Гидролиз солей

Тысячи лет люди стирали бельё щёлоком — настоем древесной золы — и не задумывались, почему раствор соли бывает едким, как щёлочь. В золе растений главная растворимая соль — карбонат калия, поташ, а его раствор мылкий на ощупь, разъедает кожу и окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет. Раствор квасцов, которыми дубили кожи и закрепляли краски на тканях, наоборот, кислый на вкус. Соли не содержат ни ионов водорода, ни гидроксид-ионов, но их растворы бывают кислыми и щелочными. Причина — гидролиз: взаимодействие ионов соли с водой, при котором образуется слабый электролит и меняется кислотность раствора.

Ниже — что такое гидролиз с точки зрения протонной теории, четыре типа солей и среда их растворов, ступенчатый гидролиз по катиону и аниону, кислотность аква-ионов металлов, совместный необратимый гидролиз и прочерки в таблице растворимости, факторы, усиливающие и подавляющие гидролиз, гидролиз бинарных соединений — карбидов, нитридов, галогенидов неметаллов, — гидролиз в технике и природе, а также задания ЕГЭ. Об ионном произведении воды и pH — в предыдущей статье серии.

• 1. Что такое гидролиз солей
• 2. Четыре типа солей
• 3. Гидролиз по аниону
• 4. Гидролиз по катиону
• 5. Совместный необратимый гидролиз
• 6. Константа и степень гидролиза; что усиливает гидролиз
• 7. Почему нельзя просто выпарить раствор
• 8. Гидролиз бинарных соединений
• 9. Гидролиз органических веществ
• 10. Гидролиз в технике и в природе
• 11. Гидролиз, который регулирует климат Земли
• 12. ЕГЭ
• 13. Для олимпиад
• 14. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое гидролиз солей

Гидролиз соли — обменное взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита. Если в воде растворить ацетат натрия, ацетат-ионы отнимают протоны у части молекул воды, образуя молекулы слабой уксусной кислоты, а освобождённые гидроксид-ионы делают раствор щелочным. Ионы натрия с водой практически не взаимодействуют: гидроксид натрия — сильное основание.

В растворе хлорида аммония, наоборот, ион аммония отдаёт протон молекуле воды, образуя слабое основание — аммиак, и в растворе накапливаются ионы гидроксония. Раствор кислый. Хлорид-ион с водой не взаимодействует: соляная кислота сильная, и её сопряжённое основание слишком слабо, чтобы отнимать протоны у воды.

С точки зрения протонной теории Брёнстеда — Лоури гидролиз — обычная кислотно-основная реакция: анион слабой кислоты — основание, катион слабого основания — кислота, а вода — партнёр, отдающий или принимающий протон. Чем слабее кислота, тем сильнее основание — её анион, и тем сильнее он гидролизуется. Ацетат-ион гидролизуется слабо, карбонат-ион — заметно, сульфид- и фосфат-ионы — сильно: сероводородная кислота по второй ступени и фосфорная по третьей — очень слабые кислоты.

Гидролиз обратим, и в большинстве случаев равновесие сильно сдвинуто влево: в 0,1 М растворе ацетата натрия гидролизуется лишь одна молекула из тринадцати тысяч, в 0,1 М растворе карбоната натрия — около 5 % карбонат-ионов. Но и такой малой доли достаточно, чтобы pH раствора отличался от нейтрального на несколько единиц.

2. Четыре типа солей

Любую соль можно представить как продукт нейтрализации кислоты основанием. Характер гидролиза определяется тем, сильные или слабые эти кислота и основание.

Правило запоминается так: среду раствора определяет «сильный» партнёр. Сильная кислота — кислая среда, сильное основание — щелочная, оба сильные — нейтральная. Если оба партнёра слабые, среда зависит от того, кто слабее: ацетат аммония даёт практически нейтральный раствор (константы кислотности иона аммония и основности ацетат-иона почти одинаковы), карбонат аммония — слабощелочной, а сульфид аммония — заметно щелочной и пахнет сероводородом и аммиаком одновременно.

3. Гидролиз по аниону

Анионы многоосновных слабых кислот гидролизуются ступенчато, но заметно идёт только первая ступень. Для карбоната натрия первая ступень даёт гидрокарбонат-ион и гидроксид-ион, вторая — угольную кислоту, но она практически не идёт: гидрокарбонат-ион — гораздо более слабое основание, чем карбонат-ион, а гидроксид-ионы, накопленные на первой ступени, подавляют вторую.

