Характерная окраска и области перехода ряда индикаторов

Индикатор	Область перехода рН	Окраска
		в более кислом растворе	в более щелочном растворе
Метиловый оранжевый	3,1 – 4,4	красная	желтая
Лакмус	5,0 – 8,0	красная	синяя
Фенолфталеин	8,2 – 10,0	бесцветная	малиновая

Окраска универсального индикатора (смеси индикаторов) изменяется от красной (рН  3,4) через оранжевую (рН 3,4  4,7); желтую (рН 4,7  6,2); зеленую (рН 6,2  7,2); голубую (рН 7,2  8,5) до фиолетовой (рН  8,5).

Индикаторами могут быть слабые органические кислоты НInd и основания IndOH, молекулы и ионы которых имеют разную окраску. При введении в исследуемый раствор, индикаторы диссоциируют по одному из следующих механизмов:

НInd  Н⁺ + Ind^; (2.7)

IndOH  Ind⁺ + OH^. (2.8)

Так как процесс диссоциации слабых электролитов обратим, положение равновесия в системах (2.7) и (2.8) зависит от кислотности исследуемого раствора. В кислых растворах индикаторы, представляющие собой слабые кислоты, в соответствии с принципом Ле Шателье находятся преимущественно в виде молекул и окраска раствора соответствует молекулярной форме индикатора НInd. Индикаторы, являющиеся слабыми основаниями, в растворах кислот, напротив, будут находится в своей ионной форме Ind⁺, которая обусловливает окраску раствора.

Для точного измерения рН используются специальные приборы –рН-метры, с помощью которых можно определить рН растворов в диапазоне

от 0 до 14 с точностью до 0,01 единицы рН.

2.5 Гидролиз солей

Измерение рН растворов солей показывает, что их растворы могут характеризоваться нейтральной, кислой или щелочной реакцией среды. Так, растворы Na₂CO₃ имеют щелочную реакцию среды (рН  7,0), а Al₂(SO₄)₃ – кислую (рН  7,0). Эти соединения в своем составе не содержат Н⁺- или ОН^- ионов, следовательно, кислотно-основные свойства растворов солей обусловлены свойствами образующихся при диссоциации катионов и анионов.

При растворении многих солей в воде происходит химическое взаимодействие ионов соли с Н⁺- или ОН^- ионами воды, в результате чего образуются слабые электролиты. В растворе в зависимости от природы исходной соли накапливаются либо ионы Н⁺, либо ОН^ и раствор соответственно приобретает кислую или щелочную реакцию среды.

Гидролиз солей – это обратимый процесс взаимодействия ионов соли с ионами воды, в результате которого образуется слабый электролит и изменяется рН среды.

Рассматривая соли как продукты взаимодействия кислоты с основанием, можно разделить их на четыре типа в зависимости от силы исходных кислот или основания: 1) соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой; 2) сильным основанием и слабой кислотой; 3) слабым основанием и сильной кислотой; 4) слабым основанием и слабой кислотой.

Задание 4. Укажите и подтвердите соответствующими реакциями, какие из предложенных солей Na₂SO₄, КNO₂, Li₂СO₃, NH₄Cl, FeCl₃, ZnSO₃ подвергаются гидролизу. Какую реакцию среды имеют эти растворы?

Решение.

1. Соль Na₂SO₄ образована сильным основанием NaOH и сильной кислотой H₂SO₄. Соли такого типа гидролизу не подвергаются, так как при взаимодействии с водой слабый электролит образовываться не может. Вследствие этого равновесие диссоциации воды не нарушается, поэтому в растворах таких солей среда остается нейтральной (рН = 7).

Подтвердим это написанием соответствующих реакций взаимодействия указанной соли с водой: а) в молекулярном виде; б) в ионно-молекулярном виде; в) в кратком ионно-молекулярном виде:

а) Na₂SO₄ + 2НОН  2NaОН + Н₂SO₄;

б) 2Na⁺ + SO₄^2 + 2НОН  2Na⁺ + 2ОН^ + 2Н⁺ + SO₄^2;

в) НОН  ОН^ + Н⁺.

В правой части уравнения на каждый ион Н⁺ приходится один ион ОН^, поэтому среда нейтральная рН = 7.

2. Соль КNO₂ образована сильным основанием КОН и слабой кислотой НNO₂. Гидролиз этого типа солей иначе называется гидролиз по аниону.

Запишем процесс взаимодействия соли с водой:

а) КNO₂ + НОН  КОН + НNO₂;

б) К⁺ + NO₂^ + НОН  К⁺ + ОН^ + НNO₂;

в) NO₂^ + НОН  ОН^ + НNO₂.

