Страница 51 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Что называют гидролизом? Какие варианты гидролиза вы знаете?

Что называют гидролизом?

Гидролиз (от др.-греч. ὕδωр — вода и λύσις — разложение) — это химическая реакция взаимодействия вещества с водой, при которой происходит разложение этого вещества и воды с образованием новых соединений. В ходе гидролиза молекула воды ($H_2O$) распадается на ион водорода ($H^+$) и гидроксид-ион ($OH^-$), которые присоединяются к частям расщепляемого вещества. В общем виде реакцию гидролиза можно представить так:
$A-B + H-OH \rightleftharpoons A-H + B-OH$
Наиболее часто под гидролизом понимают гидролиз солей — это частный случай, представляющий собой обратимое взаимодействие ионов соли с водой, которое приводит к образованию слабого электролита (слабой кислоты или слабого основания) и, как следствие, к изменению кислотности (pH) раствора.

Ответ: Гидролиз — это реакция обменного разложения вещества с водой, в результате которой образуются новые соединения.

Какие варианты гидролиза вы знаете?

Существует несколько классификаций гидролиза. Наиболее распространенной является классификация по типу химического соединения, подвергающегося гидролизу. Выделяют следующие основные варианты:

• Гидролиз солей — взаимодействие ионов соли с водой. В зависимости от силы кислоты и основания, образующих соль, различают четыре случая:
  • Соль образована сильным основанием и слабой кислотой (например, $Na_2CO_3$, $CH_3COONa$). Гидролиз протекает по аниону (аниону слабой кислоты). В результате в растворе накапливаются ионы $OH^-$, и среда становится щелочной ($pH > 7$).
    $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$
  • Соль образована слабым основанием и сильной кислотой (например, $NH_4Cl$, $FeCl_3$). Гидролиз протекает по катиону (катиону слабого основания). В результате в растворе накапливаются ионы $H^+$, и среда становится кислой ($pH < 7$).
    $NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O + H^+$
  • Соль образована слабым основанием и слабой кислотой (например, $(NH_4)_2CO_3$, $Al_2S_3$). Гидролиз идет и по катиону, и по аниону. Реакция среды (кислая, щелочная или нейтральная) зависит от относительной силы образующихся кислоты и основания. В некоторых случаях гидролиз протекает необратимо и до конца, если один из продуктов уходит из сферы реакции (в виде газа или осадка).
    $Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$
  • Соль образована сильным основанием и сильной кислотой (например, $NaCl$, $K_2SO_4$). Такая соль гидролизу не подвергается, так как ионы, ее составляющие, не могут образовать с водой слабый электролит. Среда раствора остается нейтральной ($pH = 7$).
• Гидролиз органических соединений. Это очень большой класс реакций, включающий в себя:
  • Гидролиз сложных эфиров и жиров: приводит к образованию спирта и карбоновой кислоты (или их солей в щелочной среде).
    $CH_3COOC_2H_5 + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + C_2H_5OH$
  • Гидролиз углеводов: полисахариды (например, крахмал) и дисахариды (например, сахароза) расщепляются до моносахаридов (например, глюкозы).
    $(C_6H_{10}O_5)_n + nH_2O \xrightarrow{H^+, \text{ферменты}} nC_6H_{12}O_6$
  • Гидролиз белков и пептидов: приводит к расщеплению пептидных связей и образованию исходных аминокислот.
• Гидролиз неорганических бинарных соединений, таких как карбиды, нитриды, фосфиды, силициды.
  Например, гидролиз карбида кальция:
  $CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2 \uparrow$

Ответ: Основные варианты гидролиза классифицируются по типу гидролизуемого вещества: гидролиз солей (который, в свою очередь, делится на гидролиз по катиону, по аниону, совместный гидролиз по катиону и аниону, и отсутствие гидролиза), гидролиз органических соединений (сложных эфиров, жиров, углеводов, белков) и гидролиз бинарных неорганических соединений (карбидов, фосфидов и др.).

