9.5. Гидролиз солей

Определения и обозначения

Гидролиз соли — взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита и изменению состава раствора. Например, ион CO₃²⁻ связывает протон воды и превращается в HCO₃⁻, а в растворе накапливаются OH⁻. Это понятие помогает объяснить, почему раствор соли может иметь не нейтральную реакцию среды.

Гидролиз по катиону — взаимодействие катиона соли с водой. В нём участвуют катионы, соответствующие слабым основаниям: например, NH₄⁺ является сопряжённой кислотой слабого основания NH₃·H₂O. По катиону гидролизуются соли вроде NH₄Cl, и раствор обычно становится кислым.

Гидролиз по аниону — взаимодействие аниона соли с водой. Такой процесс характерен для анионов слабых кислот, например CH₃COO⁻ или CO₃²⁻, поскольку они способны присоединять протон воды. В результате образуются слабая кислота и ионы OH⁻, поэтому среда обычно щелочная.

Степень гидролиза — доля исходного количества вещества, подвергшаяся гидролизу. Её обозначают h и выражают отношением h = n(гидролизовавшейся соли) / n(исходной соли), иногда в процентах. Величина h показывает, насколько глубоко прошёл процесс, и зависит от природы соли, концентрации раствора и температуры.

Как это устроено

Ионы сильных электролитов почти не связывают воду, потому что образованные ими кислоты или основания сильны и легко распадаются обратно на ионы. Для реакции HCl ⇄ H⁺ + Cl⁻ обратное связывание H⁺ и Cl⁻ в молекулу HCl в воде невыгодно. Ионы слабых кислот и оснований, напротив, являются более сильными участниками обратных кислотно-основных превращений, поэтому они реагируют с водой заметно.

Возможность гидролиза определяют по исходным кислоте и основанию. Если соль образована сильной кислотой и сильным основанием, её ионы не гидролизуются, а среда близка к нейтральной. Анион слабой кислоты даёт OH⁻ и щелочную среду, катион слабого основания даёт H₃O⁺ и кислую среду.

Для соли слабой кислоты и сильного основания общий процесс можно показать так: CH₃COONa + H₂O ⇄ CH₃COOH + NaOH. Сокращённое ионное уравнение имеет вид CH₃COO⁻ + H₂O ⇄ CH₃COOH + OH⁻; Na⁺ в нём не записывают, поскольку он не меняется. Для соли сильной кислоты и слабого основания: NH₄Cl + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + HCl, а сокращённо NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺.

У соли слабой кислоты и слабого основания гидролизоваться могут оба иона. Например, для NH₄CH₃COO одновременно возможны реакции NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺ и CH₃COO⁻ + H₂O ⇄ CH₃COOH + OH⁻. Поэтому одну только формулу соли недостаточно сопоставить с кислой или щелочной средой: нужно сравнить силы исходных кислоты и основания.

Разбавление обычно увеличивает степень гидролиза, потому что равновесие смещается в сторону образования большего числа частиц. Повышение температуры чаще усиливает гидролиз, если он эндотермический, поскольку системе выгодно поглощать тепло. Природа соли определяет саму возможность процесса и его выраженность: слабый электролит с меньшей константой диссоциации обычно даёт более заметное взаимодействие сопряжённого иона с водой.

Гидролиз солей и реакция среды раствора

Пользуйтесь таблицей в два шага: сначала определите кислоту и основание, из которых образована соль, затем найдите гидролизующийся ион. Если гидролизуются оба иона, сравните их влияние на концентрации H₃O⁺ и OH⁻, а не делайте вывод только по заряду частиц.

Разбор задач

Задача 1. Раствор Na₂CO₃

Нужно определить, взаимодействуют ли ионы карбоната с водой, установить реакцию среды и записать первую ступень гидролиза. Натрий образован сильным основанием NaOH, а угольная кислота H₂CO₃ слабая. Значит, главным участником процесса будет анион CO₃²⁻.

1. Сопоставляем ионы с исходными электролитами: Na⁺ практически не гидролизуется, CO₃²⁻ является анионом слабой кислоты.
2. Записываем сокращённое ионное уравнение первой ступени: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻.
3. Делаем вывод о среде: образование OH⁻ означает щелочную реакцию раствора.

