6.4. Обменные реакции между растворами электролитов.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Обменные реакции между растворами электролитов практически необратимы и идут до конца в тех случаях, когда продуктами реакции являются малорастворимые, малодиссоциирующие, газообразные или комплексные соединения. При записи уравнений обменных реакций в молекулярно-ионной форме нужно помнить о том, что малодиссоциированные, малорастворимые и газообразные вещества записывают в виде молекул, а сильные электролиты – в виде ионов, на которые они диссоциируют.

Гидролиз солей. Гидролизом солей называют реакции обмена между водой и растворенными в ней солями. В результате гидролиза в растворе появляется избыточное количество ионов водорода или гидроксид-ионов, из-за чего раствор приобретает кислую или основную реакцию.

Если соль образована слабой кислотой и сильным основанием, то в результате гидролиза в растворе образуются гидроксид-ионы и он приобретает щелочную реакцию (pH > 7), например:

K₂CO₃ + H₂O  KHCO₃ + KOH,

CO₃^2- + H₂O  HCO₃^- + OH^-.

Как видно, гидролизу подвергается анион соли. В процессе гидролиза образуется кислая соль, которая при определенных условиях может гидролизоваться дальше:

KHCO₃ + H₂O  H₂CO₃ + KOH,

HCO₃^- + H₂O H₂CO₃ + OH^-.

При гидролизе соли, образованной сильной кислотой и слабым основанием, гидролизу подвергается катион соли, при этом в растворе возрастает концентрация ионов водорода, и он приобретает кислую реакцию (pH < 7), например:

CuCl₂ + H₂O  CuOHCl + HCl,

Cu²⁺ + H₂O  CuOH⁺ + H⁺.

При взаимодействии с водой соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием, гидролизу подвергается как катион, так и анион соли; например, при гидролизе ацетата свинца

Pb(CH₃COO)₂ + H₂O  Pb(OH)CH₃COO + CH₃COOH

параллельно протекают два процесса:

Pb²⁺ + H₂O  PbOH⁺ + H⁺,

CH₃COO^- + H₂O  CH₃COOH + OH^-.

В этом случае реакция раствора зависит от относительной силы кислоты и основания, образующих соль. Если значение константы диссоциации кислоты близко к значению константы диссоциации основания, то реакция раствора будет близка к нейтральной; если К_кисл. > К_осн., то концентрация ионов водорода в растворе будет больше концентрации гидроксид-ионов и реакция раствора будет слабокислой; наконец, если К_осн. > К_кисл., то гидролизу подвергается преимущественно анион соли и реакция раствора будет слабощелочной.

Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются, так как в этом случае обратная гидролизу реакция нейтрализации практически необратима, т. е. протекает до конца:

KCl + H₂O  KOH + HCl

K⁺ + Cl^- + H₂O  K⁺ + OH^- + H⁺ + Cl^-, H₂O  H⁺ + OH^-.

Показателем глубины протекания гидролиза является степень гидролиза , представляющая собой отношение концентрации гидролизованных молекул C_гидр. к исходной концентрации растворенных молекул электролита:

 = С_гидр. / C. (35)

Как правило, степень гидролиза имеет небольшие значения. Например, в 0,1 н растворе хлорида аммония она составляет при 298 ⁰К лишь 10^-4. Объясняется это тем, что один из участников гидролиза, вода, является очень слабым электролитом. Поэтому положение равновесия реакции гидролиза сильно смещено в сторону исходных веществ. Константа гидролиза определяется из соотношения

, (36)

где – константа воды, K_Д – константа диссоциации слабого электролита, образующего соль.

Связь между константой и степенью гидролиза выражается соотношением

, (37)

из которого следует, что при разбавлении раствора гидролизующейся соли степень ее гидролиза возрастает. Возрастание степени гидролиза наблюдается и при увеличении температуры, так как при этом возрастает константа воды.

Пример 1. Напишите в молекулярной и ионно-молекулярной форме реакции взаимодействия между веществами: а) Na₂S и FeSO₄; б) Na₂SO₃ и HCl; в) CH₃COOK и H₂SO₄; г) HgI₂ и KI.

Решение. а) Запишем уравнение в молекулярной форме:

Na₂S + FeSO₄ = Na₂SO₄ + FeS.

Из всех участвующих в реакции веществ сульфид железа является малорастворимым соединением. Следовательно, в ионно-молекулярном уравнении его формула будет записана в виде молекулы, а формулы остальных электролитов – в виде ионов:

2Na⁺ + S^2- + Fe²⁺ + SO₄^2- = 2Na⁺ + SO₄^2- + FeS

или Fe²⁺ + S^2- = FeS.

