Страница 76 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Что называют гидролизом солей?

Что называют гидролизом солей?

Гидролиз солей — это химическая реакция обратимого взаимодействия ионов соли с молекулами воды, в результате которой образуется слабый электролит (слабая кислота или слабое основание) и, как следствие, изменяется кислотность (pH) раствора. По своей сути, гидролиз является процессом, обратным реакции нейтрализации.

Когда соль растворяется в воде, она диссоциирует на катионы (положительно заряженные ионы металла или аммония) и анионы (отрицательно заряженные ионы кислотного остатка). Если один из этих ионов образован от слабого основания или слабой кислоты, он вступает в реакцию с водой.

Существует четыре основных случая гидролиза солей:

Соль, образованная сильным основанием и сильной кислотой

Примеры: хлорид натрия ($NaCl$), нитрат калия ($KNO_3$), сульфат бария ($BaSO_4$).

Ионы, образующиеся при диссоциации таких солей ($Na^+$, $K^+$, $Cl^-$, $NO_3^-$), являются ионами сильных электролитов и не способны вступать в реакцию с водой. Поэтому гидролиз не происходит, и среда водного раствора остается нейтральной ($pH = 7$).

Соль, образованная слабым основанием и сильной кислотой

Примеры: хлорид аммония ($NH_4Cl$), сульфат меди(II) ($CuSO_4$), хлорид железа(III) ($FeCl_3$).

В этом случае происходит гидролиз по катиону (иону слабого основания). Катион связывает гидроксид-ионы ($OH^-$) из молекул воды, в результате чего в растворе накапливается избыток ионов водорода ($H^+$), что создает кислую среду.

Уравнение гидролиза в ионной форме для хлорида аммония:

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

Среда раствора кислая ($pH < 7$).

Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой

Примеры: ацетат натрия ($CH_3COONa$), карбонат натрия ($Na_2CO_3$), сульфид калия ($K_2S$).

Здесь происходит гидролиз по аниону (иону слабой кислоты). Анион связывает ионы водорода ($H^+$) из молекул воды, что приводит к накоплению в растворе избытка гидроксид-ионов ($OH^-$) и создает щелочную среду.

Уравнение гидролиза в ионной форме для карбоната натрия (по первой ступени):

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

Среда раствора щелочная ($pH > 7$).

Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой

Примеры: ацетат аммония ($CH_3COONH_4$), карбонат аммония ($(NH_4)_2CO_3$).

В этом случае гидролизу подвергаются и катион, и анион. Характер среды (кислая, щелочная или нейтральная) зависит от относительной силы образующихся в результате гидролиза слабой кислоты и слабого основания, которые характеризуются константами диссоциации ($K_a$ и $K_b$ соответственно).

• Если слабая кислота сильнее слабого основания ($K_a > K_b$), среда будет слабокислой.
• Если слабое основание сильнее слабой кислоты ($K_b > K_a$), среда будет слабощелочной.
• Если их силы примерно равны ($K_a \approx K_b$), среда будет близка к нейтральной (например, для $CH_3COONH_4$).

Ответ: Гидролизом солей называют обменное взаимодействие ионов соли с молекулами воды, приводящее к образованию слабого электролита (слабой кислоты или слабого основания) и изменению водородного показателя (pH) раствора.

2. Приведите по два примера солей, растворы которых имеют среду:

а) нейтральную;

б) кислотную;

в) щелочную.

В какой цвет окрашен лакмус в этих растворах?

Среда водного раствора соли определяется явлением гидролиза — обменным взаимодействием ионов соли с молекулами воды, которое приводит к образованию слабого электролита (слабой кислоты или слабого основания). В зависимости от силы кислоты и основания, из которых образована соль, среда раствора может быть нейтральной, кислотной или щелочной.

а) нейтральную среду

Нейтральную среду ($pH \approx 7$) имеют растворы солей, образованных сильным основанием и сильной кислотой. Такие соли не подвергаются гидролизу, так как ни катион сильного основания, ни анион сильной кислоты не взаимодействуют с водой. В результате концентрация ионов $H^+$ и $OH^-$ в растворе остается такой же, как в чистой воде.

