Гидролиз солей в ЕГЭ по химии: подробное руководство с примерами.

Содержание

1. Гидролиз по катиону.     
2. Гидролиз по аниону.     
3. Гидролиз по катиону и аниону одновременно.    
4. Гидролиз кислых солей.     
5. Дополнительные замечания.     
6. Примеры решения заданий.     
 

В ЕГЭ по химии бывает несколько заданий на гидролиз солей. Во-первых, есть отдельное задание по этой теме, когда нужно определить, как гидролизуется соль или указать среду раствора соли, создающуюся после гидролиза. Во-вторых, гидролиз солей может возникнуть в задании на цепочку превращений неорганических веществ. В некоторых реакциях может образоваться соль, существование которой в водном растворе невозможно и, следовательно, нужно записать продукты ее гидролиза. В-третьих, есть задание на построение ряда растворов по увеличению или уменьшению рН. В них тоже на рН может влиять протекающий гидролиз. Наконец реакции гидролиза могут возникнуть даже в расчетной задаче.  

Прежде всего нужно понять, что такое гидролиз солей. Для начала вспомним, что представляет собой соль. Соль – это химическое соединение с ионным строением, содержащее катион и анион. В роли катиона могут выступать металлы или катион аммония NH₄⁺ (включая его органические производные), в роли аниона выступают всегда кислотные остатки. Вот примеры солей: Na₂SO₄ (катион металла Na⁺, анион кислотного остатка серной кислоты SO₄^2-), KCl (катион металла К⁺, анион кислотного остатка хлороводородной кислоты Cl^-), (NH₄)₂CO₃ (катион аммония NH₄⁺, анион кислотного остатка угольной кислоты CO₃^2-).  

Вот некоторые из таких солей и способны гидролизоваться, то есть подвергаться гидролизу. Под гидролизом мы понимаем химическое взаимодействие солей с водой, которое приводит к разложению соли и образованию новых веществ. В результате гидролиза образуются соединения, которые хуже диссоциируют на ионы, в том числе это могут быть газы и осадки. То есть это слабые электролиты. Также важно понимать, что гидролизу способны подвергаться далеко не все соли. С определения того, какие соли способны гидролизоваться, мы и начнем рассмотрение этой темы.

1. Гидролиз по катиону.

Обсуждая возможность гидролиза соли, мы должны отдельно рассматривать гидролиз по катиону и аниону. То есть соль может гидролизоваться только по катиону, только по аниону, по катиону и аниону одновременно, или не гидролизоваться вообще. Рассмотрим первый случай, когда гидролиз протекает по катиону.

Правило звучит так: для того чтобы соль гидролизовалась по катиону, необходимо, чтобы этому катиону соответствовало слабое основание. Что из этого следует? Из этого следует, что катионы металлов I и II группы главной подгруппы (кроме бериллия, а также отчасти магния) гидролизу подвергаться не будут. Действительно, соответствующие им основания являются сильными. NaOH, KOH, Ba(OH)₂ – все это щелочи, то есть сильные растворимые в воде основания. Когда мы называем основание сильным, мы имеем в виду, что процесс его диссоциации на ионы происходит полностью. Именно так мы и можем записать для примеров выше:

NaOH = Na⁺ + OH^-  
KOH = K⁺ + OH^-  
Ba(OH)₂ = Ba²⁺ + 2OH^-

Равновесие во всех трех процессах практически полностью смещено вправо, то есть в растворе мы видим катионы металлов и ионы ОН- и не видим исходных соединений в виде NaOH, KOH и Ba(OH)₂. Именно это и означает, что основания являются сильными. Так вот соли с катионами Na⁺, K⁺, Ba²⁺ (и другими металлами I и II группы главной подгруппы кроме бериллия и отчасти магния) не гидролизуются. Соли с катионами Be²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, переходными d-металлами (Cu²⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Zn²⁺), а также NH₄⁺ гидролизуются.  

