Гідроліз солей – НАЙВАЖЛИВІШІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ

Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

Розділ 6. НАЙВАЖЛИВІШІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

§ 6.5. Гідроліз солей

Означення. Досвід показує, що розчини середніх солей мають лужну, кислу або нейтральну реакцію, хоча вони і не містять ні водневих, ні гідроксильних іонів. Пояснення цьому факту слід шукати у взаємодії солей з водою. Розглянемо, наприклад, розчин ацетату натрію CH3COONa, що має лужну реакцію. Ацетат натрію як сильний електроліт під час розчинення у воді повністю дисоціює на іони

Na+ і СН3СОО. Останні взаємодіють з Н+- і ОН – – іонами води. При цьому іони Na+ не можуть зв’язати іони ОН – в молекули, оскільки NaOH є сильним електролітом і наявний у розчині тільки у вигляді іонів. Тим часом ацетат-іони зв’язують іони Н+ з утворенням молекул слабкого електроліту – ацетатної кислоти, внаслідок чого нові молекули Н2О дисоціюють на Н+- і ОН – – іони. Ці процеси відбуваються доти, доки не встановиться рівновага:

СН3СОО – + Н+ ⇆ СН3СООН;

Н2O ⇆ H+ + OH-.

Сумарне рівняння

процесів, що відбуваються одночасно, має вигляд:

СН3СОО – + Н2О ⇆ СН3СООН + ОН-.

Це рівняння показує, що внаслідок утворення слабкого електроліту (ацетатної кислоти) іонна рівновага дисоціації води зміщується і створюється надлишок ОН – – іонів, а тому розчин набуває лужної реакції.

Взаємодія іонів солі з водою, що приводить до утворення слабкого електроліту, називається гідролізом солі.

Як показано в прикладі, розчин став лужним внаслідок гідролізу солі CH3COONa.

Випадки гідролізу солей. Будь-яку сіль можна уявити як продукт взаємодії кислоти й основи. Так, ацетат натрію СН3СООNa утворений слабкою кислотою СН3СООН і сильною основою NaOH, хлорид амонію NH4Cl – слабкою основою NH4OH і сильною кислотою НСl, CH3COONH4 – слабкою кислотою СН3СООН і слабкою основою NH4OH, a NaCl – сильною основою NaOH і сильною кислотою НСl.

1. Усі солі, утворені слабкою кислотою і сильною основою, піддаються гідролізу. Вони надають розчину лужної реакції (pH > 7).

2. Солі, утворені сильною кислотою і слабкою основою, також піддаються гідролізу. Вони надають розчину кислої реакції, як це має місце в розчині хлориду амонію NH4Cl. В цьому разі утворюється слабкий електроліт NH4OH. У результаті частина іонів ОН – зв’язується іонами NH+4 , а іони Н+ залишаються в надлишку. Отже, внаслідок гідролізу NH4Cl розчин цієї солі набуває кислої реакції (pH > 7). Рівняння гідролізу можна записати так:

NH+4 + Н2О ⇆ NH4OH + Н+,

Або точніше

NH+ + Н2O ⇆ NH3 ⇆ Н2O + Н+.

3. Ще легше піддаються гідролізу солі, утворені слабкою кислотою і слабкою основою. Наприклад: CH3COONH4.

Іони цієї солі одночасно зв’язують іони Н+ і OН-, зміщуючи рівновагу дисоціації води:

СН3СОО – + NH+4 + Н2O ⇆ СН3СООН + NH4OH (NH3 – Н2О).

У цьому разі реакція розчину залежить від ступеня дисоціації продуктів гідролізу – кислоти й основи; якщо переважають іони ОН – , вона лужна, а якщо іони Н+ – кисла, якщо ж їх число однакове – нейтральна. Оскільки у прикладі, що розглядається, ступені дисоціації СН3СООН і NH4OH, які утворюються внаслідок гідролізу, приблизно однакові, то розчин солі буде нейтральним.

