Гидролиз солей (химия, химические реакции)

Диссоциацией воды на водородные и гидроксильные ионы объясняется очень важное явление — гидролиз солей.

Гидролизом вообще называется всякое взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединяются с составными частями воды.

Например, треххлористый фосфор РСl₃ реагирует с водой, образуя фосфористую кислоту Н₃РO₃ и соляную кислоту:

РСl₃ + 3НОН = Р(ОН)₃ + НСl

На практике особенно часто приходится иметь дело с гидролизом солей.

Что такое гидролиз солей

Как известно, соли могут быть получены путем нейтрализации кислот основаниями.

Отсюда естественно предположить, что растворы, по крайней мере нормальных солей, т. е. таких, которые являются продуктами полного замещения водорода в кислотах металлами, должны иметь нейтральную реакцию.

Однако это предположение оказывается справедливым только в отношении солей, образованных сильными кислотами и сильными основаниями.

Соли же, полученные из слабых кислот и сильных оснований или, наоборот, из сильных кислот и слабых оснований, не дают нейтральной реакции при растворении в воде.

Например

1. Раствор хлорного железа FeCl₃ дает кислую реакцию, указывающую, как мы знаем, на присутствие водородных ионов (ионов гидроксония)/
2. Раствор хлорноватистокислого натрия NaClO имеет щелочную реакцию, свойственную гидроксильным ионам.
3. Раствор цианистого калия KCN (соль слабой синильной кислоты HCN) тоже дает щелочную реакцию и т. д.

Ионная теория объясняет эти явления взаимодействием ионов воды с ионами растворенной соли, в результате которого образуется избыток водородных или гидроксильных ионов.

Хотя концентрация ионов водорода и гидроксила в воде очень мала, но эти ионы находятся в равновесии с огромным числом недиссоциированных молекул воды.

Связывание одного из них ионами соли, нарушая равновесие, вызывает диссоциацию новых молекул воды.

И может повести к накоплению в растворе значительных количеств другого иона, вследствие чего раствор приобретает кислую или щелочную реакцию.

Взаимодействие ионов соли с ионами воды, сопровождающееся обычно изменением концентрации последних, носит название гидролиза соли.

Основной причиной гидролиза является образование малодиссоциированных веществ (молекул или ионов).

Гидролиз может протекать различно, в зависимости от силы кислоты и основания, из которых образовалась соль.

Соль слабой кислоты и сильного основания

Соль слабой кислоты и сильного основания. Примером может служить уксуснокислый натрий NaCH₃COO.

При растворении в воде уксуснокислый натрий, как и все типичные соли, полностью диссоциирует на ионы Na^• и СН₃СОО’.

Теоретически эти ионы могли бы образовать с ионами воды эквивалентные количества едкого натра и уксусной кислоты.

Но так как едкий натр сильное основание, то ионы натрия совсем не соединяются с гидроксильными ионами воды.

Наоборот, уксусная кислота — очень слабая кислота, поэтому ионы СН₃СОO’, встречаясь в растворе с водородными ионами воды, сейчас же начинают связываться с ними, образуя молекулы СН₃СООН.

Уменьшение в растворе количества ионов водорода нарушает равновесие между молекулами воды и ее ионами.

Вызывая дальнейшую диссоциацию воды; образуются новые количества водородных ионов.

Которые, в свою очередь, соединяются с ионами СН₃СОО’ в молекулы СН₃СООН и т. д., в то же время увеличивается число гидроксильных ионов в растворе.

Однако реакция в этом направлении далеко не заходит.

Так как ионное произведение воды [Н^•] • [ОН’] = 10^-14величина постоянная, то по мере накопления гидроксильных ионов концентрация ионов водорода уменьшается и вскоре оказывается настолько малой, что дальнейшее их_связывание становится уже невозможным.

Тогда устанавливается новое равновесие как между молекулами воды и ее ионами, так и между молекулами СН₃СООН и ионами Н^• и СН₃СОО’..

И на этом процесс накопления гидроксильных ионов останавливается.