Так же в молекулярной форме записывают гидролиз сульфида и фосфата натрия: продуктами первой ступени являются кислая соль и щёлочь. Раствор сульфида натрия пахнет сероводородом: гидросульфид-ион частично гидролизуется дальше, и сероводород улетучивается. Раствор силиката натрия — «жидкое стекло» — сильнощелочной и на воздухе мутнеет: углекислый газ воздуха нейтрализует щёлочь, равновесие гидролиза смещается, и выпадает кремниевая кислота.

Кислые соли: кислые или щелочные?

Название «кислая соль» не означает, что раствор кислый. Гидроанион может и отдать протон (как кислота), и принять (гидролиз, как основание), и среда зависит от того, что сильнее. Гидрокарбонат-ион как кислота очень слаб ($K_2=4,7\cdot 10^{-11}$), а как основание сильнее ($K_b=K_w/K_1=2,2\cdot 10^{-8}$), и раствор питьевой соды слабощелочной, pH около 8,3. Дигидрофосфат-ион как кислота ($K_2=6,3\cdot 10^{-8}$) сильнее, чем как основание ($K_b=K_w/K_1=1,4\cdot 10^{-12}$), — раствор дигидрофосфата натрия кислый, pH около 4,7. Гидрофосфат-ион, наоборот, даёт слабощелочную среду (pH около 9,8). Гидросульфат-ион — кислота средней силы, и раствор гидросульфата натрия кислый, как разбавленная серная кислота.

4. Гидролиз по катиону

Катион металла в воде окружён молекулами воды, связанными с ним донорно-акцепторными связями. Маленький многозарядный катион оттягивает электронную плотность от атомов кислорода связанных с ним молекул, связи O–H в них ослабевают, и молекула воды в гидратной оболочке отдаёт протон соседней молекуле воды. Гидратированный ион металла ведёт себя как кислота [1].

Кислотность аква-иона растёт с зарядом и уменьшается с радиусом [2] [3]: ионы натрия и калия гидролизу практически не подвергаются, ионы кальция и магния — слабо, ионы цинка, меди, железа(II) — заметно, ионы алюминия, хрома(III) и особенно железа(III) — сильно. Раствор хлорида железа(III) по кислотности сравним с раствором фосфорной кислоты, поэтому им травят медь и разъедают металлические предметы. Гидролиз по катиону тоже ступенчатый; в молекулярной форме первая ступень даёт основную соль и кислоту:

pH раствора соли, гидролизующейся по катиону

Аква-ион — слабая кислота, и pH раствора его соли считают так же, как pH слабой кислоты. Для 0,1 М хлорида алюминия ($\mathrm{p}{K}_a=5,0$) $[\mathrm{H}{}^{+}]=\sqrt{10^{-5}\cdot 0,1}=10^{-3}$, pH = 3,0. Для 0,1 М хлорида железа(III) ($\mathrm{p}{K}_a=2,2$) формула с корнем даёт 1,6, а точное решение квадратного уравнения — 1,65. Растворы солей железа(III) кислее лимонного сока, и поэтому их хранят в стекле, а не в металлической посуде.

При разбавлении и нагревании гидролиз идёт дальше, и из растворов солей железа(III), алюминия, висмута, сурьмы выпадают основные соли и гидроксиды. Если долго хранить раствор хлорида железа(III), он мутнеет и на стенках склянки оседает бурый налёт. Раствор хлорида висмута при разбавлении водой мутнеет от белого осадка оксохлорида висмута. Чтобы предотвратить гидролиз, такие растворы готовят на разбавленной соляной кислоте: избыток ионов водорода смещает равновесие влево.

Красный золь и многоядерные комплексы

Если по каплям вливать раствор хлорида железа(III) в кипящую воду, жидкость окрашивается в прозрачный красно-коричневый цвет, но осадка нет. Гидролиз при кипячении идёт глубоко, и образуются частицы гидроксида железа размером в несколько нанометров, не оседающие и проходящие сквозь фильтр. Получился коллоидный раствор — золь. Частицы несут положительный заряд (на их поверхности адсорбированы ионы железа), отталкиваются друг от друга и потому не слипаются. Добавка нескольких капель раствора сульфата натрия нейтрализует заряд, и золь сразу коагулирует, выпадая бурыми хлопьями, — тот же процесс идёт в отстойниках водопроводных станций.