б) Na₂SO₃ + 2HCl = 2NaCl + SO₂ + H₂O.

При записи ионно-молекулярного уравнения учитываем, что оксид серы (IV) является газообразным, а вода – малодиссоциированным соединением:

2Na⁺ + SO₃^2- + 2H⁺ + 2Cl^- = 2Na⁺ + 2Cl^- + SO₂ + H₂O

SO₃^2- + 2H⁺ = SO₂ + H₂O.

в) 2CH₃COOK + H₂SO₄ = 2CH₃COOH + K₂SO₄.

Уксусная кислота – малодиссоциирующее вещество, следовательно

2CH₃COO^- + 2K⁺ + 2H⁺ + SO₄^2- = 2CH₃COOH + 2K⁺ + SO₄^2-

CH₃COO^- + H⁺ = CH₃COOH.

г) HgI₂ + 2KI = K₂[HgI₄].

Запишем уравнение в ионно-молекулярной форме, учитывая то, что иодид ртути – малорастворимое соединение:

HgI₂ + 2K⁺ + 2I^- = 2K⁺ + [HgI₄]^2-

HgI₂ + 2I^- = [HgI₄]^2-.

Пример 2. Дано краткое ионно-молекулярное уравнение

CN^- + H⁺ = HCN.

Составьте по нему возможные молекулярные уравнения.

Решение. В левой части молекулярно-ионного уравнения указаны свободные ионы CN^- и H⁺. Эти ионы образуются при диссоциации каких-либо растворимых сильных электролитов. Так, цианид-ионы могут образовываться при диссоциации, например, KCN, NaCN, поставщиком ионов водорода могут быть любые сильные кислоты. Соответственно, молекулярные уравнения для данного ионно-молекулярного:

KCN + HNO₃ = KNO₃ + HCN,

NaCN + HCl = NaCl + HCN.

Пример 3. Вычислите степень гидролиза ацетата калия в 0,1 М растворе и pH раствора.

Решение. Уравнение реакции гидролиза:

CH₃COO^- + H₂O  CH₃COOH + OH^-.

Для вычисления степени гидролиза найдем прежде всего константу гидролиза. Для этого воспользуемся значением константы диссоциации уксусной кислоты, приведенным в табл. 5 (1,810^-5):

.

Теперь найдем степень гидролиза:

.

Для вычисления pH следует принять во внимание, что в результате гидролиза каждого аниона CH₃COO^- образуется один гидроксид-ион. Если исходная концентрация гидролизующихся ионов С_M моль/л, а степень гидролиза равна , то при гидролизе образовалось C_M моль/л ионов OH^-. Таким образом,

= C_M = 7,510^-50,1 = 7,510^-6 моль/л.

Следовательно, pOH = –lg = –lg(7,510^-6) = –(–5,12) = 5,12.

Отсюда = 14 – 5,12 = 8,88.

ЗАДАЧИ

403. Напишите в ионно-молекулярной форме уравнения реакций, приводящих к образованию малорастворимых осадков или газов:

а) нитрат свинца и иодид калия б) хлорид никеля и сероводородная кислота; в) карбонат калия и хлороводородная кислота; г) сульфат меди и гидроксид натрия; д) бромид алюминия и нитрат серебра.

Запишите выражение ПР для образующихся осадков.

403. Напишите в ионно-молекулярной форме уравнения реакций, приводящих к образованию малодиссоциированных соединений:

а) сульфид натрия и серная кислота; б) сульфид железа(II) и хлороводородная кислота; в) ацетат калия и азотная кислота; г) хлорид аммония и гидроксид кальция;

Запишите выражение К_д для малодиссоциированных соединений.

403. Составьте в молекулярной форме уравнения реакций, которые выражаются следующими ионно-молекулярными уравнениями:

NO₂^- + H⁺ = HNO₂;

Cu²⁺ + 2OH^- = Cu(OH)₂;

Pb²⁺ + 2I^- = PbI₂.

403. Какие из перечисленных ниже солей подвергаются гидролизу: NaCN, KNO₃, KOCl, NaNO₂, NH₄CH₃COO, CaCl₂, NaClO₄, KHCOO, KBr? Для каждой из гидролизующихся солей напишите уравнение гидролиза в ионно-молекулярной форме и укажите реакцию ее водного раствора.

