания об электролитической диссоциации, сильных и слабых кислотах и основаниях, а также умение составлять молекулярные и ионные уравнения. Гидролиз солей связывает химическое равновесие с кислотно-основными свойствами растворов и помогает объяснить их pH. В органической химии эта реакция продолжает изучение сложных эфиров и пригодится при разборе превращений жиров, углеводов и белков. Так тема объединяет свойства растворов с превращениями органических веществ.

Что запомнить

• Гидролиз — химическое взаимодействие вещества с водой, а не просто его растворение.
• В солях сильной кислоты и слабого основания гидролизуется катион.
• В солях слабой кислоты и сильного основания гидролизуется анион.
• Соль сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуется.
• При гидролизе соли слабой кислоты и слабого основания среда зависит от относительной силы кислоты и основания.
• Кислотный гидролиз сложного эфира обратим, а щелочной гидролиз приводит к образованию соли карбоновой кислоты и спирта.