Как мы уже говорили, гидролиз – это взаимодействие с водой. Значит, если протекает гидролиз по катиону, то этот катион как-то взаимодействует с водой. Именно это и происходит: катион вступает в реакцию с водой, в результате чего металл связывается в гидроксид и выделяются катионы Н⁺. Нужно понимать, что это многоступенчатый и равновесный процесс. Для катиона Al³⁺, учитывая его трехзарядность, мы будем наблюдать три стадии:

Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺ (I стадия)  
Al(OH)²⁺ + H₂O = Al(OH)₂⁺ + H⁺ (II стадия)  
Al(OH)₂⁺ + H₂O = Al(OH)₃ + H⁺ (III стадия)  
Al³⁺ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3H⁺ (суммарный процесс)

Эти три процесса характеризуются разным положением равновесия и, строго говоря, в растворе мы можем одновременно увидеть ионы Al³⁺, Al(OH)²⁺, Al(OH)₂⁺ и осадок гидроксида Al(OH)₃. Но в рамках ЕГЭ требуется писать суммарный процесс. Поэтому если в задании экзамена будет подразумеваться гидролиз, для алюминия в качестве его продукта мы запишем гидроксид Al(OH)₃.  

Что касается катиона аммония NH₄⁺, то ему тоже соответствует слабое основание, а именно аммиак NH₃. Следовательно, катион аммония тоже подвергается гидролизу. Процесс можно описать уравнением:

NH₄⁺ + H₂O = NH₃∙H₂O + H⁺

Отсутствие гидролиза для катиона, которому соответствует сильное основание, означает, что процесс взаимодействия с водой не идет. Например:

Na⁺ + H₂O = NaOH + H⁺ (не идет)  
K⁺ + H₂O = KOH + H⁺ (не идет)  
Ba²⁺ + 2H₂O = Ba(OH)₂ + 2H⁺ (не идет)

Если гидролиз протекает только по катиону, то выделяющиеся ионы Н⁺ создают кислую среду раствора. Иногда в экзамене как раз требуется определить среду раствора после гидролиза.

В школьном курсе это не изучается, но тем не менее следует сказать, что гидролиз – это не «черно-белый» процесс, который либо протекает, либо нет. Он может протекать в разной степени. Некоторые катионы гидролизуются лучше, чем другие, и для оценки таких процессов используются количественные характеристики. Можно сказать так: гидролиз по катиону протекает тем лучше, чем слабее соответствующее ему основание. Поэтому NH₄⁺ гидролизуется хуже, чем Al³⁺, а тот в свою очередь гидролизуется хуже, чем Fe³⁺. Это связано с тем, что NH₃ дает больше ионов ОН^- в воде, чем Al(OH)₃ и Fe(OH)₃, то есть является более сильным основанием.

2. Гидролиз по аниону.

Для того чтобы определить, будет ли протекать гидролиз по аниону, нужно посмотреть на природу этого аниона, вернее, на природу соответствующей ему кислоты. Правило звучит так: гидролизу подвергается только такой анион, которому соответствует слабая кислота. Если ему соответствует сильная кислота, то гидролиз не происходит. 

Сильные кислоты – это такие, которые хорошо диссоциируют на ионы. Например, серная H₂SO₄, бромоводородная HBr или хлорная HClO₄. Их диссоциация протекает хорошо:

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-  
HBr = H⁺ + Br^-  
HClO₄ = H⁺ + ClO₄^-

То есть в растворе мы видим ионы Н+ и кислотных остатков и не видим молекул исходных кислот. Это и означает, что кислоты сильные, а их кислотные остатки-анионы не гидролизуются.

Самых распространенных слабых кислот, чьи анионы гидролизуются, в экзамене не так много. Это сероводородная кислота H₂S, угольная кислота H₂CO₃ и сернистая кислота H₂SO₃. Фосфорная кислота H₃PO₄ является кислотой средней силы, но ее соли тоже гидролизуются. Упомянем также еще три слабые кислоты – кремниевую H₂SiO₃, хлорноватистую HClO и азотистую HNO₂, они в ЕГЭ бывают существенно реже. В категорию слабых кислот также можно добавить органические карбоновые кислоты – муравьиную HCOOH, уксусную CH₃COOH, пропионовую CH₃CH₂COOH. Все эти кислоты плохо распадаются на ионы. Процессы, указанные ниже, идут, но равновесие сильно смещено влево, то есть кислоты в растворах преимущественно пребывают в виде не распавшихся на ионы молекул:

H₂S = 2H⁺ + S^2- (процесс идет плохо)  
HNO₂ = H⁺ + NO₂^- (процесс идет плохо)

Гидролиз по аниону подразумевает взаимодействие аниона с водой. В результате этого процесса образуется слабая, то есть слабодиссоциирующая кислота и выделяются ионы ОН^-. В случае карбонатов CO₃^2- и сульфитов SO₃^2- образуются газы CO₂ и SO₂, потому что соответствующие кислоты неустойчивы и разлагаются. Например:

S^2- + 2H₂O = H₂S + 2OH^-  
CO₃^2- + H₂O = CO₂ + 2OH_^-  
SO₃^2- + H₂O = SO₂ + 2OH^-

Здесь для двухзарядных анионов CO₃^2- и SO₃^2- мы записали суммарный процесс, но на самом деле он протекает ступенчато:

CO₃^2- + H₂O = HCO₃^- + OH^- (I ступень)  
HCO₃^- (+ H₂O) = CO₂ + OH^- (II ступень)

На каждой ступени анион «хватает» катион водорода Н⁺, в результате чего образуется слабодиссоциирующий ион, кислота или вообще недиссоциирующий газ. В нашем примере продукт первой ступени гидролиза HCO₃^- диссоциирует плохо, а продукт второй ступени СО₂ не диссоциирует вообще.

В случае анионов, которым соответствуют сильные кислоты, процесс гидролиза не идет:

SO₄^2- + 2H₂O = H₂SO₄ + 2OH^- (не идет)  
NO₃^- + H₂O = HNO₃ + OH^- (не идет)

Вернее говоря, в этих двух процессах равновесие полностью смещено влево, то есть в сторону исходных реагентов. Иными словами, кислоты H₂SO₄ и HNO₃ в молекулярной форме попросту не образуются.

В результате гидролиза по аниону выделяются ионы ОН^-, то есть среда приобретает щелочной характер.

Для анионов тоже характерна разная степень гидролиза. То есть это тоже процесс, который можно описывать количественно. Правило звучит так: гидролиз по аниону протекает тем лучше, чем слабее соответствующая ему кислота. Поэтому F^- гидролизуется хуже, чем CO₃^2-, который в свою очередь гидролизуется хуже, чем SiO₃^2-. Это связано с тем, что HF как кислота сильнее, чем H₂CO₃, а H₂CO₃ сильнее, чем H₂SiO₃.  

3. Гидролиз по катиону и аниону одновременно.

Совершенно очевидно, что есть в соли катиону соответствует слабое основание, а аниону слабая кислота, то гидролиз будет протекает одновременно и по катиону, и по аниону. Именно в таких случаях в ЕГЭ обычно и требуется записать уравнение гидролиза. Запишем такое уравнение на примере Al₂S₃.

Гидролиз по катиону:  
Al³⁺ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3H⁺  
Гидролиз по аниону:  
S^2- + 2H₂O = H₂S + 2OH^-  
И суммарное уравнение, учитывая, что H_⁺ + OH^- = H₂O  
Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑

Здесь важно отметить следующий момент. Если в реакции ионного обмена образуется соль типа Al₂S₃, которая гидролизуется по катиону и по аниону, в продуктах мы записываем не ее, а продукты ее гидролиза. Например:

2Al(NO₃)₃ + 3Na₂S = Al₂S₃ + 6NaNO₃ (неверно)  
2Al(NO₃)₃ + 3Na₂S + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S + 6NaNO₃ (верно)

Можно запомнить также, что из-за гидролиза некоторые металлы, чьи гидроксиды нерастворимы, например, Al, Fe, Cr, часто не образуют водных растворов сульфидов, сульфитов и карбонатов. В этом случае гидролиз не просто протекает, он еще является необратимым. Приведем еще пару примеров, где мы должны записать не сами соли, а продукты их гидролиза:

Fe₂(SO₄)₃ + 3Na₂CO₃ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3CO₂ + 3Na₂SO₄  
2Cr(NO₃)₃ + 3K₂SO₃ + 6H₂O = 2Cr(OH)₃ + SO₂ + 6KNO₃

Возникает вопрос: какой будет среда раствора, если соль претерпевает гидролиз одновременно по катиону и аниону? Некоторые источники утверждают, что среда будет нейтральной, потому что ионы Н⁺ вследствие гидролиза по катиону будет компенсироваться ионами ОН^- вследствие гидролиза по аниону. Тем не менее так утверждать все же нельзя. Кислотность среды будет зависеть от соотношения так называемых констант кислотности и основности образующихся после гидролиза соединений. Эти константы позволяют количественно описать, насколько хорошо кислота отдает ион Н⁺ и насколько хорошо основание отдает ион ОН^-. Понятно, что кислота может отдавать ион Н⁺ чуть лучше, чем основание отдает ион ОН^-, и наоборот. Поэтому, строго говоря, нейтральной среда не будет. Но эта тема находится за пределами школьного курса. Скажем только, что в ЕГЭ вообще не спрашивают про кислотность среды в случае одновременного гидролиза по катиону и аниону. Именно потому, что каждый случай нужно рассматривать отдельно, используя справочные количественные характеристики.

4. Гидролиз кислых солей.

Иногда экзамене в заданиях на гидролиз попадаются гидросульфиды, гидросульфиты, гидрокарбонаты, гидросульфаты и пр., в общем кислые соли. Если кислая соль образована слабой кислотой, то саму эту кислую соль можно считать продуктом гидролиза средней соли по первой ступени. Тогда для гидролиза кислой соли останется доступной вторая ступень, как в примерах ниже:

HS^- + H₂O = H₂S + OH^-  
HCO₃^- (+ H₂O) = CO₂ + OH^-

В этих случаях среда после гидролиза кислой соли по-прежнему будет щелочной.  

В случае гидросульфита ситуация, однако, иная. Сернистая кислота гораздо сильнее, чем, скажем, угольная, поэтому мы должны рассмотреть два конкурирующих процесса. Либо гидросульфит гидролизуется (процесс 1), либо он продолжает диссоциировать (процесс 2):

HSO₃^- (+ H₂O) = SO₂ + OH^- (процесс 1 – гидролиз)  
HSO₃^- = H⁺ + SO₃^2- (процесс 2 – диссоциация)

Если посмотреть количественные характеристики в справочнике, то станет понятно, что процесс 2 доминирует. То есть ионов Н⁺ в процессе 2 образуется больше, чем образуется ионов ОН^- в процессе 1. Поэтому среда растворов гидросульфитов будет кислая.

Также необходимо рассмотреть кислые соли фосфорной кислоты. Если взять гидрофосфат, то этот анион может участвовать в двух процессах:

HPO₄^2- + H₂O = H₂PO₄^- + OH^- (процесс 1 – гидролиз)  
HPO₄^2- = H⁺ + PO₄^3- (процесс 2 – диссоциация)

В данном случае доминирует процесс 1, то есть гидролиз. Это означает, что среда растворов гидрофосфатов будет щелочной. Однако все иначе в случае дигидрофосфатов. Здесь также возможны два процесса:

H₂PO₄^- + H₂O = H₃PO₄ + OH^- (процесс 1 – гидролиз)  
H₂PO₄^- = H⁺ + HPO₄^2- (процесс 2 – диссоциация)

Здесь доминирует процесс 2, то есть диссоциация. Среда растворов дигидрофосфатов будет кислая.

Наконец еще есть гидросульфаты. Здесь все однозначно, это кислотный остаток сильной кислоты, который не будет гидролизоваться, но будет диссоциировать по второй ступени:

HSO₄^- = H⁺ + SO₄^2-

Среда будет кислой.

Все вышесказанное про среду растворов кислых солей можно кратко показать в таблице ниже.

Отметим также, что среда раствора в таблице указана для случаев, когда катионом выступает металл сильного основания, то есть когда среда раствора определяется исключительно гидролизом по аниону.

