Гидролиз солей

Водные растворы солей часто могут быть кислыми или щелочными в зависимости о природы кислоты и основания. из которых образована соль. Кислотность или щелочность водных растворов солей обусловлена протеканием в них реакции гидролиза. Гидролиз соли - это реакция взаимодействия соли с водой, приводящая, в зависимости от природы соли, к образованию кислоты и основания. Таким образом, гидролиз – это процесс, обратный нейтрализации (реакции между кислотой и основанием с образованием воды, сопровождающейся выделением теплоты). Гидролиз солей, как правило, сопровождается изменением рН их водных растворов.

нейтрализация -->

ΔН > 0; кислота + основание <-----------> соль + вода; ΔН < 0.

<-- гидролиз

Так как большинство солей – сильные электролиты и находятся в водном растворе в виде ионов, то уравнения реакции гидролиза можно записать как реакцию между ионами, образующими соль, и молекулами воды.

Гидролиз – обратимый процесс, и поэтому только часть молекул соли, присутствующих в растворе, подвергается гидролизу. Показателем глубины протекания гидролиза является степень гидролиза ß, представляющая собой отношение концентрации гидролизованных молекул С_гидрк исходной концентрации молекул электролита С:

ß = С_гидр/С.

Степень гидролиза, как правило, невелика, причина этого заключается в том, что один из участников реакции – вода является очень слабым электролитом. Поэтому положение равновесия реакции гидролиза сильно смещено в сторону исходных веществ. Степень гидролиза увеличивается с разбавлением раствора и повышением температуры, поскольку гидролиз – процесс эндотермический.

Степень гидролиза соли зависит от того, насколько слабыми электролитами являются образующие соль основание и кислота. Кроме того, если в результате гидролиза образуются, например, летучие вещества, равновесие смещается вправо и гидролиз может пойти практически до конца.

Если рассматривать соли как продукты взаимодействия кислот с основаниями, то природа продуктов реакции и величина рН получающегося при растворении соли в воде раствора зависят от сочетания силы кислоты и основания, образующих соль, поэтому возможны четыре варианта гидролиза солей.

1. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием(NaCl, K₂SO₄, NaNO₃и др.). Такие соли не подвергаются гидролизу, так как не взаимодействуют с водой с образованием слабых электролитов, и их растворы нейтральны (рН7).

2. Соли, образованные слабой кислотой и сильным основанием(KCN, CH₃COONa, Na₂CO₃и др.). Гидролиз такой соли рассмотрим на примере цианида натрия. В системе, состоящей из NaCN и воды, происходят следующие процессы диссоциации:

NaCN  Na⁺ + CN^-,

H₂O  OH^- + H⁺ .

В этом случае происходит связывание ионов Н⁺с ионами CN^-в молекулы очень слабой синильной кислоты (HCN). В результате в растворе увеличивается концентрация ионов ОН^-, так как произведение [H⁺][OH^-] – величина постоянная. Поэтому раствор проявляет щелочные свойства (рН > 7). Уравнение гидролиза этой соли имеет вид

NaCN + H₂O  NaOH + HCN.

В ионной форме Na⁺+ CN^-+ H₂ONa⁺+ OH^-+ HCN.

В сокращенной ионной форме CN^-+ H₂OOH^-+ HCN.

Запишем выражение для константы равновесия реакции гидролиза:

K_c=

или в общем виде для реакции гидролиза аниона слабой кислоты HA

А^-+ H₂O  OH^- + HA,

K_c = .

Так как концентрация воды при гидролизе изменяется очень мало, то принимаем ее постоянной и, умножая на константу равновесия, получим константу гидролиза (К_г):

K_c[H₂O] = К_г = .

Умножая числитель и знаменатель на равновесную концентрацию ионов водорода, получаем

К_г= .

Как указывалось ранее [H⁺][OH^-] = К_Н2О, а отношениеявляется константой диссоциации К_дслабой кислоты НА. Таким образом, константа гидролиза равна отношению ионного произведения воды и константы диссоциации слабого электролита:

К_г= К_Н2О/К_д. (2.5)

Гидролиз солей многоосновных слабых кислот идет обычно в несколько стадий, и продуктами гидролиза являются кислые соли. Например, гидролиз карбоната калия идет в две стадии:

1) K₂CO₃ + H₂O  KHCO₃ + KOH,

В ионной форме 2K⁺+ CO₃^2-+ H₂OK⁺+ HCO₃^-+ K⁺+ OH^-.

В сокращенной ионной форме CO₃^2-+ H₂OHCO₃^-+ OH^-;

2) KHCO₃ + H₂O  H₂CO₃ + KOH.

В ионной форме K⁺+ HCO₃^-+ H₂OH₂CO₃+ K⁺+ OH^-,

В сокращенной ионной форме HCO₃^-+ H₂OH₂CO₃+ OH^-.

Степень гидролиза от первой стадии к последующей уменьшается.

