Гидролиз солей

9 заданий

Какие ионы гидролизуются

После растворения соли её ионы могут взаимодействовать с водой, принимая от неё протон или передавая ей свой. Такой обмен протонами называют протолизом, а протолиз ионов соли в воде — гидролизом солей. От того, какой ион вступает в эту реакцию, зависит среда раствора.

Анион слабой кислоты выступает основанием: \(\ce{CH3COO- + H2O <=> CH3COOH + OH-}\). Он принимает протон от воды, поэтому раствор становится щелочным.
Катион слабого основания выступает кислотой: \(\ce{NH4+ + H2O <=> NH3 + H3O+}\). Он передаёт протон воде, поэтому раствор становится кислым.
Ионы сильных кислот и оснований (\(\ce{Na+}\), \(\ce{K+}\), \(\ce{Ba^2+}\), \(\ce{Cl-}\), \(\ce{NO3-}\), \(\ce{SO4^2-}\), \(\ce{ClO4-}\)) практически не гидролизуются. Поэтому раствор \(\ce{NaCl}\) нейтрален.

Катионы металлов также могут проявлять кислотные свойства. В воде катион окружён молекулами \(\ce{H2O}\); такую частицу называют аквакомплексом. Чем меньше катион и чем выше его заряд, тем сильнее он притягивает электроны кислорода. В результате связь \(\ce{O-H}\) ослабевает, и аквакомплекс может передать протон молекуле воды:

\[\ce{[Fe(H2O)6]^3+ + H2O <=> [Fe(OH)(H2O)5]^2+ + H3O+}\]

Кислотные свойства аквакатионов характеризуют величиной \(pK_a\): чем она меньше, тем легче аквакомплекс отдаёт протон. В таблице аквакатионы кратко обозначены формулами ионов металлов.

Аквакатион	\(pK_a\)	Аквакатион	\(pK_a\)
\(\ce{Fe^3+}\)	2,2	\(\ce{Zn^2+}\)	9,0
\(\ce{Cr^3+}\)	4,0	\(\ce{Ni^2+}\)	9,9
\(\ce{Al^3+}\)	5,0	\(\ce{Mg^2+}\)	11,4
\(\ce{Cu^2+}\)	7,5	\(\ce{Ca^2+}\)	12,7

auto_awesomeЖёлтая окраска растворов железа(III)

Сами ионы \([\ce{Fe(H2O)6}]^{3+}\) бледно-фиолетовые, как в кристаллах железоаммонийных квасцов. Жёлто-бурая окраска растворов хлорида железа(III) связана с продуктами гидролиза и хлоридными комплексами. Раствор нитрата железа(III), подкисленный азотной кислотой, почти бесцветен.

history_eduКвасцы как протрава

Алюмокалиевые квасцы \(\ce{KAl(SO4)2*12H2O}\) применяли для крашения тканей ещё в древности. При гидролизе на волокне оседает гидроксид алюминия, который прочно связывает краситель. Поэтому квасцы служили протравой — веществом, помогающим закрепить краситель. Те же квасцы и сульфат алюминия до сих пор применяют для очистки питьевой воды: хлопья гидроксида захватывают муть.

Расчёт pH растворов солей

Чтобы рассчитать pH раствора соли, нужно определить, какой её ион гидролизуется. Затем можно воспользоваться теми же соотношениями, что и для слабых кислот и оснований в уроке 63.

Для соли с анионом слабой кислоты \(\ce{A-}\) константа основности аниона равна \(K_b = K_w/K_a\), а при небольшой степени гидролиза \([\ce{OH-}] \approx \sqrt{K_bc}\). Для соли с катионом-кислотой в том же приближении \([\ce{H+}] \approx \sqrt{K_ac}\), где \(K_a\) — константа кислотности катиона (для \(\ce{NH4+}\) — \(K_w/K_b(\ce{NH3})\)). Здесь \(c\) обозначает исходную молярную концентрацию соли, а \(K_w\) — ионное произведение воды.

Степень гидролиза — это доля ионов, вступивших в реакцию с водой. При небольшой степени гидролиза аниона её рассчитывают по формуле \(h = \sqrt{K_b/c}\). Для 0,1 М ацетата натрия она составляет 0,008 %, а для 0,1 М соды — 4,5 %. В 0,1 М растворе \(\ce{Na3PO4}\) степень гидролиза достигает около 37 %: значительная часть фосфат-ионов превращается в гидрофосфат. Для такого раствора приближённая формула уже неприменима, поскольку заметная доля исходных ионов израсходована.

boltКак сравнить растворы солей

Чем слабее кислота, тем сильнее гидролизуется её анион. В ряду кислот значение \(pK_a\) возрастает: \(\ce{HF}\) 3,2 < \(\ce{CH3COOH}\) 4,8 < \(\ce{HClO}\) 7,5 < \(\ce{HCN}\) 9,2 < \(\ce{HCO3-}\) 10,3 < \(\ce{HPO4^2-}\) 12,4. Поэтому pH соответствующих 0,1 М растворов солей также возрастает: 8,1; 8,9; 10,3; 11,1; 11,7; 12,6.

scienceПримеры гидролиза в быту

\(\ce{Na2CO3 + H2O <=> NaHCO3 + NaOH}\) — при гидролизе стиральной соды образуется щёлочь, которая способствует омылению жиров; раньше для стирки применяли щёлок из золы (\(\ce{K2CO3}\)).
\(\ce{Na3PO4 + H2O <=> Na2HPO4 + NaOH}\) — при гидролизе тринатрийфосфата образуется щёлочь, поэтому его применяют как сильное моющее средство.
\(\ce{NaClO + H2O <=> HClO + NaOH}\) — раствор «Белизны» имеет щелочную среду, а образующаяся \(\ce{HClO}\) отбеливает ткани.

Как управлять гидролизом

Гидролиз обратим, поэтому состав раствора можно изменить, смещая равновесие. Согласно принципу Ле Шателье, при внешнем воздействии равновесие смещается в сторону, которая ослабляет это воздействие.

Добавление кислоты подавляет гидролиз катионов, поскольку при нём образуются ионы водорода. Поэтому растворы \(\ce{FeCl3}\) и \(\ce{SnCl2}\) готовят на разбавленной соляной кислоте: без подкисления они мутнеют.
Нагревание усиливает гидролиз, поскольку он эндотермичен: обратная реакция — нейтрализация — протекает с выделением теплоты. Например, если добавить раствор \(\ce{FeCl3}\) в кипящую воду, получится красно-бурый золь гидроксида железа.
Разбавление увеличивает степень гидролиза. При небольшой степени гидролиза это следует из соотношения \(h = \sqrt{K/c}\): с уменьшением концентрации \(c\) степень гидролиза растёт.

scienceПримеры гидролиза с заметными признаками

\(\ce{BiCl3 + H2O <=> BiOCl v + 2HCl}\) — при разбавлении раствора выпадает белый хлорид висмутила, который растворяется при добавлении соляной кислоты.
\(\ce{SbCl3 + H2O <=> SbOCl v + 2HCl}\) — при разбавлении раствора хлорида сурьмы выпадает осадок хлорида сурьмила.
\(\ce{SnCl2 + H2O <=> Sn(OH)Cl v + HCl}\) — при гидролизе выпадает осадок, поэтому раствор хлорида олова(II) хранят подкисленным и с кусочком олова.
\(\ce{FeCl3 + 3H2O ->[t] Fe(OH)3 (золь) + 3HCl}\) — при добавлении хлорида железа(III) в кипящую воду образуется коллоидный раствор гидроксида железа.

errorПочему некоторые безводные хлориды нельзя получить упариванием

При упаривании раствора \(\ce{AlCl3}\) выделяется хлороводород, поэтому гидролиз углубляется: вместо безводной соли остаётся гидроксид алюминия, который при нагревании превращается в оксид. Кристаллогидрат \(\ce{MgCl2*6H2O}\) при нагревании на воздухе превращается в \(\ce{Mg(OH)Cl}\) и \(\ce{MgO}\). Некоторые безводные хлориды получают сушкой в токе \(\ce{HCl}\), а другие — прямым синтезом из элементов.

push_pinГлавное

Гидролизу подвергаются ионы, способные принимать или отдавать протон: анион слабой кислоты выступает основанием (\(K_b = K_w/K_a\)), а катион слабого основания и аквакатион металла — кислотой. Чем меньше катион металла и чем выше его заряд, тем сильнее он поляризует воду: \([\ce{Fe(H2O)6}]^{3+}\) (\(pK_a = 2{,}2\)) проявляет более сильные кислотные свойства, чем уксусная кислота. Гидролиз обычно усиливают нагревание и разбавление; добавление кислоты подавляет гидролиз катионов, а добавление щёлочи — гидролиз анионов.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.