Ответ: гидролиз идёт по аниону CO₃²⁻, среда щелочная; первая ступень описывается уравнением CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻.

Задача 2. Раствор NH₄Cl

В этой соли NH₄⁺ связан со слабым основанием NH₃·H₂O, а Cl⁻ — с сильной кислотой HCl. Поэтому хлорид остаётся ионом-наблюдателем, а гидролизуется катион аммония. Образование H₃O⁺ или H⁺ указывает на кислую среду.

1. Выделяем гидролизующийся ион: NH₄⁺; ион Cl⁻ в сокращённое уравнение не включаем.
2. Записываем молекулярное уравнение: NH₄Cl + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + HCl.
3. Переходим к сокращённому ионному уравнению: NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺.

Ответ: гидролиз идёт по катиону NH₄⁺, среда кислая, а уравнение имеет вид NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺.

Задача 3. Na₂CO₃ и NaHCO₃

Обе соли содержат натрий, но анионы у них различны, поэтому их гидролиз протекает неодинаково. Карбонат-ион является сильным основанием по отношению к воде и гидролизуется заметнее. Гидрокарбонат-ион амфотерен: он может и принимать, и отдавать протон, но в воде преобладает образование OH⁻.

1. Для Na₂CO₃ записываем две ступени: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻; HCO₃⁻ + H₂O ⇄ H₂CO₃ + OH⁻.
2. Для NaHCO₃ основная ступень имеет вид HCO₃⁻ + H₂O ⇄ H₂CO₃ + OH⁻; возможна также кислотная реакция HCO₃⁻ + H₂O ⇄ CO₃²⁻ + H₃O⁺.
3. Сравниваем результаты: в растворе Na₂CO₃ гидролиз выражен сильнее и среда более щелочная, чем в растворе NaHCO₃.

Ответ: Na₂CO₃ гидролизуется ступенчато и даёт более щелочную среду; NaHCO₃ гидролизуется слабее, поскольку HCO₃⁻ проявляет двойственные кислотно-основные свойства.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать, что гидролизуются все ионы соли. Так происходит из-за смешения понятий «растворение» и «химическое взаимодействие». Проверяйте каждый ион по силе исходных кислоты или основания: Cl⁻ и Na⁺ обычно являются ионами-наблюдателями.

Ошибка 2: определять среду только по заряду иона. Один и тот же заряд не означает одинаковую способность к гидролизу. Сначала установите происхождение иона, затем определяйте, появляются ли H₃O⁺ или OH⁻.

Ошибка 3: включать ионы-наблюдатели в сокращённое уравнение. Их оставляют в полной ионной записи, но при сокращении одинаковые частицы по обе стороны убирают. Проверьте, изменяется ли ион в ходе реакции с водой.

Ошибка 4: путать гидролиз с диссоциацией. При диссоциации соль распадается на уже существующие ионы, а при гидролизе ион реагирует с водой и образует новые частицы. Если вода не участвует в уравнении, это не запись гидролиза.

Связь с другими темами

Для понимания гидролиза нужны знания об электролитической диссоциации, сильных и слабых электролитах, кислотно-основных свойствах и ионных уравнениях. Эти темы объясняют, почему одни ионы остаются неизменными, а другие связывают частицы воды.

Гидролиз помогает объяснять pH растворов солей, результаты качественных реакций и условия протекания обменных реакций в растворах. Например, изменение концентрации H₃O⁺ или OH⁻ определяет реакцию среды и поведение индикаторов.

Что запомнить

• Гидролиз — взаимодействие ионов соли с водой.
• Соли сильной кислоты и сильного основания практически не гидролизуются.
• Анион слабой кислоты обычно гидролизуется с образованием щелочной среды.
• Катион слабого основания обычно гидролизуется с образованием кислой среды.
• У соли слабой кислоты и слабого основания гидролизоваться могут оба иона.
• Гидролиз может протекать ступенчато; обычно сильнее выражена первая ступень.
• Разбавление и нагревание, как правило, усиливают гидролиз.