"Химия. Профильный уровень", Габриелян О.С., Лысова Г.Г.
Гидролиз — обратимое взаимодействие вещества с водой, при котором образуется слабый электролит. Для солей он объясняет, почему их растворы могут быть кислыми, щелочными или нейтральными, хотя сама соль не является кислотой или основанием. Чтобы предсказать реакцию среды, нужно выяснить, от каких кислоты и основания образована соль, и определить, какой её ион связывает H⁺ или OH⁻ воды. Эти правила применяют при составлении ионных уравнений и расчёте pH.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гидролиз — обратимое взаимодействие вещества с водой, приводящее к образованию слабого электролита. Иными словами, частицы вещества обмениваются с водой ионами или протонами, а продукты могут снова реагировать друг с другом. Понятие помогает отличить гидролиз от обычного растворения, при котором вещество лишь распределяется в воде.
Гидролиз соли — взаимодействие ионов соли с молекулами воды с образованием слабой кислоты или слабого основания и изменением реакции среды. Например, анион слабой кислоты может превратиться в её молекулу, а вода при этом образует OH⁻. Это определение позволяет предсказать, будет раствор кислым, щелочным или близким к нейтральному.
Степень гидролиза — доля растворённого вещества, подвергшаяся гидролизу; её обозначают h. Если гидролизовалась малая часть частиц, значение h невелико, а если значительная — велико. Степень используют, чтобы сравнивать гидролиз растворов и решать количественные задачи.
Константа гидролиза — величина, характеризующая равновесие реакции гидролиза и зависящая от константы диссоциации слабого электролита. Для соли слабой кислоты Kг = Kw/Ka, где Kw — ионное произведение воды, а Ka — константа диссоциации кислоты. Константа помогает оценить, насколько охотно протекает гидролиз, и связать равновесие с концентрациями частиц.
Гидролиз соли является обратным процессом по отношению к нейтрализации: при нейтрализации кислота и основание дают соль и воду, а при гидролизе ион соли взаимодействует с водой и восстанавливает слабый электролит. Ион слабой кислоты связывает H⁺, а катион слабого основания связывает OH⁻; эти частицы возникают при самоионизации воды. Поскольку продукты гидролиза способны снова образовать исходные ионы и воду, процесс устанавливает равновесие, а не обязательно идёт до конца.
Соли сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуются. Их катион и анион являются очень слабыми сопряжёнными частицами и почти не связывают соответственно OH⁻ и H⁺ воды. Поэтому, например, ионы Na⁺ и Cl⁻ остаются в растворе, не создавая заметного избытка H₃O⁺ или OH⁻.
Если соль образована слабой кислотой и сильным основанием, гидролизуется анион слабой кислоты: он принимает протон воды и образует HA и OH⁻. Избыток OH⁻ делает раствор щелочным. В соли сильной кислоты и слабого основания, наоборот, катион связывает OH⁻ и образует слабое основание, а вода даёт H₃O⁺; поэтому среда становится кислой. Так реакция среды определяется продуктами взаимодействия ионов с водой, а не названием соли.
Уравнение гидролиза можно представить в молекулярной, полной и сокращённой ионной формах. Сначала показывают реакцию соли с водой, затем расписывают растворимые сильные электролиты на ионы. В сокращённом уравнении убирают ионы-наблюдатели, которые присутствуют по обе стороны записи и не меняются; остаются только частицы, непосредственно участвующие в процессе.
Многозарядный ион отдаёт или принимает протоны не сразу, а ступенчато: после первой реакции образуется новый ион, способный взаимодействовать с водой дальше. Обычно первая ступень выражена сильнее, потому что исходный ион активнее связывает частицу воды, чем уже изменённый продукт. Степень гидролиза зависит также от природы соли, температуры и концентрации: разбавление обычно увеличивает долю гидролизованных частиц, нагревание часто смещает равновесие в сторону гидролиза, а удаление его продуктов усиливает процесс по принципу Ле Шателье.
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, сильными или слабыми являются кислота и основание, образовавшие соль. Затем найдите участвующий ион и по сокращённому уравнению установите, появляются ли H₃O⁺ или OH⁻. Для соли слабой кислоты и слабого основания нельзя определить среду только по типу соли: нужно сравнить относительную силу кислоты и основания.
| Тип соли | Ион, участвующий в гидролизе | Пример сокращённого ионного уравнения | Реакция среды | Пример соли |
|---|---|---|---|---|
| Сильная кислота + сильное основание | Гидролиз практически отсутствует | Нет сокращённого ионного уравнения | Нейтральная | NaCl |
| Слабая кислота + сильное основание | Анион слабой кислоты | A⁻ + H₂O ⇄ HA + OH⁻ | Щелочная | CH₃COONa |
| Сильная кислота + слабое основание | Катион слабого основания | BH⁺ + H₂O ⇄ B + H₃O⁺ | Кислая | NH₄Cl |
| Слабая кислота + слабое основание | Оба иона | A⁻ + BH⁺ ⇄ HA + B | Зависит от относительной силы кислоты и основания | NH₄CH₃COO |
Условие. Составить молекулярное, полное и сокращённое ионные уравнения гидролиза Na₂CO₃ и определить реакцию среды. Карбонат-ион CO₃²⁻ — остаток слабой угольной кислоты, а Na⁺ происходит от сильного основания NaOH. Поэтому в первую очередь проверяем именно анион: он способен принять протон от воды.
