Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 13. Кислотність розчинів солей. Гідроліз

Пригадайте:

серед електролітів виділяють сильні кислоти (H₂SO₄, HNO₃, НСl, НВr, НI), слабкі кислоти, сильні основи (гідроксиди лужних та лужноземельних елементів), слабкі основи (розчин амоніаку, нерозчинні гідроксиди);
водневий показник pH характеризує кислотність розчинів і дорівнює pH = -lg С(Н⁺);
у кислих розчинах кількість йонів Н⁺ більша, ніж йонів ОН^-, унаслідок чого рН < 7, у лужних — навпаки (рН > 7), а в нейтральних розчинах кількість йонів Н⁺і ОН^- однакова, тому рН = 7.

Класифікація солей

У попередніх класах ви вже вивчали склад, поширеність, електролітичну дисоціацію та властивості солей. Але ви ознайомилися лише із середніми солями. Також існують кислі та основні солі, які відрізняються від середніх складом і певними властивостями.

• Середні солі складаються лише з катіонів металічних елементів та аніонів повністю дисоційованих кислот, наприклад К₂СО₃та Na₂SO₄.

• Кислі солі відрізняються від середніх наявністю Гідрогену. Вони можуть бути утворені будь-яким катіоном, а аніон може бути лише від багатоосновної кислоти, оскільки кислі солі є продуктом неповного заміщення катіонів Гідрогену в кислоті катіонами металічних елементів:

Формули кислих солей складають, ґрунтуючись на зарядах катіонів та аніонів. У назвах кислих солей наявність Н⁺ зазначають префіксом «гідроген» у назві аніона (табл. 4).

Таблиця 4. Кислі та середні солі

	Солі (на прикладі карбонатної кислоти)		Солі (на прикладі ортофосфатної кислоти)
	кислі	середні	кислі		середні
Кислота	Н₂СО₃		H₃РО₄
Аніони	НСО₃^-	CO₃^2-	H₂PO₄^-	НРО₄^2-	РО₄^3-
Назва аніонів	гідрогенкарбонат	карбонат	дигідрогенортофосфат	гідрогенортофосфат	ортофосфат
Сіль з однозарядним катіоном К⁺	KHCO₃ калій гідрогенкарбонат	К₂СО₃ калій карбонат	KH₂РО₄ калій дигідрогенортофосфат	К₂НРО₄ калій гідрогенортофосфат	K₃РО₄ калій ортофосфат
Сіль з двозарядним катіоном Са²⁺	Са(НСО₃)₂ кальцій гідрогенкарбонат	СаСО₃ кальцій карбонат	Са(Н₂РО₄)₂ кальцій дигідрогенортофосфат	СаНРО₄ кальцій гідрогенортофосфат	Са₃(РО₄)₂ кальцій ортофосфат

• Основні солі відрізняються від середніх наявністю гідроксид-іонів. Вони можуть бути утворені багатозарядним катіоном та будь-яким аніоном:

Взаємодія солей із водою. Поняття про гідроліз

Коли ми говоримо про взаємодію солей із водою, то зазвичай маємо на увазі процес розчинення солей у воді. Але експериментально встановлено, що розчини деяких солей не змінюють забарвлення індикаторів, а в розчинах інших солей індикатори показують наявність кислот або лугів. Звідки ж у розчині солі наявні луг або кислота? Вони з’являються в результаті хімічної взаємодії солей із водою, що називають гідролізом:

Гідроліз солей — це хімічна взаємодія йонів солі з водою, у результаті якої утворюється слабкий електроліт (кислота або основа).

Можна виділити декілька випадків гідролізу, насамперед оборотний і необоротний гідроліз.

У разі оборотного гідролізу реакції піддаються зазвичай не більше декількох відсотків розчиненої солі, а в разі необоротного — майже вся речовина. В оборотному гідролізі також можна виділити три види залежно від того, якою кислотою і якою основою утворена сіль (схема 1).

Схема 1. Різновиди гідролізу

Гідроліз солей, утворених слабкими кислотами та сильними основами

Сіль, утворена сильною основою та слабкою кислотою, піддається гідролізу за аніоном, а в її розчині лужне середовище, рН > 7.