В результате гидролиза солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием, их растворы обнаруживают щелочную реакцию (рH > 7).

3. Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием(ZnCl₂, Al₂(SO₄)₃, Cu(NO₃)₂). Гидролиз такой соли рассмотрим на примере хлорида аммония:

NH₄Cl  Cl^- + NH₄^+,

H₂O  H⁺ + OH^-.

В этом случае происходит связывание ионов ОН^-ионами NH₄⁺в молекулы слабого основания NH₄OH. В растворе преобладают ионы Н⁺и проявляются кислотные свойства (рН < 7).

Уравнение гидролиза NH₄Cl + H₂ONH₄OH + HCl.

В ионной форме NH₄⁺+ Cl^-+ H₂ONH₄OH + H⁺+ Cl^-.

В сокращенной ионной форме NH₄⁺+ H₂ONH₄OH + H⁺.

В выражение для константы гидролиза (2.5) в этом случае входит константа диссоциации слабого основания.

Гидролиз солей многовалентных металлов протекает по стадиям. На первой стадии образуется основная соль. Например, гидролиз ZnCl₂идет в две стадии:

1) ZnCl₂ + H₂O  Zn(OH)Cl + HCl

В ионной форме Zn²⁺+ 2Cl^-+ H₂OZn(OH⁺)+ H⁺+ 2Cl^-

В сокращенной форме Zn²⁺+ H₂O(ZnOH⁺)+ H⁺

2) Zn(OH)Cl + H₂O  Zn(OH)₂ + HCl

В ионной форме Zn(OH⁺) + Cl^-+ H₂OZn(OH)₂+ H⁺+ Cl^-

В сокращенной ионной форме Zn(OH⁺)+ H₂OZn(OH)₂+ H⁺.

Следовательно, растворы солей, образованных сильной кислотой и слабым основанием, имеют кислотную реакцию (рН < 7).

4. Соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием(NH₄CN, CH₃COONH₄). Такие соли подвергаются гидролизу наиболее полно:

NH₄CN  NH₄⁺ + CN^-,

H₂O  OH^- + H^+.

В этом случае образуются одновременно молекулы слабых электролитов NH₄OH и HCN и происходит связывание как ионов Н⁺, так и ионов ОН^-. Раствор будет проявлять слабокислотные или слабощелочные свойства в зависимости от того, кислота или основание имеет более высокое значение константы диссоциации.

Раствор NH₄CN имеет слабощелочную реакцию, так как константа диссоциации NH₄OH больше, чем у HCN ( табл. 3, прил. 2.16).

Уравнение гидролиза NH₄CN + H₂ONH₄OH + HCN.

В ионной форме NH₄⁺+ CN^-+ H₂ONH₄OH + HCN.

Совместный гидролиз солей. При совместном присутствии в растворе двух солей, одна из которых образована слабой кислотой, а другая – слабым основанием, идет взаимное усиление гидролиза каждой из них, ибо ионы Н⁺и ОН^-образуют молекулу слабого электролита Н₂О.

Например, нитрат алюминия Al(NO₃)₃ – соль, образованная слабым основанием, гидролизуется следующим образом:

Al³⁺+ Н₂ОAlOH²⁺+H⁺.

Карбонат натрия Na₂СO₃- соль, образованная слабой кислотой, гидролизуется следующим образом:

CO₃^2- + H₂O  HCO₃^- + OH^-.

При сливании растворов этих солей гидролитическое равновесие сдвигается вправо и гидролиз каждой из взятых солей идет до конца.

Молекулярное уравнение

2Al(NO₃)₃ + 3Na₂СO₃+ 3Н₂О = Al(OH)₃ + 3CO₂+ 6КNO₃.

Ионно-молекулярное уравнение

2Al³⁺+ 3CO₃^2-+ 3Н₂О =Al(OH)₃+ 3CO₂.

Процессы гидролиза имеют большое значение на практике. Так, при процессах гидратации и твердения портландцемента, широко используемого в строительстве, идет реакция гидролиза соли – двухкальциевого силиката Са₂SiO₄. Эта соль образована слабой ортокремниевой кислотойH₄SiO₄и основанием средней силы – гидроксидом кальцияCa(OH)₂. Гидролиз протекает по стадиям:

Са₂SiO₄ + 2H₂O  Са₃ (HSiO₄)₂ + Ca(OH)₂,

Са₃ (HSiO₄)₂+ 2H₂O  2СаH₂SiO₄ + Ca(OH)₂,

2СаH₂SiO₄+ 2H₂O  Са(H₃SiO₄)₂ + Ca(OH)₂,

Са(H₃SiO₄)₂+ 2H₂O  2H₄SiO₄ + Ca(OH)₂.

Процесс гидролиза практически заканчивается на первой – второй стадии. Образующийся в результате гидролиза гидроксид кальция создает щелочную среду в порах цемента и тем самым обеспечивает коррозионную устойчивость и целостность стальной арматуры в железобетоне.