Гидролиз солей

Тема «Гидролиз солей» – одна из наиболее трудных для учащихся 9-го класса, изучающих неорганическую химию. И как думается, трудность ее не в действительной сложности самого изучаемого материала, а в том, как он излагается в учебниках. Так, у Ф.Г.Фельдмана и Г.Е.Рудзитиса из соответствующего параграфа очень мало, что можно понять. В учебниках же Л.С.Гузея и Н.С.Ахметова данная тема вообще исключена, хотя учебник Ахметова предназначен для учащихся 8–9-х классов с углубленным изучением химии.
Пользуясь учебниками указанных авторов, ученик вряд ли сможет хорошо понять теорию растворов, сущность электролитической диссоциации веществ в водной среде, соотнести реакции ионного обмена с реакциями гидролиза солей, образованных разными по силе кислотами и основаниями. Кроме того, в конце каждого учебника имеется таблица растворимости, но нигде и никак не поясняется, почему в отдельных ее клеточках стоят прочерки, а в текстах учебников ученики встречают формулы этих солей.
Мы попытаемся в краткой лекции для учителей (прежде всего для начинающих, им особенно трудно отвечать на возникающие у детей вопросы) восполнить данный пробел и по-своему осветить проблему составления уравнений реакций гидролиза и определения характера образующейся среды.

Гидролизом называется процесс разложения веществ водой (само слово «гидролиз» об этом говорит: греч. – вода и – разложение). Разные авторы, давая определение этому явлению, выделяют, что при этом образуется кислота или кислая соль, основание или основная соль (Н.Е.Кузьменко); при взаимодействии ионов соли с водой образуется слабый электролит (А.Э.Антошин); в результате взаимодействия ионов соли с водой смещается равновесие электролитической диссоциации воды (А.А.Макареня); составные части растворенного вещества соединяются с составными частями воды (Н.Л.Глинка) и т.д.
Каждый автор, давая определение гидролиза, отмечает наиболее важную, на его взгляд, сторону этого сложного, многогранного процесса. И каждый из них по-своему прав. Думается, дело учителя, какому определению отдать предпочтение – что ему ближе по его образу мышления.
Итак, гидролиз – это разложение веществ водой. Причиной его является электролитическая диссоциация соли и воды на ионы и взаимодействие между ними. Вода диссоциирует незначительно на ионы Н⁺ и ОН^– ( 1 молекула из 550 000), причем в процессе гидролиза один или оба этих иона могут связываться с ионами, образующимися при диссоциации соли, в малодиссоциирующее, летучее или нерастворимое в воде вещество.
Соли, образованные сильными основаниями (NаОН, КОH, Ва(ОH)₂) и сильными кислотами (Н₂SO₄,
HCl, НNO₃), гидролизу не подвергаются, т.к. образующие их катионы и анионы не способны в растворах связывать ионы Н⁺ и ОН^– (причина – высокая диссоциация).
Когда соль образована слабым основанием или слабой кислотой или оба «родителя» – слабые, соль в водном растворе подвергается гидролизу. При этом реакция среды зависит от относительной силы кислоты и основания. Другими словами, водные растворы таких солей могут быть нейтральными, кислыми или щелочными в зависимости от констант диссоциации образующихся новых веществ.
Так, при диссоциации ацетата аммония СН₃СООNН₄ реакция раствора будет слабощелочной, т.к. константа диссоциации NН₄ОН (k_дис = 6,3•10^–5) больше константы диссоциации СН₃СООН
(k_дис = 1,75•10^–5). У другой же соли уксусной кислоты – ацетата алюминия (СН₃СОО)₃Al – реакция раствора будет слабокислой, т.к. k_дис(СН₃СООН) = 1,75•10^–5 больше k_дис(Al(ОН)₃) = 1,2•10^–6.
Реакции гидролиза в одних случаях являются обратимыми, а в других – идут до конца. Количественно гидролиз характеризуется безразмерной величиной _г, называемой степенью гидролиза и показывающей, какая часть от общего количества молекул соли, находящихся в растворе, подвергается гидролизу:

_г = n/N•100%,

где n – число гидролизованных молекул, N – общее число молекул в данном растворе. Например, если _г = 0,1%, то это означает, что из 1000 молекул соли водой разложилась только одна:

n = _г•N/100 = 0,1•1000/100 = 1.

