Гидролиз солей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Типы гидролиза солей

Гидролизом называют реакции взаимодействия веществ с водой, приводящие к образованию слабо диссоциирующих веществ: слабых кислот или оснований, кислых или основных солей. Результат гидролиза можно расценивать как нарушение равновесия диссоциации H₂O. Рассмотрим процессы при растворении солей в воде. Соли, как правило, - сильные электролиты, поэтому происходит их полная диссоциация на ионы, которые, в свою очередь, могут взаимодействовать с ионами Н⁺ или ОН^- воды.

Следовательно, гидролиз солей протекает за счет взаимодействия ионов соли с водой. Этот процесс - частный случай реакций ионного обмена, когда в качестве реагента выступает вода.

В зависимости от катионов и анионов соли можно разбить на ряд групп, различающихся между собой по характеру образующих эти соли кислот и оснований:

I. Соли слабой одноосновной кислоты и сильного однокислотного основания. Например, растворяется ацетат калия. Являясь сильным электролитом, он полностью диссоциирует на ионы, но вода также частично диссоциирует. Возможно возникновение следующего процесса:

гидролиз соль диссоциация



CH₃COOK K⁺ + CH₃COO^-

H₂O OH^- + H⁺

CH₃COOH

Так как уксусная кислота - слабый электролит, то при столкновении ее кислотных остатков с ионами Н⁺ воды, образуются недиссоциированные молекулы уксусной кислоты. Удаление из раствора части ионов Н⁺ вызывает сдвиг равновесия процесса диссоциации воды слева направо. Содержание ионов ОН^- в растворе нарастает. Раствор приобретает щелочную реакцию. В ионном виде процесс изображается уравнением:

СН₃СОО^- + Н₂О СН₃СООН + ОН^-

В момент достижения равновесия применение закона действия масс приводит к выражению:

,

[H₂O] в разбавленных растворах - величина постоянная, поэтому произведение К [H₂O] - тоже константа. Ее называют константой гидролиза К_гидр:

Константу гидролиза можно выразить через ионное произведение воды и константу диссоциации кислоты. Для этого умножим числитель и знаменатель на [H⁺] и запишем:



В результате гидролиза число образующихся молекул слабой кислоты равно числу оставшихся от молекул воды несвязанных ионов [ОН-]:

[СН₃СООН] = [ОН^-]

Концентрация ионов соли практически равна концентрации этой соли, так как сильные электролиты диссоциируют полностью:

[CH₃COO^-] =

где - концентрация соли в растворе.

Подставляем для К_гидр:

Откуда

[OH^-] = (K_гидр-)^1/2

Концентрация ионов гидроксила в растворе соли слабой одноосновной кислоты и сильного однокислотного основания равна квадратному корню из произведения константы гидролиза соли на ее концентрацию. Так как

, то [OH^-] = ()^1/2

В тех случаях, когда константа диссоциации кислоты очень мала, нельзя пренебрегать в расчете частью ее анионов, связавшейся в недиссоциированные молекулы. В этом случае расчет ведут по более точному выражению

,

Откуда

[OH^-] = .

II. Соли сильной одноосновной кислоты и слабого однокислотного основания. Примером такой соли является хлорид аммония. Он сильный электролит и диссоциирует полностью

NH₄Cl > NH₄⁺ + Cl^-

Вода также частично диссоциирует:

H₂O H⁺ + OH^-

Столкновение ионов NH₄⁺ с ионами ОН^- приводит к образованию соединения NH₄ОH, легко превращающееся в аммиак и воду. Общую схему процесса можно представить уравнением:

NH₄Cl > NH₄⁺ + Cl^-

H₂O OH^- + H⁺

NH₄OH NH₃ + H₂O



или в ионной форме

NH₄⁺ + H₂O [NH₄OH] + H⁺

Связывание ионов ОН^- из раствора вызывает сдвиг диссоциации воды слева направо. Концентрация ионов Н⁺ в растворе растет. Таким образом, гидролиз солей слабых однокислотных оснований и сильных одноосновных кислот создает кислую среду.