Однак реакція водного розчину карбонату амонію (NН4)2СО3 – також солі слабкої кислоти і слабкої основи – слабколужна:

NH+4 + СО2-3 + Н2O ⇆ NH4OH + НСО-3,

Оскільки ступінь дисоціації NH4OH більший, ніж ступінь дисоціації іона НСО3 .

4. Солі, утворені сильною основою і сильною кислотою, гідролізу не піддаються. Іони таких солей не можуть утворювати з водою слабких електролітів. У цьому випадку солі практично в реакції участі не беруть, і рівновага дисоціації води не порушується, концентрація Н+- і ОН – – іонів залишається такою самою, як і в чистої води, а значить, розчин матиме нейтральну реакцію (pH = 7)1.

1 Рівняння гідролізу краще записувати у скороченій іонній формі. Замість формули гідроксиду амонію NH4OH можна записувати формулу гідрату аміаку NH3 ∙ Н2O (див. § 10.3).

Гідроліз солей завжди відбувається у тих випадках, коли їх іони, що утворюються внаслідок електролітичної дисоціації, здатні утворювати з водою слабкі (малодисоційовані) електроліти.

Для більшості солей гідроліз – процес оборотний. Якщо продукти гідролізу виходять зі сфери реакції, гідроліз відбувається необоротно, наприклад:

Аl2О3 + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 ↓ + 3H2S ↑

(у рівняннях необоротного гідролізу ставиться знак рівності).

Гідроліз розглядається протолітичною теорією як реакція переходу протона від кислоти до основи, оскільки вода може відігравати роль і кислоти, і основи. Так, ацетат-іон, що є акцептором протона, реагує з водою як з кислотою:

СН3СОО – + Н2O ⇆ СН3СООН + ОН-.

Основа1 Кислота2 Кислота1 Основа2

Катіон амонію NH+4 , що є донором протона, реагує з водою як з основою:

NH+4 + Н2O ⇆ NH3 + Н3O+.

Кислота1 Основа2 Основа1 Кислота2

Складання рівнянь гідролізу солей. Гідроліз солей, утворених слабкими багатоосновними кислотами і сильними основами, відбувається ступінчасто (відповідно зворотному процесу – ступінчастій дисоціації), і при цьому утворюються кислі солі (точніше, аніони кислих солей). Так, гідроліз карбонату натрію Na2СО3 можна виразити рівняннями:

1) перший ступінь:

СО2-3 + Н2O ⇆ НСО-3 + ОН-,

Або

Na2СО3 + Н2О ⇆ NaHCO3 + NaOH;

2) другий ступінь:

НСО-3 + Н2О ⇆ Н2СО3 + OН-

Або

NaНСО3 + Н2O ⇆ Н2СО3 + NaOH.

Однак за нормальних умов гідроліз практично обмежується першим ступенем: іони СO2-3 зв’язують іони Н+ води, утворюючи спочатку іони НСО-3, а не молекули Н2СО3. Це пояснюється тим, що іони НСО-3 дисоціюють значно важче, ніж молекули Н2СО3. І лише при сильному розведенні й нагріванні слід враховувати гідроліз кислої солі, що утворилася. Для складання рівнянь гідролізу Na2CO3 виходимо з таких міркувань. Сіль утворена сильною основою і слабкою кислотою, тому іон СO3 (аніон слабкої кислоти) зв’язуватиме іони гідрогену води. Оскільки іон СО2-3 містить два заряди, то слід розглядати два ступені гідролізу і для кожного ступеня записувати три рівняння: а) у скороченій іонній формі; б) в іонній формі; в) у молекулярній формі. При цьому слід враховувати правила написання іонних рівнянь реакцій обміну (див. § 5.11).

Перший ступінь: а) рівняння гідролізу в скороченій іонній формі:

СО2-3 + Н2О ⇆ НСО-3 + ОН-;

Б) рівняння гідролізу в іонній формі:

2Na+ + СО2-3 + Н2О ⇆ Na+ + НСО-3 + Na+ + ОН-;

В) рівняння гідролізу в молекулярній формі:

Na2CO3 + Н2О ⇆ NaHCO3 + NaOH.