Примеры:

1. Хлорид натрия ($NaCl$) — образован сильным основанием $NaOH$ и сильной кислотой $HCl$.
2. Нитрат калия ($KNO_3$) — образован сильным основанием $KOH$ и сильной кислотой $HNO_3$.

В нейтральной среде лакмус имеет фиолетовый цвет.

Ответ: Примеры солей с нейтральной средой раствора: хлорид натрия ($NaCl$) и нитрат калия ($KNO_3$). Лакмус в этих растворах фиолетовый.

б) кислотную среду

Кислотную среду ($pH < 7$) имеют растворы солей, образованных слабым основанием и сильной кислотой. В этом случае происходит гидролиз по катиону (иону слабого основания), в результате чего в растворе накапливаются ионы водорода $H^+$, создавая кислотную среду.

Примеры:

1. Хлорид аммония ($NH_4Cl$) — образован слабым основанием $NH_3 \cdot H_2O$ и сильной кислотой $HCl$. Уравнение гидролиза: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$.
2. Сульфат цинка ($ZnSO_4$) — образован слабым основанием $Zn(OH)_2$ и сильной кислотой $H_2SO_4$. Уравнение гидролиза (по первой ступени): $Zn^{2+} + H_2O \rightleftharpoons ZnOH^+ + H^+$.

В кислотной среде лакмус окрашивается в красный цвет.

Ответ: Примеры солей с кислотной средой раствора: хлорид аммония ($NH_4Cl$) и сульфат цинка ($ZnSO_4$). Лакмус в этих растворах красный.

в) щелочную среду

Щелочную среду ($pH > 7$) имеют растворы солей, образованных сильным основанием и слабой кислотой. Происходит гидролиз по аниону (кислотному остатку слабой кислоты), в результате чего в растворе накапливаются гидроксид-ионы $OH^-$, создавая щелочную среду.

Примеры:

1. Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) — образован сильным основанием $NaOH$ и слабой кислотой $H_2CO_3$. Уравнение гидролиза (по первой ступени): $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$.
2. Ацетат калия ($CH_3COOK$) — образован сильным основанием $KOH$ и слабой кислотой $CH_3COOH$. Уравнение гидролиза: $CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$.

В щелочной среде лакмус окрашивается в синий цвет.

Ответ: Примеры солей со щелочной средой раствора: карбонат натрия ($Na_2CO_3$) и ацетат калия ($CH_3COOK$). Лакмус в этих растворах синий.

3. Назовите соль калия, раствор которой имеет щелочную среду, и соль азотной кислоты, раствор которой имеет кислотную среду. Напишите уравнения реакций, которые происходят в растворах этих солей. Какая среда в растворе нитрата калия?

Решение

Соль калия, раствор которой имеет щелочную среду

Щелочную среду ($pH > 7$) имеют растворы солей, образованных сильным основанием и слабой кислотой. В качестве сильного основания выступает гидроксид калия ($KOH$), так как калий — щелочной металл. В качестве слабой кислоты можно взять, например, угольную кислоту ($H_2CO_3$). Соль, образованная этими реагентами, — карбонат калия ($K_2CO_3$).

При растворении в воде эта соль диссоциирует на ионы: $K_2CO_3 \rightarrow 2K^+ + CO_3^{2-}$.

Ион $K^+$ образован сильным основанием и не взаимодействует с водой. Карбонат-ион $CO_3^{2-}$ образован слабой кислотой и подвергается гидролизу (взаимодействует с водой), связывая ионы водорода из воды и оставляя в растворе избыток гидроксид-ионов $OH^-$, что и создает щелочную среду.

Уравнение реакции гидролиза в сокращенной ионной форме (первая ступень):

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

Ответ: Примером такой соли является карбонат калия ($K_2CO_3$). Уравнение реакции, происходящей в растворе: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$.