Таким образом, взаимодействии уксуснокислого натрия с водой происходит реакция:

СН₃СОО’ + Н₂O ⇄ СН₃СООН + ОН’

или в молекулярной форме:

NaCH₃COO + Н₂O ⇄ СН₃СООН + NaOH

Хотя равновесие этой реакции очень сильно сдвинуто влево, все же в результате ее, как показывает ионное уравнение, в растворе появляется некоторый избыток гидроксильных ионов и раствор NaCH₃COO дает щелочную реакцию.

В описанном случае гидролизу подвергалась соль слабой одноосновной кислоты.

При гидролизе солей, образованных слабыми многоосновными кислотами, обычно получаются не свободные кислоты, а кислые соли, или, точнее, анионы кислых солей.

Например, при растворении в воде соды Na₂CO₃ ионы СO₃«, как и ионы СН₃СОО’, связываются с водородными, ионами воды; однако при этом образуются не молекулы слабой угольной кислоты Н₂СО3, а ионы НСO₃‘.

Преимущественное образование ионов НСО₃‘ объясняется тем, что они диссоциируют гораздо труднее, чем молекулы Н₂СO₃.

Гидролиз протекает по уравнению:

СО₃» + Н₂O ⇄ НСО₃‘+ ОН’

или в молекулярной форме

Na₂CO₃ + Н₂O ⇄ NaHCO₃ + NaOH

В результате этой реакции, как и при гидролизе уксуснокислого натрия, в растворе появляется избыток гидроксильных ионов; поэтому раствор соды тоже имеет щелочную реакцию.

Соль сильной кислоты и слабого основания

Этот случай аналогичен предыдущему с той только разницей, что здесь катионы соли соединяются с гидроксильными ионами воды, а анионы остаются свободными.

Продуктом гидролиза обычно является основная соль или катионы основной соли.

Например, при растворении в воде хлорной меди СuСl₂ — соли, образованной слабым основанием Сu(ОН)₂ и сильной соляной кислотой, ионы Сu^••.

Соединяясь с гидроксильным и ионами, могут образовать или молекулы Сu(ОН)₂, или ионы СuОН^•.

Поскольку последние диссоциируют труднее молекул Сu(ОН)₂, то именно они при гидролизе СuСl₂ и образуются в первую очередь.

Происходящая реакция выражается уравнением:

СuСl₂ + Н₂O ⇄ CuOHCl + НСl

или в ионной форме

Сu^•• + Н₂O ⇄ СuОН^• + Н^•

Так как в результате этой реакции в растворе появляется избыток водородных ионов, то растворы солей, образованных сильными кислотами и слабыми основаниями, имеют кислую реакцию.

Соль слабой кислоты и слабого основания

В этом случае с водой реагирует и анион и катион соли.

Продуктами гидролиза являются слабая кислота и основная соль или катионы основной соли.

Например, при растворении в воде уксуснокислого алюминия Аl(СН₃СОО)₃ происходят следующие реакции:

CH₃COO’ + Н₂O ⇄ СН₃СООН + ОН’

Аl^••• + Н₂O ⇄ АlOH^•• + Н^•

АlOH^•• + Н₂O ⇄ Аl (ОН)₂^• + Н^•

Таким образом, в результате гидролиза Аl(СН₃СОО)₃ образуются молекулы СН₃СООН, ионы АlOH^•• и ионы Аl(ОН)₂^•, иначе говоря, уксусная кислота и основные соли АlOН(СН₃СОО)₂ и Аl(ОН)₂СН₃СОО.

Что касается реакции растворов подобного рода солей, то она зависит от относительной силы соответствующих кислот и оснований и может быть нейтральной, слабо кислой или слабо основной.

Если получающиеся кислота и основание являются очень слабыми и к тому же летучими или мало растворимыми.

То гидролиз может итти до конца, т. е. до полного разложения соли.

Это происходит, например, при взаимодействии с водой сернистого алюминия Al₂S₃:

Al₂S₃ + 6Н₂O ⇄ 2Аl(ОН)₃ + 3H₂S

Гидролиз солей сильной кислоты и сильного основания

Будет ли происходить гидролиз в том случае, когда соль образована сильной кислотой и сильным основанием.

В качестве примера возьмем хлористый натрий как типичную соль такого рода. Растворяясь в воде, эта соль диссоциирует на ионы натрия и хлора.