Отже, щоб перейти від рівняння в скороченій іонній формі до рівняння в іонній формі, потрібно до іонів першого рівняння (а) дописати іони протилежного знака (б). Об’єднуючи іони рівняння (б) в молекули, дістанемо рівняння гідролізу в молекулярній формі (в).

Другий ступінь:

А) НСО-3 + Н2O ⇆ Н2СО3 + ОН-;

Б) Na+ НСО-3 + Н2О ⇆ H2CO3 + Na+ + OH – ;

В) NaHCO3 + H2O ⇆ H2CO3 + NaOH.

Аналогічно під час гідролізу солей, утворених багатокислотними слабкими основами і сильними кислотами, утворюються основні солі (точніше, катіони основних солей). Гідроліз відбувається в основному за першим ступенем. Розглянемо як приклад сіль АlСl3. Під час складання рівнянь її гідролізу виходитимемо з того, що ця сіль утворена слабкою основою і сильною кислотою. Іон Аl3+ (катіон слабкої основи) зв’язуватиме гідроксид-іони води. Проте оскільки Аl3+ має три заряди, то гідроліз відбуватиметься за трьома ступенями. Рівняння складаємо так само, як і в попередньому прикладі.

Перший ступінь:

А) Аl3+ + Н2О ⇆ АlОН2+ + Н+.

Б) Аl3+ + 3Сl – + Н2O ⇆ AlОН2+ +2Сl – + Н++ Сl – ;

В) АlСl3 + Н2O ⇆ АlОНСl2 + НСl.

Другий ступінь:

А) АlОН2+ + Н2О ⇆ Аl(ОН)+2 + Н+;

Б) АlОН2+ + 2Сl – + Н2О ⇆ Аl(ОН)+2+ Сl – + Н++ Сl-;

В) АОНСl2 + Н2О ⇆ Аl(ОН)2Сl + НСl.

Третій ступінь – реакція практично не відбувається, через накопичення іонів гідрогену процес зміщується в бік утворення вихідних речовин. Однак розведення розчину і підвищення температури посилюють гідроліз. У цьому разі можна записати рівняння гідролізу і за третім ступенем.

Гідроліз взагалі. Гідроліз солей – один з важливих прикладiв гідролізу речовин, який добре вивчений.

Гідроліз взагалі в широкому розумінні – це реакція обмінного розкладу між різними речовинами і водою.

Таке визначення охоплює і гідроліз органічних сполук – естерів, жирів, вуглеводів, білків, – і гідроліз неорганічних речовин – солей, галогенів, галогенідів неметалів тощо. Наприклад:

СН3СООС2Н5 + Н2О ⇆ СН3СООН + С2Н5ОН;

СаС2 + 2Н2O ⇆ Са (ОН)2 + С2Н2;

Сl2 + Н2О ⇆ НСl + НСlO;

Рl3 + ЗН2О ⇆ Н3РО4 + 3Нl.

Внаслідок гідролізу мінералів – алюмосилікатів – відбувається руйнування гірських порід. Гідроліз солей (наприклад, Na2CO3, Nа3РO4) застосовується для очищення води і зменшення її твердості. У великих масштабах здійснюється гідроліз деревини. Гідролізна промисловість, що розвивається швидкими темпами, виробляє з нехарчової сировини (деревини, бавовникового та соняшникового лушпиння, соломи, кукурудзяних качанів) ряд цінних продуктів: етиловий спирт, білкові дріжджі, глюкозу, твердий оксид карбону(ІV), фурфурол, метиловий спирт, лігнін та багато інших. У живих організмах відбувається гідроліз полісахаридів, білків та інших органічних сполук.

1 При високій температурі гідролізу можуть піддаватися й солі цього типу: в прикладі відбувається звітрювання хлороводню:

NaCl + Н2О ⇆ NaOH + НСl↑

І pH розчину зростає.




Гідроліз солей – НАЙВАЖЛИВІШІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК