§ 31 Гидролиз ионных соединений

•Что такое кислота и основание с позиций теории Брёнстеда—Лоури?

•Как связаны константа кислотности и основности сопряжённых кислот и оснований?

В растворах солей среда может быть и кислотной, и нейтральной, и щелочной. Это зависит от кислотно-основных свойств катионов и анионов. Если анион сопряжён слабой кислоте, то он проявляет основные свойства, и среда в его растворе становится щелочной:

Если катион представляет собой кислоту (или сопряжён слабому основанию), то он проявляет кислотные свойства, и среда в его растворе становится кислотной:

В терминах теории Аррениуса реакцию солей с водой, в результате ко- торой среда становится кислотной или щелочной, называют ГИДРОЛИ- ЗОМ СОЛЕЙ.

«Гидролиз» означает «разложение под действием воды». Равновесие таких процессов сильно сдвинуто влево, но тем не менее кислотность среды изменяется. Поскольку равновесие сдвинуто влево, называть эти процессы гидролизом не вполне корректно. Использование этого термина в данном случае есть не более чем дань традиции.

А бывает ли реальный гидролиз солей, т. е. разложение солей под действием воды? Бывает. Это может произойти в двух случаях.

Первый случай: анион соли более сильное основание, чем OH–, или катион более сильная кислота, чем H3O+.

Лабораторный опыт 1. Гидролиз карбида кальция

В воду положите небольшой кусочек карбида кальция CaC2.

• Что наблюдается? Запишите уравнение реакции, если она попадает под

описание в предыдущем абзаце.

Карбид кальция можно рассматривать как соль ацетилена. Карбид кальция водой гидролизуется. Эта реакция протекает бурно, с выделением тепла — образуются ацетилен и гашёная известь:

150

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2

Второй случай: катион и анион представляют собой настолько сильные кислоту или основание, что между ними идёт кислотно-основная реакция. В таблице растворимости в клетках, соответствующих таким солям, обычно стоит знак «разлагается водой».

Лабораторный опыт 2

Смешайте в пробирке растворы хлорида железа и карбоната натрия.

•Что наблюдается?

Втерминах теории Брёнстеда—Лоури в этом опыте сильная кислота

(Fe3+ + H2O) вступает в кислотно-основную реакцию с сильным основанием (CO32–):

2(Fe3+ + H2O) + H2O + 3CO32- = 2Fe(OH)3 + 3CO2

В терминах теории Аррениуса формально можно считать, что образуется карбонат железа, который немедленно гидролизуется, но это только формально: никакого карбоната железа там на самом деле не образуется.

Гидролиз солей

1.Почему в теории Брёнстеда—Лоури термин «гидролиз солей» для ситуаций,

вкоторых раствор соли имеет среду, отличную от нейтральной, некорректен?

2.Рассчитайте рН 0,1М растворов Na2CO3, NaH2PO4, Na2HPO4.

3.Запишите уравнение реакции воды с амидом натрия NaNH2, если аммиак — более слабая кислота, чем вода.

4.Запишите уравнение реакции Al2S3 с водой.

5.Запишите уравнение реакции нитрата алюминия и карбоната натрия с во-

дой.

Ямогу объяснить, почему в растворах солей среда может быть кислотной

и щелочной.

Японимаю какие соли реагируют с водой практически нацело

151

всредах с определённым значением рН

•Запишите в ыражение для константы кислотности дигидрофосфата

H2PO4

Если в дистиллированную воду добавить небольшое количество кислоты или щёлочи, рН изменится сразу на несколько единиц. Всегда ли меняется среда раствора при добавлении кислоты или щёлочи? Проведём следующий опыт.

Лабораторный опыт 1. Фосфатный буферный раствор

В одну пробирку наберите на 1 см по высоте твёрдого гидрофосфата натрия или калия, в другую — столько же твёрдого дигидрофосфата натрия или калия. Пересыпьте их в стакан, долейте 20 мл воды и растворите.

• Какой рН вы ожидаете в этом растворе? Измерьте рН.

Добавьте в раствор 1—2 мл раствора соляной кислоты (концентрация 1 моль/л) и снова измерьте рН.

• Сильно ли изменилось значение рН?

Добавьте 1—2 мл раствора гидроксида натрия (концентрация 1 моль/л) и снова измерьте рН.

• Сильно ли изменилось значение рН?

Для сравнения возьмите 20 мл дистиллированной воды, измерьте её рН, добавьте 1—2 мл кислоты и снова измерьте.

• Сильно ли изменилось значение рН на этот раз?

Повторите этот опыт, взяв вместо кислоты щёлочь.

Из опыта видно, что в растворе смеси гидрофосфата и дигидрофосфата среда близка к нейтральной. И даже если добавлять в эту смесь кислоту или щёлочь, то значение рН меняется незначительно.

Раствор, незначительно изменяющий своё значение рН при добавлении

сильной кислоты или щёлочи называют рН-БУФЕРНЫМ РАСТВОРОМ

(или просто буферным раствором).

pH-буферные растворы представляют собой смесь слабых кислот и сопряжённых им оснований. Механизм их буферного действия достаточно

152

прост: они реагируют как с сильными кислотами, так и с сильными основаниями, превращая их в слабые. Например:

HPO42–+ H3О+ = H2O + H2PO–4

H2PO–4 + OH– = HPO42–+ H2O

Если концентрации кислоты и сопряжённого основания равны, то рН в таком растворе равен pKа кислоты (что следует из определения Kа, pKа и pH). Если концентрации сопряжённой кислоты и основания не равны, то

pH = pKa – lg([HA]/[A–])

Из этого, в частности, следует, что изменение соотношения концентраций кислоты и основания в 10 раз приводит к изменению рН на 1.

Если в буферный раствор добавить слишком много сильной кислоты, то она полностью нейтрализует основание, и рН резко упадёт. Аналогично если добавить слишком много основания, то оно нейтрализует кислоту, и рН резко вырастет. Концентрацию сильной кислоты или основания, которую можно создавать в буферном растворе без заметного изменения рН, называют буферной ёмкостью раствора.

Если в буферном растворе оказывается слабая кислота или основание в концентрации меньшей, чем буферная ёмкость, то она переходит в форму, соответствующую рН. Например, если в гидро-дигидрофосфатный буферный раствор (рН = 6,8) добавить немного уксусной кислоты (pKa = = 4,7 < 6,8), то она полностью перейдёт в ацетат-ион CH3COO–. Цианидион CN– перейдёт в таком растворе в циановодород HCN (pKa = 9,3 >

> 6,8).

Известные всем индикаторы — это тоже слабые кислоты, причём окраска кислотной и основной форм у них различается. Каждый из них имеет свой рН перехода окраски, соответствующий их pKa.

Лабораторный опыт 2. Метилоранж и борная кислота

В стаканчике с водой растворите немного борной кислоты H3BO3 и добавь-

те несколько капель индикатора метилоранжа.

•Какой цвет приобретает метилоранж? Соответствует ли это его окраске в кислоте, о которой написано во всех учебниках?

Сравните эту окраску с окраской в более сильной кислоте и в воде.

•При помощи рН-метра оцените рН перехода его окраски.

153

Рис. 30. Воды вулканических источников имеют рН не больше 2 за счёт наличия серной кислоты

Природные буферные системы исключительно важны для поддержания жизни. От рН зависит конфигурация белков, скорость и равновесие многих биохимических реакций, поэтому для большинства организмов строгое поддержание рН критически важно. Так, в нормальной крови рН = 7,4 ± 0,05 (поддерживается в основном углекислотно-гидрокарбонат-

ной буферной системой — смесью CO2 и HCO3–). Отклонение рН на 0,3 единицы представляет угрозу для жизни.

Как изменяется рН крови при интенсивных физических нагрузках в душном помещении? при интенсивном дыхании без нагрузок?

Отходы жизнедеятельности организмов, как правило, закисляют окружающую среду. Если бы кислоты не нейтрализовывались природными буферными системами, жизнь бы отравила сама себя. В наше время свою лепту в закисление окружающей среды вносит человек, выбрасывая в атмосферу оксиды SO2 и CO2. Выбросы SO2 приводят к кислотным дождям и закислению водоёмов. Глобальные выбросы CO2 приводят к закислению океанов. Хотя на первый взгляд это закисление незначительно (от 0,05 до 0,1 единицы за прошедшие сто лет), оно оказывается критичным для моллюсков и кораллов, которые строят свои тела из карбоната кальция. Даже такое небольшое закисление затрудняет этот процесс, смещая его равновесие влево:

Ca2+ + 2HCO–3 CaCO3 + H2O + CO2

Буферный раствор. Буферная ёмкость раствора

154