Страница 77 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Какую среду имеют водные растворы карбоната калия, хлорида цинка, нитрата кальция, хлорида аммония, силиката натрия? Напишите уравнения гидролиза в сокращённом ионном виде.

Для определения среды водного раствора соли необходимо проанализировать, какими по силе кислотой и основанием она образована.

1. Соль сильного основания и сильной кислоты: гидролизу не подвергается, среда нейтральная ($pH \approx 7$).

2. Соль сильного основания и слабой кислоты: гидролизуется по аниону, среда щелочная ($pH > 7$).

3. Соль слабого основания и сильной кислоты: гидролизуется по катиону, среда кислая ($pH < 7$).

4. Соль слабого основания и слабой кислоты: гидролизуется и по катиону, и по аниону, среда зависит от относительной силы кислоты и основания.

Карбонат калия ($K_2CO_3$)

Эта соль образована сильным основанием — гидроксидом калия ($KOH$) — и слабой кислотой — угольной кислотой ($H_2CO_3$). Следовательно, гидролиз протекает по аниону. В результате реакции с водой образуются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые и определяют щелочную среду раствора.

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (по первой ступени):

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

Ответ: водный раствор карбоната калия имеет щелочную среду ($pH > 7$).

Хлорид цинка ($ZnCl_2$)

Эта соль образована слабым основанием — гидроксидом цинка ($Zn(OH)_2$) — и сильной кислотой — соляной кислотой ($HCl$). Следовательно, гидролиз протекает по катиону. В результате реакции с водой образуются ионы водорода ($H^+$), которые определяют кислую среду раствора.

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (по первой ступени):

$Zn^{2+} + H_2O \rightleftharpoons ZnOH^+ + H^+$

Ответ: водный раствор хлорида цинка имеет кислую среду ($pH < 7$).

Нитрат кальция ($Ca(NO_3)_2$)

Эта соль образована сильным основанием — гидроксидом кальция ($Ca(OH)_2$) — и сильной кислотой — азотной кислотой ($HNO_3$). Соли, образованные сильными электролитами, гидролизу не подвергаются, так как ни катион кальция ($Ca^{2+}$), ни нитрат-анион ($NO_3^-$) не взаимодействуют с водой с образованием слабого электролита.

Ответ: водный раствор нитрата кальция имеет нейтральную среду ($pH \approx 7$).

Хлорид аммония ($NH_4Cl$)

Эта соль образована слабым основанием — гидратом аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$) — и сильной кислотой — соляной кислотой ($HCl$). Следовательно, гидролиз протекает по катиону. В результате реакции с водой образуются ионы водорода ($H^+$), которые определяют кислую среду раствора.

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде:

$NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$

Ответ: водный раствор хлорида аммония имеет кислую среду ($pH < 7$).

Силикат натрия ($Na_2SiO_3$)

Эта соль образована сильным основанием — гидроксидом натрия ($NaOH$) — и слабой кислотой — кремниевой кислотой ($H_2SiO_3$). Следовательно, гидролиз протекает по аниону. В результате реакции с водой образуются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые определяют щелочную среду раствора.

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (по первой ступени):

$SiO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HSiO_3^- + OH^-$

Ответ: водный раствор силиката натрия имеет щелочную среду ($pH > 7$).

2. Как изменяется $pH$ раствора при увеличении концентрации ионов водорода?

Решение

Водородный показатель, или pH, является мерой, определяющей кислотность водных растворов. Он связан с концентрацией ионов водорода $[H^+]$ (или, точнее, с активностью ионов гидроксония $H_3O^+$) следующей математической формулой:
$pH = -\log_{10}[H^+]$
Эта формула показывает, что pH — это отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Из-за знака "минус" в определении, между pH и концентрацией $[H^+]$ существует обратная зависимость. Это означает, что при увеличении концентрации ионов водорода значение pH будет уменьшаться.

Проиллюстрируем это на примере.
Допустим, в первом растворе концентрация ионов водорода составляет $[H^+] = 10^{-5}$ моль/л. Тогда pH этого раствора равен: $pH = -\log_{10}(10^{-5}) = 5$.
Если во втором растворе увеличить концентрацию ионов водорода в 100 раз до $[H^+] = 10^{-3}$ моль/л, то новый pH будет: $pH = -\log_{10}(10^{-3}) = 3$.
Как показывает пример, увеличение концентрации $[H^+]$ привело к уменьшению значения pH.