Степень гидролиза зависит от температуры, концентрации раствора и природы растворенного вещества. Так, если рассмотреть гидролиз cоли СН₃СООNа, то степень ее гидролиза для растворов различной концентрации будет следующая: для 1М раствора – 0,003%, для 0,1М – 0,01%, для
0,01М – 0,03%, для 0,001М – 0,1% (данные взяты из книги Г.Реми). Эти значения согласуются с принципом Ле Шателье.
Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию молекул, их распад на катионы и анионы и взаимодействие с ионами воды (Н⁺ и ОН^–) – слабого при комнатной температуре электролита.
Учитывая природу реагирующих веществ, для связывания ионов ОН^– к раствору соли можно добавить кислоту, а для связывания ионов Н⁺ – щелочь. Можно также добавить другие соли, гидролизующиеся по противоположному иону. В этом случае происходит взаимное усиление гидролиза обеих солей.
Ослабить гидролиз можно (если это необходимо) понижением температуры, увеличением концентрации раствора, введением в него одного из продуктов гидролиза: кислоты, если при гидролизе накапливаются ионы Н⁺, или щелочи, если накапливаются ионы ОН^–.
Все реакции нейтрализации протекают экзотермически, а гидролиза – эндотермически. Поэтому выход первых с повышением температуры уменьшается, а вторых – увеличивается.
Ионы Н⁺ и ОН^– не могут существовать в растворе в значительных концентрациях – они соединяются в молекулы воды, смещая равновесие вправо.
Разложение соли водой объясняется связыванием катионов и/или анионов диссоциированной соли в молекулы слабого электролита ионами воды (Н⁺ и/или ОН^–), всегда имеющимися в растворе. Образование слабого электролита, осадка, газа или полное разложение нового вещества равноценно удалению ионов соли из раствора, что в соответствии с принципом Ле Шателье (действие равно противодействию) смещает равновесие диссоциации соли вправо, а следовательно, приводит к разложению соли до конца. Отсюда и появляются прочерки в таблице растворимости против ряда соединений.
Если молекулы слабого электролита образуются за счет катионов соли, то говорят, что гидролиз идет по катиону и среда будет кислая, а если за счет анионов соли, то говорят, что гидролиз идет по аниону и среда будет щелочная. Иными словами, кто сильнее – кислота или основание, – тот и определяет среду.
Гидролизу подвергаются только растворимые соли слабых кислот и/или оснований. Дело в том, что если соль малорастворима, то концентрации ее ионов в растворе ничтожно малы и говорить о гидролизе такой соли не имеет смысла.

Составление уравнений реакций гидролиза солей

Гидролиз солей слабых многоосновных оснований и/или кислот происходит ступенчато. Число ступеней гидролиза равно наибольшему заряду одного из ионов соли.
Например:

Однако гидролиз по второй ступени и особенно по третьей идет очень слабо, поскольку
_г1 >>_г2 >> _г3. Поэтому при написании уравнений гидролиза обычно ограничиваются первой ступенью. Если гидролиз практически завершается на первой ступени, то при гидролизе солей слабых многоосновных оснований и сильных кислот образуются основные соли, а при гидролизе солей сильных оснований и слабых многоосновных кислот образуются кислые соли.
Количество молекул воды, участвующих в процессе гидролиза соли по схеме реакции, определяется произведением валентности катиона на число его атомов в формуле соли (правило автора).
Например:

Nа₂СО₃ 2Na⁺ 1•2 = 2 (H₂O),

Al₂(SО₄)₃ 2Al³⁺ 3•2 = 6 (H₂O),

Co(CH₃COO)₂ Со²⁺ 2•1 = 2 (H₂O).

Поэтому при составлении уравнения гидролиза пользуемся следующим алгоритмом (на примере гидролиза Al₂(SО₄)₃):

1. Определяем, из каких веществ образована соль:

2. Предполагаем, как мог бы пойти гидролиз:

Al₂(SО₄)₃ + 6Н–ОН = 2Аl³⁺ + 3 + 6H⁺ + 6OH^–.

3. Поскольку Al(ОН)₃ – слабое основание и его катион Al³⁺ связывают ионы ОН^– из воды, то процесс фактически идет так:

Al₂(SO₄)₃ + 6Н⁺ + 6OH^– = 2Аl(ОН)²⁺ + 3 + 6H⁺ + 2OH^–.