Гидролиз ионов алюминия и железа(III) при постепенном подщелачивании идёт через многоядерные гидроксокомплексы, в которых несколько атомов металла связаны мостиковыми группами OH. Самый известный — ион $[\mathrm{Al}{}_{13}\mathrm{O}{}_4(\mathrm{OH}){}_{24}(\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}){}_{12}]{}^{7+}$, «кеггиновский» алюминиевый кластер, который образуется в растворах при частичной нейтрализации. Полиоксихлорид алюминия, в котором алюминий уже находится в виде таких кластеров, — современный коагулянт для очистки воды: он действует эффективнее сульфата алюминия и меньше подкисляет воду.

5. Совместный необратимый гидролиз

Если смешать растворы двух солей, одна из которых гидролизуется по катиону, а другая по аниону, гидролиз каждой усиливает гидролиз другой. Катион даёт ионы водорода, анион — гидроксид-ионы; они соединяются в воду, равновесия обеих реакций смещаются вправо, и гидролиз идёт до конца. При сливании растворов хлорида алюминия и карбоната натрия выпадает гидроксид алюминия и выделяется углекислый газ — вместо ожидаемого «карбоната алюминия».

Так же ведут себя соли алюминия, хрома(III) и железа(III) с карбонатами, сульфидами и сульфитами: вместо соли образуются гидроксид и газ. Именно поэтому в таблице растворимости на пересечении этих катионов и анионов стоят прочерки — такие соли не существуют в водном растворе. Сульфид алюминия, полученный сплавлением алюминия с серой, при попадании в воду мгновенно разлагается с выделением сероводорода.

С ионами железа(III) и сульфид-ионами картина сложнее: железо(III) — окислитель, сульфид-ион — восстановитель, и вместо гидролиза идёт окислительно-восстановительная реакция с образованием сульфида железа(II) и серы. Ионы меди(II) с карбонатом дают не гидроксид, а основной карбонат — малахит: гидролиз здесь не доходит до конца. Такие случаи в ЕГЭ встречаются как ловушки, и их нужно помнить отдельно.

Совместный гидролиз нашёл и мирное применение. В 1904 году учитель из Баку Александр Георгиевич Лоран изобрёл пенный огнетушитель. В корпусе — раствор гидрокарбоната натрия с пенообразователем, а в отдельной колбе — раствор сульфата алюминия. При переворачивании растворы смешиваются, выделяется углекислый газ, который вспенивает раствор, а хлопья гидроксида алюминия делают пену устойчивой. Пена покрывает горящую жидкость и отрезает её от воздуха. Химические пенные огнетушители выпускались до конца XX века; сейчас их заменили воздушно-пенные, где пену создаёт сжатый газ.

6. Константа и степень гидролиза; что усиливает гидролиз

Гидролиз — равновесие, и к нему применим закон действующих масс. Константа гидролиза аниона слабой кислоты равна константе основности этого аниона: $K_h=K_w/K_a$; катиона слабого основания — $K_h=K_w/K_b$. Чем слабее кислота или основание, тем больше константа гидролиза. Степень гидролиза h — доля ионов соли, подвергшихся гидролизу, — при малых значениях равна $h\approx \sqrt{K_h/c}$: она растёт при разбавлении, как степень диссоциации по закону Оствальда.

Для 0,1 М ацетата натрия $K_h=10^{-14}/1,75\cdot 10^{-5}=5,7\cdot 10^{-10}$, $h=\sqrt{5,7\cdot 10^{-9}}=7,6\cdot 10^{-5}$, то есть 0,008 %. Для 0,1 М карбоната натрия $K_h=10^{-14}/4,7\cdot 10^{-11}=2,1\cdot 10^{-4}$, $h\approx 4,6\%$. Карбонат-ион гидролизуется в шестьсот раз сильнее ацетат-иона, потому что гидрокарбонат-ион — кислота в сотни тысяч раз более слабая, чем уксусная.