Соль азотной кислоты, раствор которой имеет кислотную среду

Кислотную среду ($pH < 7$) имеют растворы солей, образованных сильной кислотой и слабым основанием. В данном случае сильной кислотой является азотная кислота ($HNO_3$). В качестве слабого основания можно взять, например, гидрат аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$). Соль, образованная ими, — нитрат аммония ($NH_4NO_3$).

При растворении в воде эта соль диссоциирует: $NH_4NO_3 \rightarrow NH_4^+ + NO_3^-$.

Нитрат-ион $NO_3^-$ образован сильной кислотой и не взаимодействует с водой. Ион аммония $NH_4^+$ образован слабым основанием и подвергается гидролизу, отдавая протон молекуле воды, что приводит к накоплению в растворе ионов гидроксония $H_3O^+$ (или ионов водорода $H^+$) и созданию кислотной среды.

Уравнение реакции гидролиза в сокращенной ионной форме:

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

Ответ: Примером такой соли является нитрат аммония ($NH_4NO_3$). Уравнение реакции, происходящей в растворе: $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$.

Среда в растворе нитрата калия

Нитрат калия ($KNO_3$) — это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия, $KOH$) и сильной кислотой (азотной кислотой, $HNO_3$).

Соли, образованные катионом сильного основания и анионом сильной кислоты, не подвергаются гидролизу, так как ни один из ионов не способен в значительной степени реагировать с водой с образованием избытка ионов $H^+$ или $OH^-$. Поэтому раствор такой соли имеет нейтральную среду.

Ответ: Среда в растворе нитрата калия нейтральная ($pH=7$).

4. Почему раствор стиральной соды $Na_2CO_3$ имеет сильнощелочную среду, а раствор питьевой соды $NaHCO_3$ — слабощелочную?

Разница в щелочности растворов стиральной соды ($Na_2CO_3$) и питьевой соды ($NaHCO_3$) объясняется различной степенью гидролиза их анионов. Обе соли образованы сильным основанием ($NaOH$) и слабой угольной кислотой ($H_2CO_3$), поэтому их водные растворы имеют щелочную реакцию.

Раствор стиральной соды ($Na_2CO_3$)

Карбонат натрия — это соль, образованная сильным основанием и слабой двухосновной кислотой. При растворении в воде он диссоциирует на ионы $Na^+$ и $CO_3^{2-}$. Карбонат-ион $CO_3^{2-}$ подвергается гидролизу, так как является анионом слабой кислоты:

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

В результате этой реакции в растворе образуются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые и создают щелочную среду. Карбонат-ион является сопряженным основанием для гидрокарбонат-иона ($HCO_3^-$), который, в свою очередь, является очень слабой кислотой (константа диссоциации $K_{a2}$ для $H_2CO_3$ очень мала). Поэтому $CO_3^{2-}$ — это относительно сильное основание, и его гидролиз протекает в значительной степени, что приводит к образованию высокой концентрации $OH^-$ и, как следствие, к сильнощелочной среде (pH > 11).

Раствор питьевой соды ($NaHCO_3$)

Гидрокарбонат натрия — это кислая соль, которая при растворении в воде диссоциирует на ионы $Na^+$ и $HCO_3^-$. Гидрокарбонат-ион ($HCO_3^-$) является амфотерным, то есть он может проявлять как кислотные, так и основные свойства:

• Как основание (гидролиз): $HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$
• Как кислота (диссоциация): $HCO_3^- \rightleftharpoons H^+ + CO_3^{2-}$

Для определения характера среды необходимо сравнить константы этих двух процессов. Константа основности для реакции гидролиза ($K_b \approx 2.2 \times 10^{-8}$) больше, чем константа кислотности для реакции диссоциации ($K_a \approx 4.7 \times 10^{-11}$). Это означает, что процесс гидролиза преобладает, и в растворе образуется небольшой избыток ионов $OH^-$. Однако гидрокарбонат-ион $HCO_3^-$ является гораздо более слабым основанием, чем карбонат-ион $CO_3^{2-}$. Поэтому гидролиз протекает в незначительной степени, создавая лишь слабощелочную среду (pH ≈ 8-9).

Ответ: Раствор стиральной соды ($Na_2CO_3$) имеет сильнощелочную среду, так как гидролиз карбонат-иона ($CO_3^{2-}$), который является сильным основанием, протекает в значительной степени, создавая высокую концентрацию гидроксид-ионов. Раствор питьевой соды ($NaHCO_3$) имеет слабощелочную среду, поскольку гидролиз амфотерного гидрокарбонат-иона ($HCO_3^-$), который является слабым основанием, протекает в незначительной степени и создает лишь небольшую концентрацию гидроксид-ионов.

5. Напишите уравнения гидролиза фосфата калия и хлорида меди(II).

Решение

Гидролиз фосфата калия

Фосфат калия ($K_3PO_4$) — это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия, $KOH$) и слабой многоосновной кислотой (ортофосфорной кислотой, $H_3PO_4$). В водном растворе соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой, подвергаются гидролизу по аниону.

1. Диссоциация соли в воде:

$K_3PO_4 \leftrightarrow 3K^+ + PO_4^{3-}$

Катион $K^+$ образован сильным основанием, поэтому он не взаимодействует с водой. Анион $PO_4^{3-}$ образован слабой кислотой, поэтому он вступает в реакцию с водой.

2. Уравнения гидролиза. Гидролиз протекает ступенчато, так как кислота трехосновная. Наиболее существенно гидролиз идет по первой ступени.

I ступень:

• Сокращенное ионное уравнение:

  $PO_4^{3-} + H_2O \leftrightarrow HPO_4^{2-} + OH^-$

• Полное ионное уравнение:

  $3K^+ + PO_4^{3-} + H_2O \leftrightarrow 3K^+ + HPO_4^{2-} + OH^-$

• Молекулярное уравнение:

  $K_3PO_4 + H_2O \leftrightarrow K_2HPO_4 + KOH$

II ступень (протекает в меньшей степени):

$HPO_4^{2-} + H_2O \leftrightarrow H_2PO_4^{-} + OH^-$

III ступень (протекает в незначительной степени):

$H_2PO_4^{-} + H_2O \leftrightarrow H_3PO_4 + OH^-$

В результате гидролиза в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду ($pH > 7$).

Ответ: Уравнения гидролиза фосфата калия (по первой ступени):

Молекулярное: $K_3PO_4 + H_2O \leftrightarrow K_2HPO_4 + KOH$

Сокращенное ионное: $PO_4^{3-} + H_2O \leftrightarrow HPO_4^{2-} + OH^-$

Гидролиз хлорида меди(II)

Хлорид меди(II) ($CuCl_2$) — это соль, образованная слабым основанием (гидроксидом меди(II), $Cu(OH)_2$) и сильной кислотой (соляной кислотой, $HCl$). В водном растворе соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, подвергаются гидролизу по катиону.

1. Диссоциация соли в воде:

$CuCl_2 \leftrightarrow Cu^{2+} + 2Cl^-$

Анион $Cl^-$ образован сильной кислотой и с водой не взаимодействует. Катион $Cu^{2+}$ образован слабым основанием, поэтому он гидролизуется.

2. Уравнения гидролиза. Гидролиз также может протекать ступенчато, но ограничивается в основном первой ступенью.

I ступень:

• Сокращенное ионное уравнение:

  $Cu^{2+} + H_2O \leftrightarrow [Cu(OH)]^+ + H^+$

• Полное ионное уравнение:

  $Cu^{2+} + 2Cl^- + H_2O \leftrightarrow [Cu(OH)]^+ + 2Cl^- + H^+$

• Молекулярное уравнение:

  $CuCl_2 + H_2O \leftrightarrow Cu(OH)Cl + HCl$

II ступень (протекает в незначительной степени, обычно при нагревании):

$[Cu(OH)]^+ + H_2O \leftrightarrow Cu(OH)_2\downarrow + H^+$

В результате гидролиза в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), что создает кислую среду ($pH < 7$).

Ответ: Уравнения гидролиза хлорида меди(II) (по первой ступени):

Молекулярное: $CuCl_2 + H_2O \leftrightarrow Cu(OH)Cl + HCl$

Сокращенное ионное: $Cu^{2+} + H_2O \leftrightarrow [Cu(OH)]^+ + H^+$

6. В трёх пробирках находятся растворы сульфата алюминия, фосфата калия и хлорида натрия. Можно ли их различить при помощи лакмуса? Назовите окраску индикатора в каждом из растворов и объясните причину этого.

Да, при помощи лакмуса можно различить данные растворы. Окраска индикатора в каждом из них будет разной из-за гидролиза солей, который приводит к созданию различной кислотности среды (pH).

Раствор сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$)

Эта соль образована катионом слабого основания ($Al(OH)_3$) и анионом сильной кислоты ($H_2SO_4$). В водном растворе происходит гидролиз по катиону $Al^{3+}$, так как он связывает гидроксид-ионы воды:

$Al^{3+} + H_2O \leftrightarrow AlOH^{2+} + H^+$

В результате реакции в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), что создает кислую среду (pH < 7). В кислой среде лакмус окрашивается в красный цвет.

Ответ: в растворе сульфата алюминия лакмус станет красным.

Раствор фосфата калия ($K_3PO_4$)

Эта соль образована катионом сильного основания ($KOH$) и анионом слабой кислоты ($H_3PO_4$). В водном растворе происходит гидролиз по аниону $PO_4^{3-}$, так как он связывает ионы водорода из воды:

$PO_4^{3-} + H_2O \leftrightarrow HPO_4^{2-} + OH^-$

В результате реакции в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду (pH > 7). В щелочной среде лакмус окрашивается в синий цвет.

Ответ: в растворе фосфата калия лакмус станет синим.

Раствор хлорида натрия ($NaCl$)

Эта соль образована катионом сильного основания ($NaOH$) и анионом сильной кислоты ($HCl$). Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой, гидролизу не подвергаются, так как ни катион $Na^+$, ни анион $Cl^-$ не взаимодействуют с водой. Среда в их растворах нейтральная (pH = 7).

В нейтральной среде лакмус не изменяет своего цвета и остается фиолетовым.

Ответ: в растворе хлорида натрия лакмус останется фиолетовым.

Таким образом, поскольку в трех пробирках лакмус покажет три разных цвета (красный, синий и фиолетовый), все три раствора можно однозначно различить.

7. Какую среду имеют водные растворы солей:

а) сульфата калия, карбоната калия, сульфида калия;

б) хлорида меди(II), нитрата меди(II), сульфата алюминия? Напишите уравнения гидролиза.

а) сульфата калия, карбоната калия, сульфида калия

Среда водного раствора соли определяется продуктами ее гидролиза, который зависит от силы кислоты и основания, образующих данную соль.

Сульфат калия ($K_2SO_4$) — соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия, $KOH$) и сильной кислотой (серной кислотой, $H_2SO_4$). Соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой, не подвергаются гидролизу. Взаимодействия ионов $K^+$ и $SO_4^{2-}$ с водой, которое привело бы к изменению концентрации ионов $H^+$ или $OH^-$, не происходит. Поэтому среда в растворе сульфата калия нейтральная ($pH=7$).

Карбонат калия ($K_2CO_3$) — соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой кислотой (угольной кислотой, $H_2CO_3$). В водном растворе эта соль диссоциирует на ионы $K^+$ и $CO_3^{2-}$. Ион $CO_3^{2-}$ является анионом слабой кислоты и вступает в реакцию с водой (гидролизуется), связывая ионы водорода из молекул воды. Это приводит к накоплению в растворе гидроксид-ионов ($OH^-$) и созданию щелочной среды ($pH>7$). Гидролиз протекает преимущественно по первой ступени.

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (I ступень):

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

Уравнение гидролиза в молекулярном виде (I ступень):

$K_2CO_3 + H_2O \rightleftharpoons KHCO_3 + KOH$

Сульфид калия ($K_2S$) — соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой кислотой (сероводородной кислотой, $H_2S$). По аналогии с карбонатом калия, гидролиз идет по аниону ($S^{2-}$), что приводит к образованию избытка ионов $OH^-$ в растворе и созданию щелочной среды ($pH>7$).

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (I ступень):

$S^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HS^{-} + OH^{-}$

Уравнение гидролиза в молекулярном виде (I ступень):

$K_2S + H_2O \rightleftharpoons KHS + KOH$

Ответ: Раствор сульфата калия имеет нейтральную среду ($pH=7$). Растворы карбоната калия и сульфида калия имеют щелочную среду ($pH>7$). Уравнения гидролиза: для карбоната калия $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^{-} + OH^{-}$; для сульфида калия $S^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HS^{-} + OH^{-}$.

б) хлорида меди(II), нитрата меди(II), сульфата алюминия

Хлорид меди(II) ($CuCl_2$) — соль, образованная слабым основанием (гидроксидом меди(II), $Cu(OH)_2$) и сильной кислотой (соляной кислотой, $HCl$). В водном растворе диссоциирует на ионы $Cu^{2+}$ и $Cl^{-}$. Ион меди $Cu^{2+}$ является катионом слабого основания и подвергается гидролизу, взаимодействуя с водой. В результате образуются ионы водорода ($H^+$), что создает в растворе кислую среду ($pH<7$).

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (I ступень):

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

Уравнение гидролиза в молекулярном виде (I ступень):

$CuCl_2 + H_2O \rightleftharpoons Cu(OH)Cl + HCl$

Нитрат меди(II) ($Cu(NO_3)_2$) — соль, образованная слабым основанием ($Cu(OH)_2$) и сильной кислотой (азотной кислотой, $HNO_3$). Гидролиз протекает аналогично хлориду меди(II) по катиону $Cu^{2+}$. Среда раствора кислая ($pH<7$).

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (I ступень):

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

Уравнение гидролиза в молекулярном виде (I ступень):

$Cu(NO_3)_2 + H_2O \rightleftharpoons Cu(OH)NO_3 + HNO_3$

Сульфат алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) — соль, образованная слабым основанием (гидроксидом алюминия, $Al(OH)_3$) и сильной кислотой (серной кислотой, $H_2SO_4$). Гидролиз идет по катиону $Al^{3+}$, что приводит к подкислению раствора ($pH<7$).

Уравнение гидролиза в сокращенном ионном виде (I ступень):

$Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^{+}$

Уравнение гидролиза в молекулярном виде (I ступень):

$Al_2(SO_4)_3 + 2H_2O \rightleftharpoons 2Al(OH)SO_4 + H_2SO_4$

Ответ: Растворы хлорида меди(II), нитрата меди(II) и сульфата алюминия имеют кислую среду ($pH<7$). Уравнения гидролиза: $Cu^{2+} + H_2O \rightleftharpoons CuOH^{+} + H^{+}$; $Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^{+}$.

*8. Имеются три раствора солей одинаковой концентрации: $\text{Na}_2\text{CO}_3$, $\text{NaCl}$, $\text{FeCl}_3$. Расположите их в порядке увеличения pH раствора. Ответ подтвердите ионными уравнениями.

Решение

Для того чтобы расположить растворы солей в порядке увеличения их водородного показателя (pH), необходимо определить среду каждого раствора. Среда раствора соли зависит от продуктов ее гидролиза. Гидролиз — это взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к образованию слабого электролита и, как следствие, к изменению соотношения концентраций ионов $H^+$ и $OH^-$ в растворе.

Рассмотрим каждый раствор по отдельности.

$FeCl_3$ (хлорид железа(III))

Эта соль образована слабым основанием ($Fe(OH)_3$) и сильной кислотой ($HCl$). В таких случаях гидролиз протекает по катиону. При растворении в воде соль диссоциирует на ионы:

$FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$

Катион железа ($Fe^{3+}$) взаимодействует с молекулами воды, что приводит к образованию ионов водорода ($H^+$) и смещению равновесия в кислую сторону. Процесс можно описать сокращенным ионным уравнением (по первой ступени):

$Fe^{3+} + H_2O \rightleftharpoons FeOH^{2+} + H^+$

Накопление ионов $H^+$ в растворе создает кислую среду, поэтому для раствора $FeCl_3$ значение $pH < 7$.

$NaCl$ (хлорид натрия)

Эта соль образована сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($HCl$). Соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями, гидролизу не подвергаются, поскольку ни катион сильного основания ($Na^+$), ни анион сильной кислоты ($Cl^-$) не могут связать ионы $H^+$ или $OH^-$ из воды в слабый электролит.

$Na^+ + H_2O \not\rightleftharpoons$

$Cl^- + H_2O \not\rightleftharpoons$

В результате среда в растворе остается нейтральной, а концентрация ионов $H^+$ и $OH^-$ такой же, как в чистой воде. Для раствора $NaCl$ значение $pH = 7$.

$Na_2CO_3$ (карбонат натрия)

Эта соль образована сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$). В этом случае гидролиз протекает по аниону. При растворении в воде соль диссоциирует:

$Na_2CO_3 \rightarrow 2Na^+ + CO_3^{2-}$

Карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) является анионом слабой кислоты и вступает в реакцию с водой, образуя гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду. Процесс описывается сокращенным ионным уравнением (по первой ступени):

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

Накопление ионов $OH^-$ в растворе создает щелочную среду, поэтому для раствора $Na_2CO_3$ значение $pH > 7$.

Таким образом, сравнивая значения pH для трех растворов, получаем следующую зависимость:

$pH(FeCl_3) < pH(NaCl) < pH(Na_2CO_3)$

Ответ: В порядке увеличения pH растворы солей располагаются в следующем ряду: $FeCl_3$, $NaCl$, $Na_2CO_3$.

Лабораторный опыт 4. Гидролиз солей

1. К 1 мл раствора нитрата калия прилейте фиолетовый раствор лакмуса. Изменяется ли окраска? Испытайте раствор нитрата калия другими выданными вам индикаторами и запишите в тетради их окраску.

2. Проделайте аналогичный опыт с растворами карбоната калия и хлорида цинка. Какую среду имеют растворы этих солей? Напишите уравнения реакций.

3. К раствору хлорида алюминия прилейте раствор карбоната натрия. Что наблюдается? Какое вещество выделяется в виде газа, а какое выпадает в осадок? Объясните наблюдаемые явления.

1. Решение

При добавлении фиолетового раствора лакмуса к раствору нитрата калия ($KNO_3$) окраска индикатора не изменится, он останется фиолетовым. Это происходит потому, что раствор нитрата калия имеет нейтральную среду.

Нитрат калия — это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом калия $KOH$) и сильной кислотой (азотной кислотой $HNO_3$). В водном растворе эта соль полностью диссоциирует на ионы:

$KNO_3 \leftrightarrow K^+ + NO_3^-$

Ионы $K^+$ (катион сильного основания) и $NO_3^-$ (анион сильной кислоты) не взаимодействуют с молекулами воды, то есть не подвергаются гидролизу. В результате концентрация ионов водорода ($H^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$) в растворе остается такой же, как в чистой воде, и среда раствора является нейтральной ($pH \approx 7$).

Поэтому индикаторы в растворе нитрата калия будут иметь окраску, характерную для нейтральной среды:

• Лакмус – фиолетовый.
• Метиловый оранжевый (метилоранж) – оранжевый.
• Фенолфталеин – бесцветный.

Ответ: Окраска лакмуса не изменяется, так как раствор нитрата калия имеет нейтральную среду. Лакмус остается фиолетовым, метилоранж — оранжевым, фенолфталеин — бесцветным.

2. Решение

Раствор карбоната калия ($K_2CO_3$)

Карбонат калия — соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой кислотой (угольной кислотой $H_2CO_3$). В водном растворе эта соль подвергается гидролизу по аниону ($CO_3^{2-}$).

Уравнение гидролиза в ионной форме (по первой ступени):

Сокращенное ионное уравнение: $CO_3^{2-} + H_2O \leftrightarrow HCO_3^- + OH^-$

Полное ионное уравнение: $2K^+ + CO_3^{2-} + H_2O \leftrightarrow 2K^+ + HCO_3^- + OH^-$

Молекулярное уравнение: $K_2CO_3 + H_2O \leftrightarrow KHCO_3 + KOH$

В результате гидролиза в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду ($pH > 7$). Индикаторы в таком растворе изменят свой цвет: лакмус станет синим, фенолфталеин — малиновым, метилоранж — желтым.

Раствор хлорида цинка ($ZnCl_2$)

Хлорид цинка — соль, образованная слабым основанием (гидроксидом цинка $Zn(OH)_2$) и сильной кислотой (соляной кислотой $HCl$). В водном растворе эта соль подвергается гидролизу по катиону ($Zn^{2+}$).

Уравнение гидролиза в ионной форме (по первой ступени):

Сокращенное ионное уравнение: $Zn^{2+} + H_2O \leftrightarrow Zn(OH)^+ + H^+$

Полное ионное уравнение: $Zn^{2+} + 2Cl^- + H_2O \leftrightarrow Zn(OH)^+ + Cl^- + H^+ + Cl^-$

Молекулярное уравнение: $ZnCl_2 + H_2O \leftrightarrow Zn(OH)Cl + HCl$

В результате гидролиза в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), что создает кислую среду ($pH < 7$). Индикаторы в таком растворе изменят свой цвет: лакмус станет красным, метилоранж — розовым, а фенолфталеин останется бесцветным.

Ответ: Раствор карбоната калия имеет щелочную среду из-за гидролиза по аниону ($CO_3^{2-}$). Раствор хлорида цинка имеет кислую среду из-за гидролиза по катиону ($Zn^{2+}$). Уравнения реакций приведены выше.

3. Решение

При смешивании растворов хлорида алюминия ($AlCl_3$) и карбоната натрия ($Na_2CO_3$) наблюдается выпадение белого студенистого осадка и одновременное выделение бесцветного газа без запаха (вскипание). Это явление называется совместным или взаимным гидролизом.

Хлорид алюминия — соль слабого основания и сильной кислоты, ее раствор имеет кислую среду за счет гидролиза иона $Al^{3+}$. Карбонат натрия — соль сильного основания и слабой кислоты, ее раствор имеет щелочную среду за счет гидролиза иона $CO_3^{2-}$. При их смешивании гидролиз обоих ионов взаимно усиливается, так как продукты их гидролиза ($H^+$ и $OH^-$) реагируют друг с другом, смещая равновесие вправо. Процесс идет практически до конца.

В результате реакции образуется нерастворимый гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$) и неустойчивая угольная кислота ($H_2CO_3$), которая сразу разлагается на воду и углекислый газ ($CO_2$).

• Вещество, выпадающее в осадок, — гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$).
• Вещество, выделяющееся в виде газа, — диоксид углерода (углекислый газ, $CO_2$).

Уравнение реакции:

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

Полное ионное уравнение: $2Al^{3+} + 6Cl^- + 6Na^+ + 3CO_3^{2-} + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6Na^+ + 6Cl^-$

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

Ответ: Наблюдается выпадение белого студенистого осадка и выделение газа. В осадок выпадает гидроксид алюминия ($Al(OH)_3$), а в виде газа выделяется диоксид углерода ($CO_2$). Это происходит из-за совместного необратимого гидролиза ионов $Al^{3+}$ и $CO_3^{2-}$.