Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 12. Гідроліз солей

Інформаційна довідка

• Солі у водних розчинах чи розплавах дисоціюють на катіони металічних елементів й аніони кислотних залишків.

• Нейтралізація — це взаємодія основи з кислотою, продуктами якої є сіль і вода.

• Електроліти — речовини, водні розчини чи розплави яких проводять електричний струм. Сильні електроліти під час розчинення у воді повністю або майже повністю дисоціюють на йони.

• α — відношення кількості молекул, інших структурних одиниць речовини, що розпалися на йони, до їх загальної кількості.

• До сильних електролітів належить більшість розчинних солей, луги, нітратна, сульфатна, хлоридна кислоти та деякі інші речовини.

• У нейтральних розчинах водневий показник рН = 7.

• У розчинах з лужною реакцією середовища рН > 7.

• У розчинах з кислотною реакцією середовища рН < 7.

З раніше вивченого вам відомо, що вода — дуже слабкий електроліт і її утворення в реакціях йонного обміну свідчить про односторонній перебіг реакцій, тобто необоротність хімічних процесів, наприклад у реакціях нейтралізації: NaOH + НСl = NaCl + Н2О.

У зворотному напрямку реакція нейтралізації не відбувається, і вам це добре відомо з життєвого досвіду, адже натрій хлорид (кухонну сіль) ви безпечно вживаєте в їжу, знаючи, що ніякої кислоти, ніякого лугу в борщі чи супові не буде. Однак в окремих випадках вода вступає в реакцію йонного обміну з солями, і тоді рН середовища водних розчинів таких солей стає кислотним чи лужним.

У цьому легко переконатися на такому досліді: виготовити розчини трьох солей — алюміній хлориду, натрій хлориду, натрій карбонату — і випробувати їх індикатором метиловим оранжевим (мал. 22).

Мал. 22. Зміна кольору метилового оранжевого в розчинах солей: а — алюміній хлориду; б — натрій хлориду; в — натрій карбонату

На малюнку показано результат досліду. У розчині алюміній хлориду колір індикатора змінився на червоний, натрій карбонату — на жовтий, а в розчині натрій хлориду залишився без змін.

Чому середовище водних розчинів солей виявилося різним? Звідки в розчині алюміній хлориду з'явилися катіони Гідрогену, а в розчині натрій карбонату гідроксид-аніони, адже чутливий індикатор виявив їх безпомилково? Це пояснюється особливостями електролітичної дисоціації води та йонним складом солей.

ВОДА ЯК СЛАБКИЙ ЕЛЕКТРОЛІТ. Вода належить до дуже слабких електролітів. Експериментально встановлено, що в одному літрі води за кімнатної температури (22 °С) дисоціює лише 10-7 моль води:

Н2О ⇄ Н+ + ОН-.

У чистій воді, де немає домішок інших речовин, середовище нейтральне, тому що кількості катіонів й аніонів однакові:

[H+] ⇄ [OH-] = 10-7 моль/дм3, рН = 7.

Примітка: [HCl], [H+] — так позначають концентрацію речовин, йонів у розчинах.

Дисоціація води — процес оборотний, одночасно з яким відбувається асоціація (з'єднання) йонів з утворенням молекул води.

ПОНЯТТЯ ПРО ГІДРОЛІЗ СОЛЕЙ. Дослівно «гідроліз» перекладається як розкладання водою. З цим поняттям ви ознайомилися, вивчаючи органічну хімію.

Пригадайте гідроліз жирів, білків та продукти цих хімічних процесів.

Гідроліз солей — реакція обміну між сіллю і водою. Більшість реакцій гідролізу солей — оборотні.

Гідроліз буває двох видів: за катіоном та за аніоном. Щоб визначитись з типом гідролізу, потрібно піддати аналізу йонний склад солі. Зробимо це на прикладі солей з досліду, що зображений на малюнку 22.

1. Гідроліз солей за катіоном.