Ответ. Гидролизуется CO₃²⁻, а образование OH⁻ означает щелочную среду. Обычно показывают первую ступень, поскольку она выражена сильнее последующих; обратимая стрелка указывает на равновесие.
Условие. Для NH₄Cl, Na₂SO₄ и CH₃COONa определить гидролизующиеся ионы, записать сокращённые уравнения и расположить растворы по возрастанию pH. Сначала разбираем происхождение каждого иона, а затем связываем продукты гидролиза с реакцией среды. Сульфат-ион в школьных задачах обычно считают практически не гидролизующимся.
Ответ. По возрастанию pH: NH₄Cl, Na₂SO₄, CH₃COONa. Такой порядок следует из появления H₃O⁺ в первом растворе, отсутствия заметного гидролиза во втором и появления OH⁻ в третьем.
Условие. Найти pH 0,10 М раствора CH₃COONa и степень гидролиза, если Ka(CH₃COOH) = 1,8·10⁻⁵. Ацетат-ион образует слабую кислоту, поэтому гидролиз даёт OH⁻; для вычисления сначала найдём константу гидролиза, а затем равновесную концентрацию OH⁻. При 25 °C принимаем Kw = 1,0·10⁻¹⁴.
Ответ. pH ≈ 8,87, степень гидролиза h ≈ 7,5·10⁻⁵. Малое значение h подтверждает, что использованное приближение слабого гидролиза согласуется с результатом.
Ошибочно считать, что гидролизуется любая соль. Это происходит из-за смешения растворения и гидролиза: раствориться могут многие соли, но их ионы не всегда реагируют с водой. Проверьте происхождение обоих ионов; у соли сильной кислоты и сильного основания заметного гидролиза нет.
Нельзя записывать гидролиз катиона или аниона сильного электролита как существенный процесс. Путают название иона с его способностью взаимодействовать с водой, хотя гидролизуется частица, сопряжённая со слабой кислотой или слабым основанием. Самопроверка простая: укажите исходную кислоту или основание и убедитесь, что оно слабое.
Среду неправильно определять только по формуле или названию соли. Такая ошибка возникает, если не посмотреть на продукты реакции: среду задаёт избыток H₃O⁺ или OH⁻, образующийся при гидролизе. Запишите сокращённое ионное уравнение и проверьте, какой из этих ионов в нём появляется.
Гидролиз не следует изображать необратимой стрелкой или полным разложением соли. Так делают, перенося на него правила реакций, идущих до конца, хотя гидролиз обычно устанавливает равновесие. Ставьте ⇄ и записывайте только существенную ступень, если задача не требует полного рассмотрения всех стадий.
Для понимания гидролиза нужны знания об электролитической диссоциации, сильных и слабых электролитах, кислотно-основных свойствах и ионных уравнениях: без них нельзя определить реагирующий ион. Тема помогает объяснять реакцию среды растворов солей и рассчитывать pH, в том числе в аналитической химии. Она также связана с химическим равновесием, принципом Ле Шателье и константами диссоциации; эти идеи пригодятся при изучении буферных растворов.
Почему раствор NaCl считают нейтральным, если соль растворяется в воде?
Растворение NaCl приводит к появлению ионов Na⁺ и Cl⁻, но эти ионы почти не связывают H⁺ или OH⁻ воды. Поэтому заметного гидролиза нет, а концентрации H₃O⁺ и OH⁻ остаются примерно равными. Реакция раствора близка к нейтральной.
Как быстро определить, по какому иону идёт гидролиз?
Определите, какой кислотой и каким основанием образована соль. Анион гидролизуется, если он принадлежит слабой кислоте, а катион — если он принадлежит слабому основанию. Ионы сильной кислоты и сильного основания обычно не учитывают.
Почему гидролиз соли слабой кислоты делает раствор щелочным?
Анион слабой кислоты забирает протон у воды и превращается в молекулу слабой кислоты. При этом вода отдаёт OH⁻, и его концентрация возрастает. Поэтому среда становится щелочной.
Нужно ли записывать все ступени гидролиза многозарядного иона?
Для объяснения обычно достаточно первой ступени: она, как правило, выражена сильнее последующих. Все ступени записывают, если этого требует задача или нужно подробно показать процесс. На каждой ступени образуется новый ион, который может гидролизоваться дальше.
Как связаны степень гидролиза, концентрация раствора и константа гидролиза?
Константа гидролиза характеризует положение равновесия, а степень гидролиза h показывает долю вещества, вступившую в процесс. Для слабого гидролиза соли концентрации C часто используют приближение h ≈ √(Kг/C). Поэтому при разбавлении степень гидролиза обычно растёт.
§ 16. Гидролиз