4. Сопоставляем количества оставшихся в растворе ионов Н⁺ и ОН^– и определяем реакцию среды:

6Н⁺ + 2ОН^– = 2Н₂О + 4Н⁺ кислая среда.

5. После гидролиза образовалась новая соль: (Al(ОН)₂)₂SО₄, или Аl₂(ОН)₄SO₄, – дигидроксосульфат алюминия (или тетрагидроксосульфат диалюминия) – основная соль. Частично может образоваться и AlОНSО₄ (гидроксосульфат алюминия), но в значительно меньшем количестве, и им можно пренебречь.

Другой пример:

1.

2. Na₂SiO₃ + 2Н₂О = 2Na⁺ + + 2Н⁺ + 2ОН^–.

3. Поскольку Н₂SiO₃ – слабая кислота и ее ион связывает ионы Н⁺ из воды, то фактически реакция идет так:

2Na⁺ + + 2Н⁺ + 2ОН^– = 2Na⁺ + Н + Н⁺ + 2ОН^–.

4. Н⁺ + 2ОН^– = Н₂О + ОН^– щелочная среда.

5. Na⁺ + Н = NаНSiO₃ – гидросиликат натрия – кислая соль.

Кислотность или щелочность среды легко определить по количеству оставшихся в растворе ионов Н⁺ или ОН^– при условии, что новые вещества образовались и существуют в растворе в эквивалентных отношениях и другие реактивы в ходе реакции не добавлялись. Среда может быть кислая или слабокислая (если ионов Н⁺ мало), щелочная (если ионов ОН^– много) или слабощелочная, а также нейтральная, если значения констант диссоциации слабой кислоты и слабого основания близки и все оставшиеся в растворе ионы Н⁺ и ОН^– после гидролиза снова соединились с образованием Н₂О.
Мы уже отмечали, что степень гидролиза соли тем больше, чем слабее кислота или основание, образовавшие эту соль. Поэтому необходимо для помощи учащимся привести ряды анионов и катионов, соответствующие уменьшению силы кислот и оснований их образующих (по А.В.Метельскому).

Чем правее в этих рядах расположен ион, тем с большей силой идет гидролиз образованной им соли, т.е. его основание или кислота cлабее, чем у стоящих слева от него. Особенно сильно идет гидролиз солей, образованных одновременно слабыми основанием и кислотой. Но даже для них степень гидролиза обычно не превышает 1%. Тем не менее в некоторых случаях гидролиз таких солей протекает особенно сильно и степень гидролиза достигает почти 100%. Такие соли в водных растворах не существуют, а хранятся только в сухом виде. В таблице растворимости против них стоит прочерк. Примерами таких солей могут служить ВаS, Аl₂S₃, Сr₂(SO₃)₃ и другие (см. таблицу растворимости в учебниках).
Подобные соли, имеющие высокую степень гидролиза, гидролизуются полностью и необратимо, т. к. продукты их гидролиза выводятся из раствора в виде малорастворимого, нерастворимого, газообразного (летучего), малодиссоциирующего вещества или разлагаются водой на другие вещества.
Например:

Соли, полностью разлагаемые водой, нельзя получить реакцией ионного обмена в водных растворах, т.к. вместо ионного обмена более активно протекает реакция гидролиза.

Например:

2АlCl₃ + 3Na₂S Аl₂S₃ + 6NaCl (так могло бы быть),

2АlCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O 2Al(OH)₃ + 3H₂S + 6NaCl (так есть фактически).

Соли, подобные Al₂S₃, получают в безводных средах спеканием компонентов в эквивалентных количествах или другими способами:

Многие галогениды, как правило, активно реагируют с водой, образуя гидрид одного элемента и гидроксид другого.
Например:

СlF + H–OH HClO + HF,

PСl₃ + 3H–OH P(OH)₃ + 3HCl
(по Л.Полингу).