Ионы натрия, как уже указывалось выше, не будут соединяться с гидроксильными ионами воды.

Точно так же ионы хлора не будут соединяться с водородными ионами, потому что НСl полностью ионизируется.

Концентрации ионов водорода и гидроксила в растворе останутся такими же, как в чистой воде, и раствор NaCl будет нейтральным.

Таким образом, соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями, не подвергаются гидролизу. Во всех остальных случаях гидролиз происходит.

Из приведенных выше уравнений видно, что гидролиз представляет собой реакцию, обратную реакции нейтрализации.

Это значит, что при смешивании растворов, содержащих эквивалентные количества кислоты и щелочи, реакция доходит до конца только в том случае, если оба взаимодействующие вещества сильные электролиты.

Если же кислота или основание слабые, то после смешивания в растворе всегда остается некоторое количество неионизированных молекул кислоты или основания и раствор не имеет нейтральной реакции.

Степень гидролиза, т. е. отношение количества гидролизованной соли к общему количеству растворенной соли.

Для разных солей различна и зависит от химической природы образующихся при гидролизе кислоты и основания:

Чем слабее кислота или основание, тем больше степень гидролиза.

Например, следующие соли гидролизованы в 0,1 н. растворах:

Уксуснокислый натрий NaCH₃COO . . на 0,008%

Бура Na₂B₄O₇…………..на 0,5%

Цианистый калий KCN….. . . . . на 1,2%

Сода Na₂CO₃…………….на 2,9%

Объяснение гидролиза 

Степень гидролиза большинства солей, образованных сильными кислотами и слабыми основаниями, очень мала.

Поэтому получающиеся при их гидролизе основные соли, практически нерастворимые в воде, все же обычно остаются в растворе ввиду их ничтожной концентрации.

Как и всякая обратимая реакция, гидролиз подчиняется закону действия масс.

Поэтому прибавление воды к раствору соли или удаление из раствора одного из продуктов гидролиза вызывает смещение равновесия в сторону образования кислоты и основания.

В том же направлении действует и нагревание, так как при нагревании степень диссоциации воды, т. е. концентрация Н^• и ОН’-ионов, сильно увеличивается.

Наоборот, добавление к раствору кислоты или щелочи смещает равновесие в обратную сторону.

Например, при обычной температуре гидролиз хлорного железа FeCl₃ протекает по уравнению

Fe^•••+ Н₂O ⇄ FeOH^•• + H^•

При нагревании раствора происходит усиление гидролиза, выражающееся в том, что большее количество ионов Fe^••• вступает в реакцию с водой.

И в то же время наряду с ионами FeOH^•• образуются ионы Fe(OH)^•₂ или даже молекулы Fe(OH)₃ по уравнениям:

Fe^••• + 2Н₂O⇄ Fe(OH)^•₂ + 2Н^• Fe^••• + 3Н₂O⇄Fe(OH)₃ + 3Н^•

Прибавление кислоты вызывает растворение осадка или уменьшение содержания ионов Fe(OH)^•₂ в растворе.

Упражнение

Гидролиз солей происходит при взаимодействии ионов соли с водой, что приводит к образованию кислоты и основания:

Хлорид натрия (NaCl):

Уравнение:

NaCl + Н2О → Na⁺ + Cl^—

Тип гидролиза: нейтральный (не происходит гидролиза).

Среда: нейтральная (pH ≈ 7).

Сульфат меди (II) (CuSO₄):

Уравнение:

CuSO₄ + H₂O → Cu²⁺ + SO²₄^—

Тип гидролиза: слабый (Cu²⁺ гидролизуется).

Среда: слабокислая (pH < 7).

Нитрат аммония (NH₄NO₃):

Уравнение:

NH₄NO₃ + H₂O → NH₄⁺ + NO₃^—

Тип гидролиза: сильный (NH₄⁺ гидролизуется).

Среда: кислая (pH < 7).

Ацетат натрия (CH₃COONa):

Уравнение: CH₃COONa + H₂O → CH₃COO^— + Na⁺

Тип гидролиза: сильный (CH₃COO^— гидролизуется).

Среда: щелочная (pH > 7).