Согласно сокращенному ионно-молекулярному уравнению (в) соль КNO₂ подвергается гидролизу, так как в ходе реакции образуется слабый электролит НNO₂ (продукт гидролиза) и в избытке, то есть в несвязанном виде ионы ОН^, следовательно, реакция среды щелочная (рН  7).

Соль Li₂СO₃ образована сильным основанием LiОН и многозарядным анионом (СO₃^2) слабой кислоты Н₂СO₃. Гидролиз по аниону такой соли протекает ступенчато – в две ступени. По первой ступени вместо слабой кислоты образуется кислая соль, которая может гидролизоваться по второй ступени при добавлении воды и повышении температуры.

Первая ступень:

а) Li₂СO₃ + НОН  LiНСO₃ + LiОН;

кислая соль сильное основание

б) 2Li⁺ + СO₃^2 + НОН  Li⁺ + НСO₃^ + Li⁺ + ОН^;

в) СO₃^2 + НОН  НСO₃^ + ОН^.

продукт среда щелочная, рН

гидролиза

Вторая ступень:

а) LiНСO₃ + НОН  Н₂СO₃ + LiОН;

слабая кислота сильное основание

б) Li⁺ + НСO₃^ + НОН  Н₂СO₃^ + Li⁺ + ОН^;

в) НСO₃^ + НОН  Н₂СO₃^ + ОН^.

продукт среда щелочная, рН  7

гидролиза

Следует подчеркнуть, что вторая ступень гидролиза при обычных условиях практически не протекает, так как повышение концентрации в растворе гидроксид-ионов смещает равновесие влево.

3. Соль NH₄Cl образована слабым основанием NH₄OH и сильной кислотой HCl, гидролиз этого типа солей иначе называют гидролизом по катиону. NH₄Cl гидролизуется следующим образом:

а) NH₄Cl + HOН ↔ NH₄OH + HCl;

б) NH₄⁺ + Cl^- + HOН ↔ NH₄OH + H⁺ + Cl^- ;

в) NH₄⁺ + HOН ↔ NH₄OH + H⁺.

продукт среда кислая, рН  7

гидролиза

Таким образом, слабый электролит NH₄OH является продуктом гидролиза, который связывает ионы OH^ в соединение, а свободные ионы водорода создают кислую среду, поэтому рН среды  7.

Соль FeCl₃ образована сильной кислотой НСl и многозарядным (трехзарядным Fe³⁺) катионом слабого основания Fe(ОН)₃. Гидролиз по катиону данной соли протекает ступенчато (3 ступени), по первой ступени образуется основная соль.

Первая ступень:

а) FeCl₃ + НОН  FeОНCl₂ + НCl;

основная соль

б) Fe³⁺ + 3Cl^ + НОН  FeОН²⁺ + 2Cl^ + Н⁺ + Cl^;

в) Fe³⁺ + НОН  FeОН⁺ + Н⁺.

продукт среда кислая, рН  7

гидролиза

Вторая ступень:

а) FeОНCl₂ + НОН  Fe(ОН)₂Cl + НCl;

основная соль

б) FeОН²⁺ + 2Cl^ +НОН  Fe(ОН)₂⁺ + Cl^ + Н⁺ + Cl^;

в) FeОН²⁺ + НОН  Fe(ОН)₂⁺ + Н⁺.

продукт среда кислая, рН  7

гидролиза

Третья ступень:

а) Fe(ОН)₂Cl + НОН  Fe(ОН)₃ + НCl;

слабое основание

б) Fe(ОН)₂⁺ + Cl^ + НОН  Fe(ОН)₃ + Н⁺ + Cl^;

в) Fe(ОН)₂⁺ + НОН  Fe(ОН)₃ + Н⁺.

продукт среда кислая, рН  7

гидролиза

Гидролиз в основном идет по первой ступени. В растворе наблюдается избыток ионов водорода. Следовательно, растворы солей, образованные слабым основанием и сильной кислотой, имеют кислую реакцию среды (рН  7). Данный случай гидролиза также обратим.

4. Соль (NH₄)₂SO₃ образована слабым основанием NH₄ОН и слабой кислотой Н₂SO₃. Соли такого типа гидролизуются в одну ступень следующим образом:

а) (NH₄)₂SO₃ + 2НОН  2NH₄ОН + Н₂SO₃;

продукты гидролиза

б) 2NH₄⁺ + SO₃^2 + 2НОН  2NH₄ОН + Н₂SO₃.

Реакция идет до конца и гидролиз необратим. Реакция и рН среды растворов солей, образованных катионом слабого основания и анионом слабой кислоты, зависит от относительной силы образующихся слабых кислот и оснований и может быть либо нейтральной, либо незначительно смещенной в ту или иную сторону, т.е. слабокислой или слабощелочной.