2. Запишите формулы некоторых солей, которым в таблице растворимости соответствуют прочерки, и уравнения реакций их гидролиза.

В таблице растворимости прочерк (—) ставится для веществ, которые при контакте с водой подвергаются полному и необратимому гидролизу. Это характерно для солей, образованных катионом слабого основания (часто это многозарядные катионы металлов, таких как $Al^{3+}$, $Fe^{3+}$, $Cr^{3+}$) и анионом слабой кислоты (например, $S^{2-}$, $CO_3^{2-}$, $SO_3^{2-}$, $SiO_3^{2-}$). При растворении таких солей в воде происходит реакция с образованием нерастворимого слабого основания и слабой кислоты, которая может быть летучей (в виде газа) или также нерастворимой.

Ниже приведены примеры таких солей и уравнения их гидролиза.

Сульфид алюминия

Формула соли — сульфид алюминия ($Al_2S_3$). Эта соль образована катионом $Al^{3+}$ (от слабого основания $Al(OH)_3$) и анионом $S^{2-}$ (от слабой кислоты $H_2S$). При взаимодействии с водой происходит полный гидролиз с образованием осадка гидроксида алюминия и выделением газа сероводорода.

Уравнение реакции полного гидролиза:

$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

Ответ: $Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$

Карбонат алюминия

Формула соли — карбонат алюминия ($Al_2(CO_3)_3$). Соль образована катионом $Al^{3+}$ (от слабого основания $Al(OH)_3$) и анионом $CO_3^{2-}$ (от слабой угольной кислоты $H_2CO_3$). Угольная кислота неустойчива и сразу разлагается на углекислый газ и воду. Поэтому гидролиз идет до конца с образованием осадка гидроксида алюминия и выделением углекислого газа.

Уравнение реакции полного гидролиза:

$Al_2(CO_3)_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3CO_2 \uparrow$

Ответ: $Al_2(CO_3)_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3CO_2 \uparrow$

Сульфит железа(III)

Формула соли — сульфит железа(III) ($Fe_2(SO_3)_3$). Соль образована катионом $Fe^{3+}$ (от слабого основания $Fe(OH)_3$) и анионом $SO_3^{2-}$ (от слабой сернистой кислоты $H_2SO_3$). Сернистая кислота, как и угольная, неустойчива и разлагается на сернистый газ и воду. Гидролиз протекает необратимо с образованием бурого осадка гидроксида железа(III) и выделением сернистого газа.

Уравнение реакции полного гидролиза:

$Fe_2(SO_3)_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3SO_2 \uparrow$

Ответ: $Fe_2(SO_3)_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3SO_2 \uparrow$

Почему в таблице растворимости против формул некоторых солей стоит прочерк, означающий, что данная соль не существует в растворе?

Прочерк в таблице растворимости напротив формул некоторых солей означает, что данное вещество не может существовать в водном растворе, так как оно подвергается полному и необратимому гидролизу.

Решение

Гидролиз — это реакция обмена между веществом и водой. В случае солей, речь идет о взаимодействии их ионов с молекулами воды. Если соль образована катионом слабого основания и анионом слабой кислоты, то в водной среде происходит её полное разложение. Этот процесс необратим, поскольку в результате реакции образуются продукты, которые уходят из сферы реакции: либо выпадают в виде осадка, либо выделяются в виде газа. Согласно принципу Ле Шателье, это смещает равновесие реакции вправо, в сторону полного расходования исходной соли.

Рассмотрим конкретные примеры:

1. Сульфид алюминия ($Al_2S_3$). Эта соль образована катионом $Al^{3+}$ (от слабого основания $Al(OH)_3$) и анионом $S^{2-}$ (от слабой кислоты $H_2S$). При контакте с водой сульфид алюминия полностью гидролизует с образованием нерастворимого гидроксида алюминия и сероводорода (газа):
$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2S \uparrow$
Поскольку оба продукта (осадок и газ) покидают раствор, обратная реакция невозможна. Следовательно, соль $Al_2S_3$ не может существовать в водном растворе.