404. Укажите, какие из перечисленных ниже солей подвергаются гидролизу: а) ZnBr₂, K₂S, Fe₂(SO₄)₃, MgSO₄; б) KNO₃, K₂CO₃, Na₃PO₄, CuCl₂. Для каждой из гидролизующихся солей напишите в молекулярной и ионно-молекулярной форме уравнения гидролиза по каждой ступени, укажите реакцию водного раствора соли.

405. Вычислите константу гидролиза хлорида аммония, определите степень гидролиза этой соли в 0,01 М растворе и pH раствора.

406. При 60 ⁰С ионное произведение воды = 10^-13. Считая, что константа диссоциации хлорноватистой кислоты не изменяется с температурой, определите pH 0,001 н раствора KOCl при 25 и при 60 ⁰С.

407. Почему раствор NaHCO₃ имеет слабощелочную, а раствор NaHSO₃ – слабокислую реакцию?

408. При сливании водных растворов Cr(NO₃)₃ и Na₂S образуется осадок гидроксида хрома (III) и выделяется газ. Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения происходящей реакции.

409. Индикатор метиловый оранжевый изменяет окраску от красной до желтой в интервале pH от 3,2 до 4,4. Какова будет окраска 0,1 М водного раствора ацетата аммония CH₃COONH₄, содержащего метиловый оранжевый индикатор: а) красная; б) оранжевая; в) желтая?

410. Напишите в молекулярной и молекулярно-ионной формах уравнения реакции взаимодействия следующих веществ:

а) нитрата серебра и хлорида железа (II); б) карбоната кальция и хлороводородной кислоты; в) гидроксида бария и азотной кислоты.

403. Запишите выражение ПР осадка, K_Д слабого электролита, для продуктов реакции взаимодействия следующих веществ а) сульфата стронция и хлорида бария; б) хлорида аммония и гидроксид кальция; в) уксусной кислоты и гидроксида бария.

404. Составьте по три молекулярных уравнения реакций к каждому из молекулярно-ионных уравнений:

а) Ca²⁺ + CO₃^2- = CaCO₃;

б) CO₃^2- + 2H⁺ = CO₂ + H₂O;

в) H⁺ + OH^- = H₂O.

403. Смешивают попарно растворы: а) Cu(NO₃)₂ и Na₂SO₄; б) BaCl₂ и K₂SO₄; в) KNO₃ и NaCl; г) AgNO₃ и KCl; д) Ca(OH)₂ и HCl. В каких из приведенных случаев реакции практически идут до конца? Составьте для этих уравнений молекулярные и молекулярно-ионные уравнения.

404. Можно ли приготовить раствор, содержащий одновременно следующие пары веществ: а) Zn(OH)₂ + KOH; б) Ba(OH)₂ + HCl; в) Fe(OH)₃ + NaOH. Представьте возможные реакции в молекулярном и молекулярно-ионном виде.

405. Составьте по два молекулярных уравнения к каждому из молекулярно-ионных уравнений:

а) Au(OH)₃ + OH^- = [Au(OH)₄]^-; б) Fe(OH)₂ + 2H⁺ = Fe²⁺ + 2H₂O;

в) Be(OH)₂ + 4H⁺ = [Be(H₂O)₄]²⁺.

403. Представьте в молекулярном и молекулярно-ионном виде реакции взаимодействия между: а) гидроксидом хрома (III) и серной кислотой; б) метахромистой кислотой и гидроксидом калия; в) метафосфорной кислотой и гидроксидом стронция.

404. При сливании растворов CrCl₃ и Na₂CO₃ образуется осадок Cr(OH)₃. Объясните причину и напишите соответствующие уравнения в молекулярном и молекулярно-ионном виде.

405. Подберите по два уравнения в молекулярном виде к каждому из молекулярно-ионных уравнений:

а) Al³⁺ + H₂O  (AlOH)²⁺ + H⁺; б) S^2- + H₂O  OH^- + HS^-;

в) CN^- + H₂O  OH^- + HCN.

403. Определите степень гидролиза и pH 0,005 н KCN, K_HCN = 4,910^-10.

404. Водородный показатель 0,003 н раствора гипохлорита калия равен 9,5. Вычислите степень гидролиза этой соли.

405. Какую реакцию должны иметь растворы следующих солей: NH₄CN, Al(NO₃)₃, K₂CO₃, ZnSO₄, Li₂S? Ответ подтвердите соответствующими молекулярными и молекулярно-ионными уравнениями.