Солі, утворені слабкими кислотами та сильними основами, у розчині піддаються гідролізу за аніоном. Наприклад, натрій флуорид взаємодіє з водою за рівнянням:

NaF + Н₂О ⇄ NaOH + HF

Цей процес відбувається дуже слабко, гідролізу піддається не більше одного відсотка розчиненої солі, утім, невелика кількість продуктів реакції з’являється в розчині. До того ж із двох продуктів реакції натрій гідроксид — сильна основа, тобто повністю дисоціює на йони, а флуоридна кислота — слабка кислота, тобто дисоціює слабко. Отже, у розчині з’являється надлишок гідроксид-іонів, що зумовлює лужне середовище. У йонній формі рівняння реакції гідролізу натрій флуориду буде таким:

F^- + Н₂О ⇄ ОН^- + HF

Скорочене йонне рівняння набагато краще ілюструє надлишок гідроксид-іонів. Під час його складання необхідно пам’ятати, що у вигляді йонів записують лише сильні електроліти, а слабкі електроліти — у вигляді молекул. Зі скороченого рівняння видно, що сіль, утворена сильною основою та слабкою кислотою, піддається гідролізу за аніоном, тобто за йоном кислотного залишку.

Як ви знаєте, багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто, а отже, і солі багатоосновних кислот піддаються ступінчастому гідролізу. Наприклад, натрій карбонат за першою стадією взаємодіє з однією молекулою води, а продукт гідролізу взаємодіє з іншою молекулою води.

Перша стадія:

Na₂CO₃ + Н₂О ⇄ NaHCO₃ + NaOH

СО₃^2- + Н₂О ⇄ НСО₃^- + ОН^-

Друга стадія:

NaHCO₃ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ + NaOH

НСО₃ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃ + ОН^-

За першою стадією гідролізу піддається близько 2 % розчиненої солі, а за другою — менше 0,01 %. Отже, як і для дисоціації, так і для гідролізу: якщо процес відбувається за декількома стадіями, то ефективніше відбувається процес за першою стадією.

Гідроліз солей, утворених сильними кислотами та слабкими основами

Сіль, утворена слабкою основою та сильною кислотою, піддається гідролізу за катіоном, а в її розчині кислотне середовище, pH < 7.

Солі, утворені сильними кислотами та слабкими основами, піддаються гідролізу за катіоном. Прикладом такої солі є амоній хлорид NH₄Cl:

NH₄Cl + H₂O ⇄ NH₄OH + HCl

Під час гідролізу утворюються сильна хлоридна кислота, яка повністю дисоціює, та слабка основа — гідрат амоніаку NH₄OH (або ΝΗ₃• Η₂Ο). Це зумовлює появу надлишкової кількості йонів Н⁺, що визначає кислотне середовище в розчині:

ΝΗ₄⁺ + Н₂О ⇄ NH₄OH + H⁺

Отже, солі, утворені слабкими основами, піддаються гідролізу за катіоном.

Якщо сіль містить багатозарядні катіони металічного елемента, то гідроліз може відбуватися за декількома стадіями, але в реальності зазвичай відбувається лише реакція за першою стадією:

CuCl₂ + Н₂О ⇄ СuОНСl + НСl

Cu²⁺ + Н₂О ⇄ СuОН⁺ + Н⁺

Гідроліз солей, утворених слабкими кислотами та слабкими основами

Сіль, утворена слабкою основою та слабкою кислотою, піддається гідролізу як за катіоном, так і за аніоном. Кислотність розчину визначається тим, який з утворених електролітів сильніший. Якщо сильнішою є кислота, то середовище кислотне, а якщо сильнішою є основа — лужне.

Солі, утворені слабкими кислотами та слабкими основами, піддаються гідролізу як за катіоном, так і за аніоном. У водному розчині такої солі в результаті гідролізу утворюються два слабкі електроліти. Наприклад, для амоній карбонату:

(NH₄)₂CO₃ + Н₂О ⇄ NH₄OH + (NH₄)HCO₃

NH₄ + CO₃^2- + Н₂О ⇄ NH₄OH + HCO₃^-

Для того щоб визначити кислотність середовища в такому розчині, необхідні додаткові відомості про силу утворених електролітів. Із довідкової літератури можна дізнатися, що гідрат амоніаку сильніший електроліт за гідрогенкарбонат-іон. Отже, він дисоціює ефективніше, що спричиняє надлишок гідроксид-іонів і зумовлює лужне середовище в розчині амоній карбонату. Однак, щоб дійти таких висновків, необхідні відомості про силу кислот і основ, які наведено в спеціальній літературі.

Цікавим прикладом солі, утвореною слабкими кислотою й основою, є амоній етаноат CH₃COONH₄. Під час його гідролізу утворюються також два слабкі електроліти, але їхня сила майже однакова:

CH₃COONH₄ + H₂O ⇄ CH₃COOH + NH₄OH

Тому в розчині амоній етаноату немає надлишку ані йонів Гідрогену, ані гідроксид-іонів. У розчині амоній ацетату середовище нейтральне. Цей факт може спонукати до висновку, що в такому випадку гідроліз не відбувається, але це не так. Гідроліз відбувається, йому піддається майже 3 % розчиненої солі, проте завдяки однаковій силі утворених електролітів концентрація йонів H⁺ та ОН^- однакова, що є ознакою нейтрального середовища.

Сіль, утворена сильною кислотою та сильною основою

Сіль, утворена сильною основою та сильною кислотою, гідролізу не піддається, а в ії розчині нейтральне середовище, pH = 7.

Для розчиненої у воді солі, що утворена сильною кислотою і сильною основою, наприклад натрій хлориду NaCl, можна було б записати рівняння гідролізу:

NaCl + Н₂О = NaOH + НСl

Але обидва продукти реакції є сильними електролітами й у вигляді молекул у розчині існувати не можуть. Отже, така реакція не відбувається.

У цьому також можна переконатися, якщо скласти рівняння гідролізу в йонній формі: усі йони в цьому рівнянні скоротяться.

Отже, солі, утворені сильною кислотою і сильною основою, гідролізу не піддаються, у їхніх розчинах середовище нейтральне.

Необоротний гідроліз

Солі, утворені леткою слабкою кислотою та нерозчинним у воді гідроксидом, піддаються необоротному гідролізу.

Усі розглянуті вище випадки гідролізу є прикладами оборотних процесів. Вони не можуть відбуватися до кінця, оскільки продукти реакції, накопичившись у значних кількостях, починають взаємодіяти один з одним з утворенням початкових речовин.

Інша ситуація із солями, утвореними леткими кислотами та нерозчинними гідроксидами: під час їх гідролізу утворюються речовини, що виводяться з розчину.

Так, під час гідролізу алюміній сульфіду утворюються нерозчинний алюміній гідроксид та леткий сірководень:

Al₂S₃ + 6Н₂О → 2Аl(ОН)₃↓ + 3H₂S↑

Ця реакція гідролізу є необоротною. Необоротний гідроліз характерний для солей, під час гідролізу яких обидва продукти реакції виводяться з розчину (у вигляді газуватої або нерозчинної речовини), внаслідок чого не можуть вступати у зворотну реакцію. Зазвичай ці солі в таблиці розчинності позначені як такі, що не існують у розчині або розкладаються водою (див. таблицю на с. 269).

Ключова ідея

Сила кислоти й основи зумовлює здатність солей до гідролізу і ступінь зміщення хімічної рівноваги гідролізу в бік продуктів реакції.

Запитання та завдання

70. Схарактеризуйте різні види гідролізу. Поясніть на конкретних прикладах, як визначити кислотність розчинів різних солей.

71. Амоній ацетат утворений слабкими кислотою та основою, але його розчин нейтральний. Чи відбувається гідроліз у розчині амоній ацетату?

72. З переліку речовин випишіть окремо формули солей, які: а) піддаються оборотному гідролізу; б) піддаються необоротному гідролізу; в) не піддаються гідролізу.

Na₂SO₄, K₂SO₃, Fe₂(SO₃)₃, CuSO₄, KBr, AlCl₃, NaNO₂, MnBr₂, Al₂S₃.

73. З переліку речовин випишіть ті, що піддаються гідролізу. Складіть для них рівняння реакцій гідролізу та визначте кислотність їхніх розчинів. Якщо для солі характерний ступінчастий гідроліз, то складіть рівняння гідролізу лише за першою стадією.

Na₂SO₄, K₂SO₃, CuSO₄, KBr, AlCl₃, NaNO₂, MnBr₂, K₃PO₄, BaCl₂, Cr(NO₃)₃, CH₃COONa, FeCl₂, NaHCO₃, K₂HPO₄.

Зміст