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 + СО^2-₃ + 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+ Н₃ O⁺.

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:

СО^2-₃ + 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 СО^2-₃ 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:

СО^2-₃ + Н₂О ⇆ НСО^-₃ + ОН^-;

б) рівняння гідролізу в іонній формі:

2Na⁺ + СО^2-₃ + 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.