С химической точки зрения, увеличение концентрации ионов водорода делает раствор более кислым. На шкале pH, которая обычно варьируется от 0 до 14, значения ниже 7 соответствуют кислой среде, значение 7 — нейтральной, а значения выше 7 — щелочной (основной) среде. Таким образом, при увеличении концентрации ионов водорода кислотность раствора возрастает, а его pH снижается.

Ответ: при увеличении концентрации ионов водорода pH раствора уменьшается.

3. Какую соль следует добавить в воду для получения щелочной среды; кислотной среды?

Среда водного раствора соли (кислая, щелочная или нейтральная) определяется процессом гидролиза — взаимодействия ионов соли с молекулами воды. Характер среды зависит от силы кислоты и основания, из которых образована соль.

Для получения щелочной среды

Чтобы получить щелочную среду ($pH > 7$), в воду необходимо добавить соль, образованную сильным основанием и слабой кислотой. При растворении такой соли происходит гидролиз по аниону (иону кислотного остатка). Анион слабой кислоты, будучи сильным сопряженным основанием, вступает в реакцию с водой, связывая ионы водорода $H^+$. Это приводит к накоплению в растворе избыточных гидроксид-ионов ($OH^-$), которые и создают щелочную среду.

Примеры таких солей: карбонат натрия ($Na_2CO_3$), ацетат калия ($CH_3COOK$), сульфид натрия ($Na_2S$), фосфат калия ($K_3PO_4$).

Рассмотрим на примере карбоната натрия ($Na_2CO_3$), который образован сильным основанием $NaOH$ и слабой угольной кислотой $H_2CO_3$.

1. Диссоциация соли в воде: $Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}$

2. Катион $Na^+$ не взаимодействует с водой, так как соответствует сильному основанию.

3. Анион $CO_3^{2-}$ гидролизуется, так как соответствует слабой кислоте:

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

В результате в растворе увеличивается концентрация гидроксид-ионов, и среда становится щелочной.

Ответ: Для получения щелочной среды следует добавить в воду соль, образованную сильным основанием и слабой кислотой, например, карбонат натрия ($Na_2CO_3$) или ацетат натрия ($CH_3COONa$).

Для получения кислотной среды

Чтобы получить кислотную среду ($pH < 7$), в воду необходимо добавить соль, образованную слабым основанием и сильной кислотой. В этом случае гидролизу подвергается катион металла (или аммония). Катион слабого основания, будучи сильной сопряженной кислотой, реагирует с водой, отщепляя от нее гидроксид-ионы $OH^-$. В результате в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), которые создают кислотную среду.

Примеры таких солей: хлорид аммония ($NH_4Cl$), сульфат меди(II) ($CuSO_4$), нитрат цинка ($Zn(NO_3)_2$), хлорид железа(III) ($FeCl_3$).

Рассмотрим на примере хлорида аммония ($NH_4Cl$), который образован слабым основанием $NH_3 \cdot H_2O$ и сильной соляной кислотой $HCl$.

1. Диссоциация соли в воде: $NH_4Cl \rightarrow NH_4^+ + Cl^-$

2. Анион $Cl^-$ не взаимодействует с водой, так как соответствует сильной кислоте.

3. Катион $NH_4^+$ гидролизуется, так как соответствует слабому основанию:

$NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$

В результате в растворе увеличивается концентрация ионов водорода, и среда становится кислотной.

Ответ: Для получения кислотной среды следует добавить в воду соль, образованную слабым основанием и сильной кислотой, например, хлорид аммония ($NH_4Cl$) или сульфат меди(II) ($CuSO_4$).

4. Почему при добавлении сульфида натрия к раствору нитрата хрома(III) выпадает осадок гидроксида хрома(III)? Напишите уравнение реакции.

Решение

При смешивании раствора сульфида натрия ($Na_2S$) и раствора нитрата хрома(III) ($Cr(NO_3)_3$) выпадает осадок гидроксида хрома(III), а не сульфида хрома(III), из-за процесса совместного необратимого гидролиза.

Рассмотрим свойства каждой соли в водном растворе:

1. Нитрат хрома(III) ($Cr(NO_3)_3$) является солью, образованной слабым основанием ($Cr(OH)_3$) и сильной кислотой ($HNO_3$). В водном растворе эта соль подвергается гидролизу по катиону $Cr^{3+}$, что приводит к образованию ионов водорода $H^+$ и созданию кислой среды:
$Cr^{3+} + H_2O \leftrightarrow [Cr(OH)]^{2+} + H^+$

2. Сульфид натрия ($Na_2S$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2S$). В водном растворе эта соль гидролизуется по аниону $S^{2-}$, что приводит к образованию гидроксид-ионов $OH^-$ и созданию щелочной среды:
$S^{2-} + H_2O \leftrightarrow HS^{-} + OH^{-}$

Когда эти два раствора сливают, происходит взаимное усиление гидролиза. Ионы $H^+$, образующиеся при гидролизе катиона $Cr^{3+}$, реагируют с ионами $OH^-$, образующимися при гидролизе аниона $S^{2-}$, с образованием воды ($H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$). Это смещает равновесие обеих реакций гидролиза вправо, в сторону продуктов. В результате гидролиз протекает до конца (становится необратимым).

В итоге, ионы хрома($III$) полностью реагируют с водой с образованием нерастворимого гидроксида хрома(III) ($Cr(OH)_3$), а сульфид-ионы — с образованием газообразного сероводорода ($H_2S$). Соль сульфид хрома(III) ($Cr_2S_3$) в водной среде неустойчива и сразу же полностью гидролизуется, поэтому вместо реакции обмена идет реакция совместного гидролиза.

Полное молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:
$2Cr(NO_3)_3 + 3Na_2S + 6H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow + 6NaNO_3$

Сокращенное ионное уравнение, которое лучше всего описывает суть процесса:
$2Cr^{3+} + 3S^{2-} + 6H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

Ответ: Осадок гидроксида хрома(III) выпадает в результате необратимого совместного гидролиза ионов $Cr^{3+}$ и $S^{2-}$ при их одновременном присутствии в водном растворе. Уравнение реакции: $2Cr(NO_3)_3 + 3Na_2S + 6H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow + 6NaNO_3$.

5. Какое вещество необходимо добавить к раствору сульфата меди(II) для предотвращения или ослабления гидролиза?

Решение

Сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — это соль, образованная катионом слабого основания, гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$), и анионом сильной кислоты, серной кислоты ($H_2SO_4$).

При растворении в воде сульфат меди(II) диссоциирует на ионы:

$CuSO_4 \rightleftharpoons Cu^{2+} + SO_4^{2-}$

Так как соль образована слабым основанием и сильной кислотой, она подвергается гидролизу по катиону. Ион меди ($Cu^{2+}$) взаимодействует с молекулами воды, что приводит к образованию ионов водорода ($H^+$) и, как следствие, к созданию кислой среды в растворе.

Процесс гидролиза является обратимым, и его равновесие (по первой ступени) можно описать следующим ионным уравнением:

$Cu^{2+} + H_2O \rightleftharpoons CuOH^{+} + H^{+}$

В результате этой реакции в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), что и обуславливает кислую реакцию среды ($pH < 7$). При длительном стоянии или нагревании гидролиз может пойти дальше с образованием осадка основной соли или гидроксида меди(II).

Для того чтобы предотвратить или ослабить (подавить) гидролиз, необходимо сместить химическое равновесие влево, в сторону исходных веществ. Согласно принципу Ле Шателье, для этого нужно увеличить концентрацию одного из продуктов реакции. В данном случае продуктом, концентрацию которого легко увеличить, являются ионы водорода ($H^+$).

Добавление в раствор сильной кислоты, которая является донором ионов $H^+$, приведет к смещению равновесия влево. Наиболее подходящей кислотой является серная кислота ($H_2SO_4$), так как её анион ($SO_4^{2-}$) уже присутствует в растворе и не будет вносить в него посторонние ионы.

Таким образом, подкисление раствора сульфата меди(II) серной кислотой подавляет его гидролиз, предотвращая образование нерастворимых продуктов и сохраняя стабильность раствора.

Ответ: Для предотвращения или ослабления гидролиза к раствору сульфата меди(II) необходимо добавить сильную кислоту, предпочтительно серную кислоту ($H_2SO_4$).

6. Какие из предложенных солей ($NaI$, $NH_4Cl$, $KNO_2$, $K_2SiO_3$, $ZnSO_4$, $Al_2S_3$, $Al_2(SO_4)_3$, $ZnF_2$):

а) гидролизуются по катиону;

б) гидролизуются по аниону;

в) гидролизуются по катиону и по аниону;

г) не гидролизуются?

Гидролиз солей — это взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита (слабой кислоты или слабого основания) и изменению pH среды. Тип гидролиза зависит от силы кислоты и основания, из которых образована соль.

а) гидролизуются по катиону

Гидролизу по катиону подвергаются соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой. В водном растворе таких солей катион слабого основания взаимодействует с водой, что приводит к образованию ионов $H^+$ и созданию кислой среды ($pH < 7$).

• $NH_4Cl$ (хлорид аммония) — соль, образованная слабым основанием $NH_4OH$ (гидроксид аммония) и сильной кислотой $HCl$ (соляная кислота). Гидролиз протекает по катиону аммония $NH_4^+$:
  $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$

• $ZnSO_4$ (сульфат цинка) — соль, образованная слабым основанием $Zn(OH)_2$ (гидроксид цинка) и сильной кислотой $H_2SO_4$ (серная кислота). Гидролиз протекает по катиону цинка $Zn^{2+}$:
  $Zn^{2+} + H_2O \rightleftharpoons ZnOH^+ + H^+$

• $Al_2(SO_4)_3$ (сульфат алюминия) — соль, образованная слабым основанием $Al(OH)_3$ (гидроксид алюминия) и сильной кислотой $H_2SO_4$. Гидролиз протекает по катиону алюминия $Al^{3+}$:
  $Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^+$

Ответ: $NH_4Cl, ZnSO_4, Al_2(SO_4)_3$.

б) гидролизуются по аниону

Гидролизу по аниону подвергаются соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой. В водном растворе анион слабой кислоты взаимодействует с водой, что приводит к образованию ионов $OH^-$ и созданию щелочной среды ($pH > 7$).

• $KNO_2$ (нитрит калия) — соль, образованная сильным основанием $KOH$ (гидроксид калия) и слабой кислотой $HNO_2$ (азотистая кислота). Гидролиз протекает по нитрит-аниону $NO_2^-$:
  $NO_2^- + H_2O \rightleftharpoons HNO_2 + OH^-$

• $K_2SiO_3$ (силикат калия) — соль, образованная сильным основанием $KOH$ и слабой кислотой $H_2SiO_3$ (кремниевая кислота). Гидролиз протекает по силикат-аниону $SiO_3^{2-}$:
  $SiO_3^{2-} + 2H_2O \rightleftharpoons H_2SiO_3 \downarrow + 2OH^-$

Ответ: $KNO_2, K_2SiO_3$.

в) гидролизуются по катиону и по аниону

Совместному гидролизу подвергаются соли, образованные слабым основанием и слабой кислотой. В этом случае с водой взаимодействуют и катион, и анион. Реакция среды зависит от относительной силы образующихся кислоты и основания.

• $Al_2S_3$ (сульфид алюминия) — соль, образованная слабым основанием $Al(OH)_3$ и слабой кислотой $H_2S$ (сероводородная кислота). Эта соль подвергается полному и необратимому гидролизу, так как оба продукта реакции являются нерастворимыми или летучими веществами.
  $Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

• $ZnF_2$ (фторид цинка) — соль, образованная слабым основанием $Zn(OH)_2$ и слабой кислотой $HF$ (фтороводородная кислота). Гидролиз идет одновременно по катиону $Zn^{2+}$ и аниону $F^-$:
  $Zn^{2+} + H_2O \rightleftharpoons ZnOH^+ + H^+$
  $F^- + H_2O \rightleftharpoons HF + OH^-$
  Суммарное уравнение: $Zn^{2+} + 2F^- + 2H_2O \rightleftharpoons Zn(OH)_2 \downarrow + 2HF$

Ответ: $Al_2S_3, ZnF_2$.

г) не гидролизуются

Не подвергаются гидролизу соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой. Ионы таких солей не взаимодействуют с водой, и среда раствора остается нейтральной ($pH = 7$).

• $NaI$ (йодид натрия) — соль, образованная сильным основанием $NaOH$ (гидроксид натрия) и сильной кислотой $HI$ (йодоводородная кислота). Оба иона, $Na^+$ и $I^-$, являются ионами сильных электролитов и не вступают в реакцию с водой.

Ответ: $NaI$.