Номер 7, страница 78 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 11. Гидролиз солей. Глава 1. Повторение и углубление знаний - номер 7, страница 78.

Условие.

7. Почему при действии избытка раствора карбоната натрия на соли щелочноземельных металлов в осадок выпадают средние карбонаты, на соли цинка, свинца и меди — основные, а на соли железа(III), хрома(III) и алюминия — гидроксиды?

Решение.

Решение 2.

Различие в продуктах реакции обусловлено разной способностью катионов металлов к гидролизу в водном растворе, а также гидролизом самого карбоната натрия. Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$), поэтому его водный раствор имеет щелочную среду из-за гидролиза карбонат-иона по аниону:

$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^{-} + OH^-$

Эта щелочная среда, создаваемая избытком карбоната натрия, по-разному влияет на катионы металлов в зависимости от их способности к гидролизу.

На соли щёлочноземельных металлов

Катионы щёлочноземельных металлов ($Ca^{2+}$, $Sr^{2+}$, $Ba^{2+}$) соответствуют сильным или относительно сильным основаниям ($Ca(OH)_2$, $Sr(OH)_2$, $Ba(OH)_2$). Поэтому их собственный гидролиз в водном растворе крайне незначителен. При добавлении раствора карбоната натрия протекает обычная реакция ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимый или малорастворимый в воде средний карбонат. Гидроксиды этих металлов либо хорошо растворимы ($Ba(OH)_2$), либо их произведение растворимости значительно выше, чем у соответствующих карбонатов, поэтому в осадок выпадают именно карбонаты.

Пример реакции с хлоридом кальция:

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$

В сокращенном ионном виде:

$Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3\downarrow$

Ответ: Катионы щёлочноземельных металлов практически не гидролизуются, поэтому в щелочной среде, создаваемой карбонатом натрия, они осаждаются в виде малорастворимых средних карбонатов в результате реакции ионного обмена.

На соли цинка, свинца и меди

Катионы цинка ($Zn^{2+}$), свинца ($Pb^{2+}$) и меди ($Cu^{2+}$) являются катионами более слабых оснований, чем щёлочноземельные металлы. Они гидролизуются в водном растворе в заметной степени, подкисляя раствор:

$Me^{2+} + H_2O \rightleftharpoons Me(OH)^{+} + H^+$ (где $Me = Zn, Pb, Cu$)

При добавлении раствора карбоната натрия, имеющего щелочную среду, равновесие гидролиза катионов $Me^{2+}$ смещается вправо. В результате одновременно с осаждением карбонат-ионов происходит и частичный гидролиз катионов металла. Продуктом является основная соль — соединение, содержащее как карбонат-ионы, так и гидроксогруппы ($OH^-$). Такие основные карбонаты (например, малахит $(CuOH)_2CO_3$) в данных условиях являются более термодинамически устойчивыми, чем средние карбонаты.

Пример для соли меди(II):

$2CuSO_4 + 2Na_2CO_3 + H_2O \rightarrow (CuOH)_2CO_3\downarrow + 2Na_2SO_4 + CO_2\uparrow$

Ответ: Катионы $Zn^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cu^{2+}$ гидролизуются в заметной степени, и в щелочной среде, создаваемой раствором карбоната натрия, этот гидролиз усиливается, приводя к образованию более устойчивых осадков основных карбонатов.

На соли железа(III), хрома(III) и алюминия

Катионы железа(III) ($Fe^{3+}$), хрома(III) ($Cr^{3+}$) и алюминия ($Al^{3+}$) имеют большой положительный заряд ($+3$) и относительно малый ионный радиус. Это приводит к очень сильной поляризации молекул воды и, как следствие, к их глубокому, практически необратимому гидролизу:

$Al^{3+} + 3H_2O \rightleftharpoons Al(OH)_3 + 3H^+$

При смешивании раствора такой соли с раствором карбоната натрия происходит так называемый совместный необратимый гидролиз. Ионы $H^+$, образующиеся при гидролизе катиона металла, немедленно реагируют с ионами $OH^-$ и $CO_3^{2-}$, которые присутствуют в растворе карбоната натрия. Это взаимодействие (нейтрализация) смещает равновесия обоих процессов гидролиза до полного завершения. Карбонаты трёхвалентных металлов ($Al_2(CO_3)_3$, $Fe_2(CO_3)_3$) в водной среде не существуют, так как мгновенно и полностью разлагаются водой. В результате в осадок выпадает гидроксид соответствующего металла, а из раствора выделяется углекислый газ.

Пример для соли алюминия:

$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaCl$

В сокращенном ионном виде:

$2Al^{3+} + 3CO_3^{2-} + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow$

Ответ: Катионы $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$, $Al^{3+}$ подвергаются глубокому и необратимому гидролизу. При взаимодействии с раствором карбоната натрия, который также гидролизуется, происходит совместный гидролиз, идущий до конца с образованием гидроксида металла и углекислого газа, так как средние карбонаты этих металлов в воде не существуют.