Гидролиз усиливают нагревание и разбавление. Гидролиз эндотермичен — это реакция, обратная нейтрализации, — и при нагревании равновесие смещается вправо. Раствор ацетата натрия с каплей фенолфталеина при комнатной температуре едва розовый, а при нагревании становится малиновым и снова бледнеет при охлаждении. Раствор хлорида железа(III) при кипячении темнеет и мутнеет: образуется коллоидный гидроксид железа. Подавляют гидролиз добавлением кислоты (для солей, гидролизующихся по катиону) или щёлочи (по аниону) и охлаждением. Поэтому растворы солей олова(II), висмута, железа(III) хранят подкисленными, а раствор сульфида натрия — с добавкой щёлочи.

7. Почему нельзя просто выпарить раствор

Чтобы получить соль из раствора, его обычно выпаривают. С солями, которые не гидролизуются, — хлоридом натрия, сульфатом калия, нитратом бария — это работает. Но если выпаривать раствор хлорида магния, алюминия или железа(III), гидролиз при нагревании усиливается, хлороводород как летучая кислота уходит с паром, и равновесие гидролиза всё сильнее смещается вправо. Вместо безводной соли получается основная соль или оксид. Кристаллогидрат хлорида алюминия при прокаливании превращается в оксид алюминия, выделяя хлороводород; кристаллогидрат хлорида магния — в гидроксохлорид, а при сильном нагреве — в оксид магния.

Это серьёзная технологическая задача. Металлический магний получают электролизом расплава безводного хлорида магния, а из морской воды и рассолов хлорид магния выделяется в виде гексагидрата. Обезвоживать его приходится в токе хлороводорода, который подавляет гидролиз, или превращая гидрат в соль с аммиаком и разлагая её. Безводный хлорид алюминия получают не из растворов, а хлорированием оксида алюминия в присутствии угля. Сульфаты гидролизуются при упаривании слабее: серная кислота нелетуча и не уходит из раствора, поэтому кристаллогидраты сульфатов алюминия, меди, железа получают обычной кристаллизацией.

Знание этого полезно и в ЕГЭ: в цепочках превращений «прокаливание кристаллогидрата хлорида» — не дегидратация, а гидролиз с образованием оксида или основной соли. Нитраты при прокаливании разлагаются по своим законам, а хлориды многозарядных металлов теряют хлороводород.

8. Гидролиз бинарных соединений

Водой разлагаются не только соли кислородсодержащих кислот, но и многие бинарные соединения — карбиды, нитриды, фосфиды, гидриды, галогениды неметаллов. Здесь гидролиз обычно идёт до конца: продукты — газ и малорастворимый гидроксид или кислота. Эти реакции — излюбленные звенья цепочек превращений в ЕГЭ, и их полезно помнить.

Правило определения продуктов простое: элемент, связанный с водородом в гидриде-продукте, — тот, что был отрицательно заряжен в бинарном соединении (углерод в карбиде, азот в нитриде, фосфор в фосфиде), а положительно заряженный элемент даёт гидроксид или кислородсодержащую кислоту в той же степени окисления. Карбид кальция содержит ион $\mathrm{C}{}_2{}^{2-}$ с тройной связью и даёт ацетилен, карбид алюминия содержит «изолированные» атомы углерода и даёт метан.

Реакцию карбида кальция с водой открыл Фридрих Вёлер в 1862 году [4]. Тридцать лет спустя канадский изобретатель Томас Уиллсон, пытаясь получить в электропечи металлический кальций, случайно получил карбид кальция в промышленных количествах, и ацетилен стал доступным. Ацетиленовые фонари освещали улицы, шахты и автомобили начала XX века, а ацетиленовые горелки для сварки и резки металла, дающие пламя около 3100 °C, работают до сих пор. Шахтёрские «карбидки» — лампы, в которых вода по каплям падает на карбид, — использовали спелеологи ещё в конце XX века.

Хлориды неметаллов — кремния, фосфора, титана(IV), серы — «дымят» во влажном воздухе: гидролиз парами воды даёт мельчайшие капли соляной кислоты и частицы оксидов. Тетрахлорид титана и тетрахлорид кремния использовали для создания дымовых завес. Безводный хлорид алюминия тоже дымит на воздухе, а при растворении в воде шипит и разогревается.

9. Гидролиз органических веществ

Слово «гидролиз» в органической химии означает расщепление вещества водой, и механизм здесь другой — разрыв ковалентной связи, а не перенос протона ионом соли. Но и здесь вода — реагент, а кислота или щёлочь — катализатор или участник. Сложные эфиры гидролизуются в кислой среде обратимо, а в щелочной — необратимо, потому что образующаяся кислота связывается щёлочью в соль. Щелочной гидролиз жиров — омыление — даёт глицерин и соли жирных кислот, то есть мыло: так его варили из жира и щёлока тысячи лет.