Будь-яку сіль можна розглядати як продукт взаємодії основи з кислотою. На підставі цього, сіль АlСl3 — продукт нейтралізації слабкого електроліту алюміній гідроксиду Al(ОН)3 сильним електролітом хлоридною кислотою НСl. У водному розчині в алюміній хлориду з'являється можливість обмінятись йонами з водою:

Цією можливістю «скористаються» лише катіони Алюмінію Al3+, бо алюміній гідроксид — слабкий електроліт, а йонам слабких електролітів властива асоціація (пригадайте умови перебігу реакцій йонного обміну до кінця):

Al3+ + ОН- ⇄ АlОН2+ (перший ступінь гідролізу).

Можливий також другий ступінь гідролізу цієї солі з утворенням катіона Аl(ОН)+2, але він відбувається незначною мірою.

Хлоридна кислота як сильний електроліт перебуватиме у дисоційованому стані й катіони Гідрогену зумовлять кислотне середовище, його pH буде меншим семи.

Для першого ступеня гідролізу алюміній хлориду складемо повне йонне та молекулярне рівняння реакції:

Зверніть увагу: у йонних рівняннях гідролізу солей воду записують у недисоційованому стані.

Гідроліз солей, утворених катіоном слабкої основи й аніоном сильної кислоти, відбувається за катіоном, середовище розчину такої солі кислотне.

2. Гідроліз солей за аніоном.

Сіль натрій карбонат утворена катіоном сильної основи натрій гідроксиду NaOH та аніоном слабкої карбонатної кислоти H2CO3. Будучи сильним електролітом, ця сіль повністю дисоціює у водному розчині на катіони Натрію і карбонат-аніони, і для неї у розчині є можливість обмінятись йонами з водою:

«Скористається» цією можливістю карбонат-аніон CO2-3 слабкого електроліту карбонатної кислоти — відбудеться його асоціація з катіоном Гідрогену, утвореного внаслідок дисоціації води:

Утворюється гідрогенкарбонат-аніон HCO-3. Асоціація катіонів Натрію Na+ з гідроксид-аніонами OH- не відбудеться, тому що сильний електроліт натрій гідроксид у водному розчині дисоціює повністю. Гідроксид-аніони ОН- перебуватимуть у розчині в дисоційованому стані і зумовлюватимуть його лужне середовище (pH > 7).

Складемо повне йонне та молекулярне рівняння реакції для першого ступеня гідролізу натрій карбонату:

Як бачимо, катіони Гідрогену, що утворюються внаслідок дисоціації води, приєднались до карбонат-аніону, а гідроксид-аніони залишились у дисоційованому стані. Вони й змінили колір метилового оранжевого з оранжевого на жовтий.

Гідроліз солей відбувається ступінчасто й найповніше — за першим ступенем: до катіона металічного елемента приєднується один гідроксид-аніон, а до аніона кислотного залишку приєднується один катіон Гідрогену.

Як ви зрозуміли з малюнка 22 на с. 64, не всі солі піддаються гідролізу. В описаному досліді сіллю, розчин якої має нейтральне середовище, є натрій хлорид NaCl. Чому не відбувся її гідроліз? Пошук відповіді розпочнемо з аналізу йонного складу солі.

Ця сіль утворена двома сильними електролітами — натрій гідроксидом NaOH і хлоридною кислотою HCl. Тому ні за катіоном, ні за аніоном асоціація з протилежно зарядженими йонами води не відбувається. Розчинення цієї солі у воді завершується переходом йонів Натрію і Хлору у розчин (пригадайте механізм електролітичної дисоціації).

Гідроліз солей впливає на рН ґрунтів. Поблизу місць залягання карбонатів середовище ґрунтового розчину лужне, а от гіпс CaSO4 · 2H2O підвищує кислотність ґрунту. Внесення деяких добрив також змінює рН ґрунтів. Наприклад, калій карбонат K2CO3 є одним із калійних добрив. Проте з внесенням добрива, окрім збагачення ґрунту цінним елементом живлення калієм, порушується кислотний баланс ґрунту. Як саме — відповідь ви отримаєте самостійно, виконавши перше завдання групової роботи.

Попрацюйте групами

Завдання 1. Складіть рівняння гідролізу калій карбонату. Яким буде середовище його розчину? Як внесення цього добрива вплине на кислотне середовище ґрунтового розчину? Як зміниться під впливом цього добрива лужне середовище ґрунтового розчину? Сформулюйте рекомендації, у які ґрунти краще вносити це добриво.