Рассуждая аналогично I случаю, получим:

.

Подставим вместо [NH₄ОH] равную ей концентрацию ионов [Н⁺], а вместо [NH₄⁺] приближенно равную ей концентрацию соли С_соль.

Получим:

Если образующееся при гидролизе основание очень слабое, то расчет ведут по более точной формуле

.

III. Соли слабой одноосновной кислоты и слабого однокислотного основания. При растворении ацетата аммония в воде наступает его практически полная диссоциация:

CH₃COONH₄ > NH₄⁺ + CH₃COO^-

Столкновение ионов NH₄⁺ и СН₃СОО^- с молекулами воды приводит к образованию слабо диссоциирующих молекул соответственно слабого основания NH₄ОH и слабой кислоты СН₃СООН по схеме:

CH₃COOH > NH₄⁺ + CH₃COO^-

H₂O OH^- + H⁺

NH₄OH + CH₃COOH

Так как образующиеся вещества - слабые электролиты, то в результате соли слабых кислот и слабых оснований подвергаются почти полному гидролизу, а реакция среды в растворах определяется соотношением силы кислоты и основания. В ионной форме уравнение гидролиза соли может быть представлено уравнением:

CH₃COO^- + NH₄⁺ + H₂O NH₄OH + CH₃COOH

Применим к нему закон действия масс для момента равновесия

Это выражение можно упростить. Умножим числитель и знаменатель на ионное произведение воды

.



Константы диссоциации основания и кислоты выражаются соответственно:

;

откуда следуют выражения для [NH₄⁺] и [СНзСОО^-]

,

.

Чтобы получить формулу для расчета [Н⁺], проведем ряд последовательных преобразований. Из уравнения:

[NH₄⁺] = [CH₃COO^-]; [CH₃COOH] = [NH₄OH]

Вместо [NH₄ОH] подставим равную ей [СН₃СООН], получим

Затем в константу диссоциации кислоты

введем вместо [СН₃СОО-] равную ей [NН₄⁺], получим:

Умножаем числитель и знаменатель соотношения на [Н+] и после сокращения [СН₃СООН] и преобразований получим:

[H⁺] =

Из формулы видно, что концентрация ионов водорода в растворе соли слабой кислоты и слабого основания не зависит от концентрации раствора соли, а только от соотношения констант диссоциации кислоты и основания.

IV. Соль сильного основания и сильной кислоты. Такая соль в растворе диссоциирует полностью, например хлорид калия

KCl > K⁺ + Cl^-

В отличие от рассмотренных выше случаев ионы соли - сильного электролита - не могут образовать с водой слабых электролитов, а раз нет взаимодействия с водой, то, следовательно, соли сильных кислот и сильных оснований гидролизу не подвергаются. Среда в растворе остается нейтральной.

2. Факторы, влияющие на процесс гидролиза

Соль слабого многокислотного основания и сильной одноосновной кислоты. Например раствор FeCI₃ содержит только ионы, так как эта соль в растворе диссоциирует полностью:

FeCl₃ > Fe³⁺ + 3Cl^-

Катион соли представляет собой катион слабого основания, поэтому его столкновение с гидроксильными ионами воды приводит к образованию слабого электролита. Так как вода диссоциирует крайне незначительно, то столкновение ионов Fe³⁺ с тремя ионами ОН^-невероятно, образование Fе(ОН)₃ в результате гидролиза при обычных условиях невозможно. Очевидно, процесс взаимодействия ионов соли с молекулами воды должен протекать по стадиям

FeCl₃ > Fe³⁺ + 3Cl^- + H₂O OH^- + H⁺

(FeOH)²⁺ + H⁺ + 3Cl^- (I стадия)

Образовавшийся ион (FeOH)²⁺ может столкнуться еще с одним ионом ОН^-. Возможность для осуществления различных этапов гидролиза не одинакова. Процессу гидролитического взаимодействия по I стадии ничто не препятствует, поэтому он протекает легко: Кр=8,9 • 10^-4, и в растворе накапливаются ионы Н⁺. Процесс электролитической диссоциации воды сдвигается справа налево. Концентрация ионов ОН^- понижается. Вероятность столкновения ионов (FeOH)²⁺ с ионами ОН^- в растворе становится незначительной, процесс по II стадии идет гораздо в меньшей степени: Кр=4,9 • 10^-7. В итоге II стадии величина ОН^- становится еще меньше, и третий этап гидролиза становится еще менее вероятным. Практически он самопроизвольно не осуществляется

[Fe(OH)₂]⁺ + 2H⁺ + 3Cl^-

H₂O OH^- + H⁺

Fe(OH)₃ + 3H⁺ + 3Cl^- (III стадия)



Из уравнений всех трех этапов процесса видно, что ионы С1^- участия в реакции не принимают, поэтому влияния на процесс гидролиза не оказывают.

Гидролиз соли многокислотного основания и одноосновной кислоты имеет свои особенности. Процесс протекает по ступеням. При температуре, близкой к комнатной, гидролиз осуществляется практически только по I стадии вследствие накопления в растворе ионов Н⁺. Соли слабых многоосновных оснований и сильных кислот создают в растворе кислую среду.

Соли слабых многоосновных кислот и сильных оснований. Рассуждая аналогично предыдущему случаю, можно записать для раствора К₂СО₃:

K₂CO₃ > 2K⁺ + CO₃^2-

H₂O OH^- + H⁺

HCO₃^- (Iстадия)

В результате I стадии гидролиза в растворе накапливаются ионы ОН^-, подавляющие процесс диссоциации воды. Поэтому при нормальных условиях II стадия гидролиза становится мало вероятной:

2К⁺ + ОН^- + НСО₃^-

H₂O OH^- + H⁺

2К⁺ + 2ОН^- + Н₂СО₃ (IIстадия)

Таким образом, гидролиз солей слабых многоосновных кислот и сильных оснований протекает по стадиям и обычно заканчивается на первой. Раствор соли слабой многоосновной кислоты и сильного основания характеризуется щелочной средой.

Соли слабой многоосновной кислоты и слабого миогокислотного основания. Рассуждаем аналогично предыдущим случаям. Для раствора А1₂(СО₃)₃ можно записать:

Al₂(CO₃)₃ > 2Al³⁺ + CO₃^2-

H₂O OH^- + H⁺ (I стадия)

AlOH²⁺ + HCO₃^- + Al³⁺ + 2CO₃^2-

Вторым этапом процесса будет связывание второго иона Al³⁺ в ион основной соли и еще одного иона СО₃^2- в НСО₃^-. На I стадии процесса не происходит заметного накопления в растворе ионов ОН^- и Н⁺. Поэтому II стадия гидролиза протекает беспрепятственно и оба процесса можно представить суммарным уравнением:

Al₂(CO₃)₃ > 2Al³⁺ + CO₃^2-

2 H₂O 2OH^- + 2H⁺ (I и IIстадии)

2 AlOH²⁺ + 2HCO₃^- + CO₃^2-

И в результате II стадии не возникает заметного сдвига концентраций Н⁺ или ОН^- в растворе, поэтому процесс диссоциации воды протекает беспрепятственно и обусловливает возможность течения следующих этапов гидролиза

2 AlOH²⁺ + 2HCO₃^- + CO₃^2-

2 H₂O 2OH^- + 2H⁺ (III и IV стадии)

2 [Al(O)₂]⁺ + H₂CO₃ + 2HCO₃^-

В результате этих стадий не возникло заметного изменения концентраций Н⁺ или ОН^- в растворе, поэтому возможно продолжение гидролиза

2 [Al(OH)₂]⁺ + H₂CO₃ + 2HCO₃^-

2 H₂O 2OH^- + 2H⁺ (V и VI стадии)

2 Al(OH)₃ + 3H₂CO₃

Таким образом, гидролиз солей слабых многоосновных кислот и слабых многокислотных оснований протекает сильнее, чем бинарных солей. В результате гидролиза могут образоваться продукты полного гидролиза соли. Стадия, до которой протекает гидролиз соли, определяется соотношением силы основания и кислоты.

Для характеристики гидролиза различных солей вводятся две величины. Константа гидролиза К_гидр равна в момент динамического равновесия отношению произведения концентраций продуктов гидролиза к произведению концентраций гидролизующихся ионов соли. Степень гидролиза б_гидр - отношение числа гидролизованных молекул соли к числу растворенных

Константы гидролиза соли растут по мере уменьшения констант диссоциации кислот и оснований, образующихся в результате процесса. Следовательно, возрастает и количество гидролизованных молекул. Степень гидролиза соли возрастает по мере уменьшения констант диссоциации кислот и оснований, образующихся в результате процесса.

Пример 1. К раствору FeCl₃ добавляют раствор К₂СО₃. Определить полноту гидролиза.

Решение. Процесс гидролиза раствора FеС1₃ в сокращенной ионной форме изображается уравнением

Fe³⁺ + H₂O FeOH²⁺ + H⁺

Последующие стадии процесса не идут.

В растворе К₂СО₃ гидролиз протекает по схеме

CO₃^2- + H₂O HCO₃^- + OH^-

Таким образом , в результате гидролиза в растворах образуются в избытке противоположные по знаку ионы воды (Н⁺ и ОН^-). При смешивании растворов FeCl₃ и K₂CO₃ наступает взаимная нейтрализация ионов Н⁺ и ОН^-. Затруднения для гидролиза по последующим стадиям исчезают, и гидролиз солей слабого основания и сильной кислоты в смеси с солью сильного основания и слабой кислоты идет до конца:

FeOH²⁺ + H₂O Fe(OH)₂⁺ + H⁺

Fe(OH)₂ + H₂O Fe(OH)₃⁺ + H⁺

HCO₃^- + H₂O H₂CO₃ + OH^-

Образование осадка Fе(ОН)₃ в результате полного гидролиза FеС1₃ и непрочной кислоты Н₂СО₃ облегчает течение процесса. Следовательно, добавление к раствору гидролизующейся соли другой соли, при гидролизе которой создается иная кислотность, усиливает процесс гидролиза.

Разбавление раствора увеличивает вероятность столкновения ионов растворенного вещества с ионами воды, вследствие этого степень гидролиза растет. Константа гидролиза от разбавления раствора не зависит.

При нагревании раствора увеличивается энергия теплового движения и вероятность столкновения ионов соли с ионами воды. Константа диссоциации воды и ее ионное произведение, а, следовательно, степень гидролиза и константа гидролиза растут. Так, процесс гидролиза раствора хлорида железа, протекающий при нормальной температуре до I стадии, при нагревании может проходить по II и даже по III. Это обусловлено увеличением количества ионов FeOH²⁺, образующихся в результате гидролиза FeCl₃ и ростом концентрации ионов ОН^- в растворе, вследствие увеличения ионного произведения воды. Процессы гидролиза могут быть усилены или подавлены добавлением соединений, содержащих ионы гидроксила или водорода или веществ, подвергающихся гидролизу.

Пример 2. К раствору FеС1₃ добавляют NH₄C1. Определить изменение процесса гидролиза.

Решение. Процесс гидролиза FeCl₃ запишется так:

Fe³⁺ + H₂O FeOH²⁺ + H⁺

При растворении NH₄Cl осуществляется реакция

NH₄⁺ + H₂O NH₄OH + H⁺

Прибавление хлорида аммония к раствору FeCl₃ повышает концентрацию ионов Н⁺ в растворе. Равновесие смещается влево и гидролиз обеих солей снижается. Таким образом, добавление в раствор гидролизующейся соли другой соли, гидролиз которой сопровождается образованием ионов воды, аналогичных возникающим при гидролизе первой, подавляет гидролиз.

Размещено на Allbest.ru

...