Номер 5, страница 53, часть 2 - гдз по химии 9 класс учебник Оспанова, Аухадиева

5. В чем отличие гидролиза средних и кислых фосфатов?

Решение

Отличие гидролиза средних и кислых фосфатов заключается в характере процессов, протекающих в растворе, и, как следствие, в итоговой кислотности среды (pH). Фосфаты являются солями слабой трехосновной ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$).

Гидролиз средних фосфатов

Средние (или нормальные) фосфаты, например, фосфат натрия ($Na_3PO_4$), являются солями, образованными сильным основанием (NaOH) и слабой кислотой ($H_3PO_4$). При растворении в воде они полностью диссоциируют:

$Na_3PO_4 \rightarrow 3Na^+ + PO_4^{3-}$

Катион $Na^+$ образован сильным основанием и не подвергается гидролизу. Анион $PO_4^{3-}$ образован слабой кислотой и взаимодействует с водой, то есть гидролизуется. Гидролиз фосфат-иона протекает ступенчато, но в основном по первой ступени:

I ступень: $PO_4^{3-} + H_2o \leftrightarrows HPO_4^{2-} + OH^-$

II ступень: $HPO_4^{2-} + H_2o \leftrightarrows H_2PO_4^{-} + OH^-$

III ступень: $H_2PO_4^{-} + H_2o \leftrightarrows H_3PO_4 + OH^-$

Поскольку ортофосфорная кислота является очень слабой на третьей ступени диссоциации ($K_{a3} \approx 4.2 \cdot 10^{-13}$), ее сопряженное основание $PO_4^{3-}$ является относительно сильным. Поэтому гидролиз по первой ступени протекает в значительной степени, что приводит к накоплению в растворе гидроксид-ионов ($OH^-$) и созданию сильнощелочной среды (pH >> 7). Гидролиз по второй и третьей ступеням протекает в ничтожной степени и им можно пренебречь.

Гидролиз кислых фосфатов

Кислые фосфаты содержат анионы $H_2PO_4^-$ (дигидрофосфаты) и $HPO_4^{2-}$ (гидрофосфаты). Эти анионы являются амфотерными (амфипротными), то есть могут проявлять и кислотные (отдавать протон $H^+$), и основные (присоединять протон от воды, то есть гидролизоваться) свойства. Характер среды в их растворах зависит от того, какой из этих двух конкурирующих процессов преобладает.

1. Гидролиз дигидрофосфатов (на примере $NaH_2PO_4$)

В растворе дигидрофосфат-ион $H_2PO_4^-$ участвует в двух равновесиях:

- Диссоциация (как кислота): $H_2PO_4^- \leftrightarrows H^+ + HPO_4^{2-}$ (константа кислотности $K_{a2}$)

- Гидролиз (как основание): $H_2PO_4^- + H_2o \leftrightarrows H_3PO_4 + OH^-$ (константа основности $K_b = K_w / K_{a1}$)

Для определения pH нужно сравнить значения констант:

$K_{a2}(H_3PO_4) \approx 6.2 \cdot 10^{-8}$

$K_{a1}(H_3PO_4) \approx 7.5 \cdot 10^{-3}$, значит $K_b = 10^{-14} / (7.5 \cdot 10^{-3}) \approx 1.3 \cdot 10^{-12}$

Поскольку $K_{a2} > K_b$ ($6.2 \cdot 10^{-8} > 1.3 \cdot 10^{-12}$), процесс диссоциации преобладает над процессом гидролиза. В растворе накапливаются ионы $H^+$, поэтому среда будет слабокислой (pH < 7).

2. Гидролиз гидрофосфатов (на примере $Na_2HPO_4$)

В растворе гидрофосфат-ион $HPO_4^{2-}$ также участвует в двух равновесиях:

- Диссоциация (как кислота): $HPO_4^{2-} \leftrightarrows H^+ + PO_4^{3-}$ (константа кислотности $K_{a3}$)

- Гидролиз (как основание): $HPO_4^{2-} + H_2o \leftrightarrows H_2PO_4^{-} + OH^-$ (константа основности $K_b = K_w / K_{a2}$)

Сравним константы:

$K_{a3}(H_3PO_4) \approx 4.2 \cdot 10^{-13}$

$K_{a2}(H_3PO_4) \approx 6.2 \cdot 10^{-8}$, значит $K_b = 10^{-14} / (6.2 \cdot 10^{-8}) \approx 1.6 \cdot 10^{-7}$

Поскольку $K_b > K_{a3}$ ($1.6 \cdot 10^{-7} > 4.2 \cdot 10^{-13}$), процесс гидролиза преобладает над процессом диссоциации. В растворе накапливаются ионы $OH^-$, поэтому среда будет слабощелочной (pH > 7).

Таким образом, можно выделить следующие ключевые отличия:

1. Поведение аниона: В средних фосфатах анион $PO_4^{3-}$ проявляет только основные свойства (гидролизуется). В кислых фосфатах анионы $H_2PO_4^-$ и $HPO_4^{2-}$ амфотерны, то есть одновременно могут и диссоциировать (как кислоты), и гидролизоваться (как основания).

2. Процесс в растворе: Гидролиз средних фосфатов — это преимущественно один процесс (гидролиз по первой ступени). В растворах кислых фосфатов протекают два конкурирующих процесса — диссоциация и гидролиз.

3. Среда раствора (pH): Растворы средних фосфатов всегда сильнощелочные. Растворы кислых фосфатов могут быть как слабокислыми (дигидрофосфаты), так и слабощелочными (гидрофосфаты), в зависимости от того, какой из двух конкурирующих процессов преобладает.

Ответ: Основное отличие гидролиза средних и кислых фосфатов заключается в том, что анион среднего фосфата ($PO_4^{3-}$) в воде проявляет только основные свойства, вступая в реакцию гидролиза и создавая сильнощелочную среду. В то же время анионы кислых фосфатов ($H_2PO_4^-$ и $HPO_4^{2-}$) являются амфотерными, то есть в растворе они одновременно участвуют в двух конкурирующих процессах: гидролизе (с образованием $OH^-$-ионов) и диссоциации (с образованием $H^+$-ионов). Итоговая среда раствора (слабокислая или слабощелочная) зависит от соотношения констант этих двух процессов.