Гидролиз — основа пищеварения. Крахмал и гликоген гидролизуются амилазами до глюкозы, белки — протеазами до аминокислот, жиры — липазами до глицерина и жирных кислот. В промышленности кислотным гидролизом крахмала получают патоку и глюкозу, а гидролизом целлюлозы древесины — сахара для производства спирта и кормовых дрожжей. Галогеналканы при нагревании с водным раствором щёлочи гидролизуются до спиртов, нитрилы — до карбоновых кислот, амиды — до кислот и аммиака или аминов. Без гидролиза не существовало бы ни мыла, ни пищеварения, ни многих стадий органического синтеза.

В биохимии гидролиз — главный способ высвобождения энергии в клетке. Гидролиз концевой фосфатной связи аденозинтрифосфата (АТФ) до аденозиндифосфата и фосфата сопровождается уменьшением энергии Гиббса примерно на 30 кДж/моль в стандартных условиях и на 50 кДж/моль в условиях клетки. Эта энергия приводит в движение мышцы, перекачивает ионы через мембраны, обеспечивает синтез белков. Человек за сутки гидролизует и вновь синтезирует количество АТФ, сравнимое с массой собственного тела. Важно, что «энергия» здесь не заключена в одной связи: она выделяется потому, что продукты гидролиза — фосфат и АДФ — гораздо лучше гидратированы и стабилизированы резонансом, чем исходная молекула.

10. Гидролиз в технике и в природе

Очистка питьевой воды начинается с гидролиза. В воду добавляют сульфат алюминия или хлорид железа(III); их ионы гидролизуются, и в слабокислой или нейтральной воде образуются рыхлые хлопья гидроксидов с огромной поверхностью. Хлопья захватывают глинистую муть, бактерии, окрашенные органические вещества и оседают в отстойниках. Природная вода содержит гидрокарбонаты, которые связывают ионы водорода, выделяющиеся при гидролизе, — без них вода закисала бы, и хлопья не образовывались. Этот процесс — коагуляция — известен с древности: египтяне и китайцы осветляли воду квасцами задолго до того, как стала понятна химия.

Квасцы и соли хрома и железа веками служили протравами при крашении тканей. Ткань пропитывали раствором протравы, и гидролиз осаждал на волокнах гидроксид металла, который затем связывал краситель в прочный нерастворимый комплекс — «лак». Знаменитый турецкий красный цвет получали из корней марены с алюминиевой протравой. Тот же принцип используют при производстве пигментов: краситель осаждают вместе с гидроксидом алюминия.

Стиральная и пищевая сода работают благодаря гидролизу. Щелочная среда раствора карбоната натрия эмульгирует жиры и смывает загрязнения, а также смягчает воду, осаждая ионы кальция. Мыло — соль слабых жирных кислот — в воде гидролизуется, его раствор щелочной (pH 9–10), и это одна из причин, по которой оно моет. Раствор силиката натрия — «жидкое стекло» — щелочной из-за гидролиза; на воздухе он твердеет, связывая углекислый газ, и служит клеем, огнезащитной пропиткой и связующим в литейных формах.

Один из самых известных примеров использования гидролиза — бордоская жидкость. В 1882 году французский ботаник Пьер Мари Алексис Мийярде заметил, что виноградники возле дорог в Медоке не поражены милдью — грибковой болезнью, опустошавшей французские виноградники. Чтобы отпугнуть прохожих, любителей ягод, местные виноградари опрыскивали лозы у дорог ядовитой на вид голубой смесью медного купороса и извести. Мийярде догадался, что именно она защищает от грибка, и к 1885 году разработал рецепт. При смешении медного купороса с известковым молоком образуются малорастворимые основные сульфаты меди, которые медленно, за счёт гидролиза, отдают ионы меди, губительные для спор гриба. Бордоская жидкость — один из первых фунгицидов — применяется в садах и виноградниках до сих пор.

В почве гидролиз солей алюминия определяет кислотность: при выветривании минералов ионы алюминия переходят в почвенный раствор, гидролизуются и подкисляют его. В морской воде гидролиз карбонат-ионов вместе с другими равновесиями поддерживает pH около 8,1. Гидролиз силикатов горных пород углекислым газом и водой — химическое выветривание — на геологических временах удаляет углекислый газ из атмосферы и служит планетарным «термостатом», связывающим климат с химией камня.

