6.2. Гідроліз солей

Характерний приклад оборотних хімічних процесів — гідроліз солей.Щоб зрозуміти суть гідролізу солей, на досліді визначають їх відношення до води при наявності індикаторів. Оскільки зміна кольору — це ознака хімічної реакції, то можна зробити висновок, що з водою деякі солі не взаємодіють, наприклад хлорид натрію, а деякі взаємодіють, наприклад хлорид алюмінію і карбонат натрію. Чим це пояснюється?

Реакції обміну між деякими солями і водою називаються реакціями гідролізу солей (від грец. «гідро» вода, «лізис» — розклад).

Пригадаємо, що основні умови перебігу реакцій обміну до кінця — наявність таких йонів, які у водному розчині зв’язуються. Крім того, вам відомо, що вода хоч і мало, але дисоціює на йони. Розглянемо, як взаємодіють деякі солі з водою.

Важливо підкреслити, що звичайно процеси взаємодії солей з водою оборотні.

Означення. Досвід показує, що розчини середніх солей мають лужну, кислу або нейтральну реакцію, хоча вони і не містять ні гідроксид, ні гідроксильних йонів. 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 йони Na⁺ і СН₃СОО^- . Останні взаємодіють з Н⁺- і ОН^- -йонами води. При цьому йони Na⁺ не можуть зв’язати йони ОН^- в молекули, оскільки NaOH є сильним електролітом і наявний у розчині тільки у вигляді йонів. Тим часом ацетат-йони зв’язують йони Н⁺ з утворенням молекул слабкого електроліту — ацетатної кислоти, внаслідок чого нові молекули Н₂О дисоціюють на Н⁺- і ОН^- -йони. 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) йонна рівновага дисоціації води зміщується і створюється надлишок ОН^- -йонів, а тому розчин набуває лужної реакції.

Взаємодія йонів 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 СН₃СООNaутворений 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, aNaCl — 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 йонів ОН^-зв’язується йонами NH⁺₄ , а йони 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

NH₄+ + Н₂O ⇆ NH₃ +Н₂O + Н⁺.

3. Ще легше піддаються гідролізу солі, утворені слабкою кислотою і слабкою основою. Наприклад: CH₃COONH₄.

Йони цієї солі одночасно зв’язують йони 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 йони ОН^- , вона лужна, а якщо йони 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 йона НСО₃ .

4. Солі, утворені сильною основою і сильною кислотою, гідролізу не піддаються. Йони 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^- -йонів залишається такою самою, як і в чистої   води, а значить, розчин матиме нейтральну реакцію (pH = 7)¹.

Гідроліз солей завжди відбувається у тих випадках, коли їх йони, 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).

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 ⇆ НСО₃^- + ОН^-,

або

Na₂СО₃ + Н₂О  ⇆ NaHCO₃ + NaOH;

СО^2-₃ + Н₂О ⇆ НСО^-₃ + ОН^-;

б) рівняння гідролізу в йонній формі:

2Na⁺ + СО^2-₃ + Н₂О ⇆ Na⁺ + НСО^-₃ + Na⁺ + ОН^-;

в) рівняння гідролізу в молекулярній формі:

Na₂CO₃ + Н₂О ⇆ NaHCO₃ + NaOH.

Аналогічно під час гідролізу солей, утворених багатокислотними слабкими основами і сильними кислотами, утворюються основні солі (точніше, катйони 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. Йон Аl³⁺ (катйон слабкої основи) зв'язуватиме гідроксид-йони 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.

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.

Питання для самоконтролю:

1. Які види солей зазнають гідролізу і чому?

2. Напишіть рівняння гідролізу таких солей:нітрат цинку, сульфат калію, нітрат цинку.