Как правило, при такого рода реакциях, также называемых гидролизом, более электроотрицательный элемент соединяется с Н⁺, а менее электроотрицательный – с ОН^–. Легко заметить, что приведенные выше реакции протекают в соответствии с этим правилом.
Кислые соли слабых кислот также подвергаются гидролизу. Однако в этом случае наряду с гидролизом протекает диссоциация кислотного остатка. Так, в растворе NaHCО₃ одновременно протекают гидролиз H, приводящий к накоплению ОH^–-ионов:

Н + Н–ОН Н₂СО₃ + ОH^–,

и диссоциация, хотя и незначительная:

Н + H⁺.

Таким образом, реакция раствора кислой соли может быть как щелочной (если гидролиз аниона преобладает над его диссоциацией), так и кислой (в обратном случае). Это определяется соотношением константы гидролиза соли (К_гидр) и константы диссоциации (К_дис) соответствующей кислоты. В рассмотренном примере К_гидр аниона больше К_дис кислоты, поэтому раствор данной кислой соли имеет щелочную реакцию (что и используют страдающие изжогой от повышенной кислотности желудочного сока, хотя делают это зря). При обратном соотношении констант, например в случае гидролиза NaHSO₃, реакция раствора будет кислой.
Гидролиз основной соли, например гидроксохлорида меди(II), протекает так:

Сu(ОН)Сl + Н–ОН Сu(ОН)₂ + НСl,

или в ионном виде:

СuОН⁺ + Сl^– + H⁺ + ОH^– Сu(ОН)₂ + Cl^– + H⁺ среда кислая.

Гидролиз в широком смысле – это реакции обменного разложения между различными веществами и водой (Г.П.Хомченко). Такое определение охватывает гидролиз всех соединений – как неорганических (солей, гидридов, галогенидов, халькогенов и др.), так и органических (сложных эфиров, жиров, углеводов, белков и др.).
Например:

(C₆H₁₀O₅)n + nH–OH nC₆H₁₂O₆,

CaC₂ + 2H–OH Ca(OH)₂ + C₂H₂,

Cl₂ + H–OH HCl + HClO,

PI₃ + 3H–OH H₃PO₃ + 3HI.

В результате гидролиза минералов – алюмосиликатов – происходит разрушение горных пород. Гидролиз некоторых солей – Na₂CO₃, Na₃РО₄ – применяется для очистки воды и уменьшения ее жесткости.
Растущая быстрыми темпами гидролизная отрасль промышленности вырабатывает из отходов (древесные опилки, хлопковая шелуха, подсолнечная лузга, солома, кукурузные кочерыжки, отходы сахарной свеклы и др.) ряд ценных продуктов: этиловый спирт, кормовые дрожжи, глюкозу, «сухой лед», фурфурол, метанол, лигнин и многие другие вещества.
Гидролиз протекает в организме человека и животных при переваривании пищи (жиров, углеводов, белков) в водной среде под действием ферментов – биологических катализаторов. Он играет важную роль в ряде химических превращений веществ в природе (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) и промышленности. Поэтому нам думается, что вопросам изучения гидролиза в школьном курсе химии необходимо уделять значительно больше внимания.
Ниже приведен пример раздаточной карточки, предлагаемой учащимся для закрепления материала после изучения темы «Гидролиз солей» в 9-м классе.

Применение данного алгоритма способствует осознанному написанию учащимся уравнений гидролиза и при достаточной тренировке не вызывает никаких затруднений.

ЛИТЕРАТУРА

Антошин А.Э., Цапок П.И. Химия. М.: Химия, 1998;
Ахметов Н.С. Неорганическая химия. М.: Просвещение, 1990;
Глинка Н.Л. Общая химия. Л.: Химия, 1978;
Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. Химия. М.: Экзамен, 1998;
Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Попов В.А. Химия. М.: Дрофа, 1997;
Кузьменко Н.Е., Чуранов С.С. Общая и неорганическая химия. М.: Изд-во МГУ, 1977;
Метельский А.В. Химия. Минск: Белорусская энциклопедия, 1997;
Полинг Л., Полинг П. Химия. М.: Мир, 1998;
Пиментел Д.С. Химия. М.: Мир, 1967;
Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия-9. М.: Просвещение, 1997;
Холин Ю.В., Слета Л.А. Репетитор по химии. Харьков: Фолино, 1998;
Хомченко Г.П. Химия. М.: Высшая школа, 1998.

А.А.ТРУСКОВ, учитель химии
магистральнинской средней школы № 2,
(п. Магистральный, Казачинско-Ленинский р-н,
Иркутская обл.)