11. Гидролиз, который регулирует климат Земли

Самая масштабная реакция гидролиза на планете идёт в горных породах. Полевые шпаты — алюмосиликаты калия, натрия, кальция, составляющие более половины земной коры, — под действием воды и растворённого углекислого газа медленно превращаются в глину — каолинит. Ионы металлов уходят в раствор в виде гидрокарбонатов, а углекислый газ, связанный в гидрокарбонат, реки уносят в океан, где он в конце концов осаждается в виде известняка.

Американские учёные Джеймс Уокер, Пол Хейс и Джеймс Кастинг в 1981 году показали, что выветривание работает как планетарный термостат [5]. Если климат теплеет и становится влажнее, гидролиз силикатов ускоряется по закону Аррениуса, больше углекислого газа связывается, и парниковый эффект ослабевает. Если климат холодает, выветривание замедляется, вулканический углекислый газ накапливается в атмосфере, и планета согревается. На масштабах сотен тысяч и миллионов лет этот механизм удерживал температуру Земли в пределах, пригодных для жизни, несмотря на то что Солнце за четыре миллиарда лет стало ярче почти на треть. На предложении ускорить этот процесс — рассыпать молотый базальт по полям — основан один из проектов связывания углекислого газа, который учёные сейчас испытывают.

12. ЕГЭ

Гидролиз солей — элемент 1.10 кодификатора [6]. В ЕГЭ его проверяют в задании 21 (расположение растворов солей одинаковой концентрации по pH) и в части 2: в цепочках превращений и в задании 32 нужно правильно записать продукты совместного гидролиза, гидролиза карбидов, нитридов, галогенидов. Для задания 21 достаточно определить, какой партнёр соли сильный, и учесть, что гидролиз по многозарядному иону сильнее, чем по однозарядному: раствор хлорида алюминия кислее раствора хлорида цинка, раствор карбоната натрия щелочнее раствора ацетата.

Разбор формулировок

«Расположите в порядке возрастания pH растворы одинаковой концентрации: 1) AlCl₃; 2) Na₂CO₃; 3) KNO₃; 4) CH₃COONa». AlCl₃ — кислая; KNO₃ — нейтральная; CH₃COONa — слабощелочная; Na₂CO₃ — щелочная. Ответ: 1342.

«Какие продукты образуются при сливании растворов FeCl₃ и Na₂CO₃?» Гидроксид железа(III), углекислый газ и хлорид натрия: 2FeCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O → 2Fe(OH)₃↓ + 3CO₂↑ + 6NaCl.

«Установите соответствие между солью и её отношением к гидролизу: а) K₂S; б) (NH₄)₂SO₄; в) BaCl₂; г) CH₃COONH₄». а) по аниону; б) по катиону; в) не гидролизуется; г) по катиону и аниону.

Ловушки

— Сульфаты, хлориды, нитраты щелочных и щёлочноземельных металлов не гидролизуются; сульфат натрия даёт нейтральную среду.

— Fe³⁺ и S²⁻ дают не Fe(OH)₃ и H₂S, а FeS и S — это окислительно-восстановительная реакция.

— Cu²⁺ и CO₃²⁻ дают основной карбонат меди, а не гидроксид.

— NaHCO₃ — слабощелочная среда, NaH₂PO₄ и NaHSO₄ — кислая.

13. Для олимпиад

pH раствора хлорида аммония

Найдём pH 0,1 М раствора хлорида аммония ($K_b(\mathrm{NH}{}_3)=1,8\cdot 10^{-5}$). Константа гидролиза $K_h=10^{-14}/1,8\cdot 10^{-5}=5,6\cdot 10^{-10}$; $[\mathrm{H}{}^{+}]=\sqrt{5,6\cdot 10^{-11}}=7,5\cdot 10^{-6}$; pH = 5,13.

Ацетат аммония

Почему раствор ацетата аммония нейтрален при любой концентрации? Для соли слабой кислоты и слабого основания $[\mathrm{H}{}^{+}]=\sqrt{K_w{K}_a/K_b}$, и концентрация соли в формулу не входит. Для ацетата аммония $K_a$ уксусной кислоты ($1,75\cdot 10^{-5}$) почти равна $K_b$ аммиака ($1,8\cdot 10^{-5}$), и pH = 7,0. Для цианида аммония $K_a=6,2\cdot 10^{-10}$, и $[\mathrm{H}{}^{+}]=\sqrt{10^{-14}\cdot 6,2\cdot 10^{-10}/1,8\cdot 10^{-5}}=5,9\cdot 10^{-10}$, pH = 9,2: синильная кислота гораздо слабее аммиака как основания, и раствор щелочной.

Сколько газа выделится

Смешали растворы, содержащие 0,2 моль хлорида алюминия и 0,4 моль карбоната натрия. Какой объём газа (н. у.) выделится? По уравнению совместного гидролиза на 2 моль AlCl₃ нужно 3 моль Na₂CO₃; карбоната в избытке (0,3 моль расходуется), выделится 0,3 моль CO₂ — 6,72 л. Избыток карбоната (0,1 моль) с выделившимся газом не реагирует, если газ уходит; при закрытом сосуде часть CO₂ превратила бы избыточный карбонат в гидрокарбонат.

14. Задания с разбором

Задание 1

Какие соли гидролизуются: NaCl, K₂CO₃, NH₄NO₃, Ba(NO₃)₂, ZnSO₄?

Задание 2

Запишите сокращённое ионное уравнение первой ступени гидролиза Na₂S. Какова среда?

Задание 3

Запишите первую ступень гидролиза ZnCl₂ в ионной и молекулярной формах.

Задание 4

Почему раствор NaHCO₃ слабощелочной, а NaH₂PO₄ — кислый?

Задание 5

Что образуется при сливании растворов AlCl₃ и K₂S?

Задание 6

Почему в таблице растворимости на месте Al₂(CO₃)₃ стоит прочерк?

Задание 7

Как усилить и как подавить гидролиз хлорида железа(III)?

Задание 8

Почему раствор ацетата натрия с фенолфталеином краснеет при нагревании?

Задание 9

Расположите в порядке возрастания pH 0,1 М растворы: Na₂CO₃, NH₄Cl, NaNO₃, FeCl₃.

Задание 10

Найдите pH 0,01 М раствора CH₃COONa (Kₐ = 1,75 · 10⁻⁵).

Задание 11

Какой газ выделяется при действии воды на карбид алюминия, на нитрид магния, на гидрид натрия?

Задание 12

Запишите гидролиз PCl₅ и SiCl₄.

Задание 13

Почему FeCl₃ с Na₂S не даёт Fe(OH)₃ и H₂S?

Задание 14

Как работал пенный огнетушитель Лорана?

Задание 15

Почему ацетат аммония даёт практически нейтральный раствор?

Задание 16

Почему ион Fe³⁺ гидролизуется сильнее Fe²⁺?

Задание 17

Найдите степень гидролиза 0,1 М Na₂CO₃ (K₂(H₂CO₃) = 4,7 · 10⁻¹¹).

Задание 18

Почему при щелочном гидролизе сложного эфира реакция идёт до конца, а при кислотном — нет?

Задание 19

Как с помощью гидролиза очищают воду от мути?

Задание 20

Сколько литров ацетилена (н. у.) даст 32 г карбида кальция?

Литература

1. Lincoln S. F., Richens D. T., Sykes A. G. Metal aqua ions // Comprehensive Coordination Chemistry II. Vol. 1. Amsterdam: Elsevier, 2003. P. 515–555. DOI: 10.1016/B0-08-043748-6/01055-0.
2. Baes C. F., Mesmer R. E. The Hydrolysis of Cations. New York: Wiley-Interscience, 1976. 489 p.
3. Brown P. L., Ekberg C. Hydrolysis of Metal Ions. Weinheim: Wiley-VCH, 2016. DOI: 10.1002/9783527656189.
4. Wöhler F. Bildung des Acetylens durch Kohlenstoffcalcium // Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1862. Bd. 124, № 1. S. 220. DOI: 10.1002/jlac.18621240107.
5. Walker J. C. G., Hays P. B., Kasting J. F. A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of Earth’s surface temperature // Journal of Geophysical Research: Oceans. 1981. Vol. 86, № C10. P. 9776–9782. DOI: 10.1029/JC086iC10p09776.
6. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы среднего общего образования и элементов содержания для проведения единого государственного экзамена по химии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.