2. Карбонат железа(III) ($Fe_2(CO_3)_3$). Эта соль образована катионом $Fe^{3+}$ (от слабого основания $Fe(OH)_3$) и анионом $CO_3^{2-}$ (от слабой и неустойчивой угольной кислоты $H_2CO_3$). Попытка получить эту соль реакцией обмена в растворе, например, между хлоридом железа(III) и карбонатом натрия, приведет к немедленному гидролизу. Образуется нерастворимый гидроксид железа(III) и угольная кислота, которая тут же разлагается на воду и углекислый газ:
$2FeCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3CO_2 \uparrow + 6NaCl$
Как и в предыдущем случае, образование осадка и газа делает процесс необратимым.

Таким образом, прочерк в таблице растворимости указывает на то, что соль не просто плохо растворима, а в принципе не может существовать в воде из-за полного химического разложения.

Ответ: Прочерк в таблице растворимости против формул некоторых солей стоит потому, что эти соли подвергаются полному и необратимому гидролизу при контакте с водой. Это происходит, когда соль образована ионами от слабого основания и слабой кислоты. В результате реакции с водой образуются нерастворимые или газообразные продукты, которые покидают сферу реакции, делая процесс разложения соли необратимым.

3. Только ли кислота и основание могут в результате обмена образовать соль?

Нет, не только кислота и основание могут в результате реакции обмена образовывать соль. Реакция между кислотой и основанием (реакция нейтрализации) — это лишь один из видов реакций ионного обмена, в результате которых образуется соль. Существуют и другие способы получения солей с помощью реакций обмена.

Вот несколько примеров таких реакций:

1. Взаимодействие кислоты и соли

Реакция обмена между кислотой и солью происходит, если в результате образуется нерастворимый осадок или выделяется газ (летучая кислота).

• Пример с образованием осадка:
  $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$
  (Серная кислота и хлорид бария образуют нерастворимую соль сульфат бария и соляную кислоту).
• Пример с выделением газа:
  $2HCl + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$
  (Соляная кислота и карбонат натрия образуют соль хлорид натрия и угольную кислоту, которая разлагается на воду и углекислый газ).

2. Взаимодействие основания и соли

Растворимое основание (щелочь) может реагировать с растворимой солью, если в результате реакции образуется нерастворимое основание или нерастворимая соль.

• Пример с образованием нерастворимого основания:
  $2NaOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
  (Гидроксид натрия и сульфат меди(II) образуют нерастворимый гидроксид меди(II) и соль сульфат натрия).

3. Взаимодействие двух солей

Две растворимые соли вступают в реакцию обмена, если в результате образуется нерастворимая соль (осадок).

• Пример:
  $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$
  (Хлорид натрия и нитрат серебра образуют нерастворимую соль хлорид серебра и растворимую соль нитрат натрия).

4. Взаимодействие основного оксида с кислотой

Основный оксид реагирует с кислотой, образуя соль и воду, что также является реакцией обмена.

• Пример:
  $CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$
  (Оксид меди(II) и азотная кислота образуют соль нитрат меди(II) и воду).

5. Взаимодействие кислотного оксида с основанием

Кислотный оксид реагирует со щелочью, образуя соль и воду.

• Пример:
  $SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$
  (Оксид серы(VI) и гидроксид калия образуют соль сульфат калия и воду).

Таким образом, существует множество реакций обмена, помимо реакции нейтрализации, которые приводят к образованию солей. Главное условие их протекания — образование в продуктах реакции осадка, газа или слабого электролита (например, воды).

Ответ: Нет, соль в результате реакции обмена может образоваться не только при взаимодействии кислоты и основания. Соли также образуются в реакциях обмена между кислотой и солью, основанием и солью, двумя солями, основным оксидом и кислотой, кислотным оксидом и основанием, при условии, что один из продуктов реакции является нерастворимым веществом, газом или водой.