Завдання 2. Яка із солей — калій етаноат чи калій нітрат — піддається гідролізу? Відповідь доведіть записами рівнянь електролітичної дисоціації солей і води, йонного та молекулярного рівнянь гідролізу.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Лабораторний дослід 1. Визначення рН середовища водних розчинів солей за допомогою індикаторів

Вам знадобляться: пробірки, штативи для пробірок, індикаторний папір, фенолфталеїн, розчини твердого і рідкого мила, розчини солей цинк нітрату і калій хлориду.

Завдання 1. Визначення рН середовища водного розчину цинк нітрату.

Крок 1. Випробуйте індикатором водний розчин цинк нітрату і встановіть приблизне значення рН розчину.

Крок 2. Зробіть висновок щодо здатності цинк нітрату вступати в реакцію гідролізу, складіть відповідні рівняння реакцій.

Завдання 2. Визначення рН середовища водного розчину калій хлориду.

Крок 1. Випробуйте індикатором водний розчин калій хлориду.

Крок 2. Зробіть висновок щодо здатності калій хлориду вступати в реакцію гідролізу.

Завдання 3. Визначення рН середовища водного розчину твердого мила.

Крок 1. Випробуйте розчин мила індикаторним папірцем та фенолфталеїном, з'ясуйте середовище розчину.

Крок 2. Зробіть висновок щодо здатності натрій стеариноату (складової твердого мила) вступати в реакцію гідролізу, за яким типом відбувається гідроліз.

Крок 3. Складіть йонне рівняння гідролізу натрій стеариноату.

Крок 4. За допомогою індикаторного папірця встановіть приблизне значення рН виготовленого розчину.

Результати спостережень, рівняння, загальний висновок оформте в зошиті.

Сторінка ерудита

У параграфі розглянуто основні випадки гідролізу солей. Насправді їх значно більше. Один з прикладів — гідроліз алюміній сульфіду. Це сіль двох слабких електролітів алюміній гідроксиду і сульфідної кислоти. У такому випадку гідроліз буде відбуватись і за катіоном, і за аніоном. Тому не вдається реакцією йонного обміну між розчинами алюміній хлориду і натрій сульфіду добути алюміній сульфід. Продуктами цієї реакції є не алюміній сульфід, а алюміній гідроксид і гідроген сульфід. Зверніть увагу: у таблиці розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей напроти Al2S3 стоїть прочерк.

2АlСl3 + 3Na2S + 6Н2О = 2Аl(ОН)3↓ + 6NaCl + 3H2S↑

Реакція необоротна, тому можемо записати таке скорочене йонне рівняння:

2Аl3+ + 3S2- + 6Н2О = 2Аl(ОН)3↓ + 3H2S↑.

Гідроліз у більшості випадків — процес оборотний, його рівновагу зміщують вправо підвищенням температури і ступінь гідролізу зростає. Ось чому розчини солей, здатних вступати в реакцію гідролізу, виготовляють і зберігають за низької температури, використовуючи концентровані розчини реагентів.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Дайте визначення гідролізу солей.
  • 2. Наведіть приклади відомих вам сильних електролітів.
  • 3. Як відбувається гідроліз солі, внаслідок якого середовище розчину стає лужним? Наведіть приклади солей.
  • 4. Як відбувається гідроліз, унаслідок якого середовище розчину стає кислотним? Наведіть приклади солей.
  • 5. Які солі не зазнають гідролізу?

Застосовуємо

  • 1. Спрогнозуйте середовище розчинів солей: калій нітрату, кальцій хлориду, натрій сульфіту. Складіть рівняння гідролізу.
  • 2. Чи можна за допомогою фенолфталеїну розпізнати в розчині: а) натрій гідроксид і калій хлорид; б) натрій гідроксид і калій сульфід? Відповідь обґрунтуйте.
  • 3. Катіон амонію, утворення якого ви розглядали в попередній темі, входить до складу амоній хлориду. За яким типом відбуватиметься його гідроліз, якщо амоній гідроксид — слабкий електроліт? Складіть йонне та молекулярне рівняння гідролізу.