5. Дополнительные замечания.

Если соль гидролизуется только по катиону или аниону, мы все равно записываем ее формулу в растворе так, как если бы гидролиза не было: NaNO₂, Al₂(SO₄)₃, CrCl₃ и др. На самом деле гидролиз протекает, просто это равновесный процесс. Если гидролиз протекает и по катиону, и по аниону, то очень часто такие соли просто не могут существовать в растворе, поэтому их формулы в водном растворе писать нельзя. То есть нельзя писать Al₂S₃, Cr₂(SO₃)₃, Fe₂(CO₃)₃, если речь о растворах.  

Если соль нерастворима в воде, то гидролиз не протекает. Гидролиз – это взаимодействие катионов и анионов с водой, соответственно, если соль нерастворима, то диссоциация сведена к минимуму и ионы в растворе не образуются, значит, и гидролизоваться просто нечему. Поэтому соль Fe₂S₃, будучи нерастворимой, не гидролизуется даже несмотря на то, что катиону Fe³⁺ соответствует слабое основание Fe(OH)₃, а аниону S^2- - слабая кислота H₂S.  

Некоторые соли существуют в несколько ином в виде вследствие гидролиза. Например, по реакции ионного обмена в водном растворе нельзя получить карбонат меди CuCO₃. Получить можно только основный карбонат состава (CuOH)₂CO₃, то есть продукт частичного гидролиза по катиону.

Cu(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = CuCO₃ + 2NaNO₃ (неверно)  
2Cu(NO₃)₂ + 2Na₂CO₃ + H₂O = (CuOH)₂CO₃↓ + 4NaNO₃ + CO₂↑ (верно)

Второй пример – это фосфат аммония, который не существует в водной среде в виде средней соли (NH₄)₃PO₄ и всегда гидролизуется до гидрофосфата (NH₄)₂HPO₄ или дигидрофосфата NH₄H₂PO₄.

Некоторые соли усиленно гидролизуются только при нагревании, например, сульфиды щелочноземельных металлов.

BaS + 2H₂O = Ba(OH)₂ + H₂S↑

Эта реакция, включая гидролиз по второй ступени, протекает при кипячении раствора. В просто горячем растворе возможен гидролиз по первой ступени:

2BaS + 2H₂O = Ba(HS)₂ + Ba(OH)₂

Из этого следует важный вывод: гидролиз ускоряется при повышенной температуре. Также нужно сказать, что чем выше концентрация воды, тем гидролиз также благоприятнее. Поэтому когда гидролиз нежелателен, раствор нужно охлаждать и не разбавлять водой. В более концентрированных растворах солей гидролиз протекает слабее.

Иногда гидролиз наоборот полезен. Например, при очистке воды от солей Fe²⁺, эти ионы окисляют до Fe³⁺, потому что их потом легче осадить в виде Fe(OH)₃ в результате гидролиза. И действительно, Fe(OH)₂ является более сильным основанием, чем Fe(OH)₃, то есть лучше отдает ионы OH^-, а значит, и гидролизуется хуже.

6. Примеры решения заданий.

В этом разделе мы разберем типовые задания ЕГЭ по химии, в которых прямо или косвенно возникает гидролиз.

Задание 1.

Установите соответствие между солью и характером ее гидролиза: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой  
 

Решение.

Первая соль у нас сульфат калия. Катиону K⁺ в ней соответствует сильное основание KOH, а сульфат-аниону SO₄^2- - сильная кислота H₂SO₄. Следовательно, гидролизу такая соль не подвергается. Вторая соль образована катионом Na⁺ и карбонат-анионом CO₃^2-. Катиону соответствует сильное основание NaOH, а аниону – слабая угольная кислота H₂CO₃. Значит, гидролиз протекает только по аниону. Далее хлорид алюминия AlCl₃. Здесь катиону Al³⁺ соответствует слабое основание Al(OH)₃, а аниону Cl^- - сильная кислота HCl. Следовательно, гидролиз будет протекает только по катиону. Наконец последняя соль гидрокарбонат аммония NH₄HCO₃. Катиону NH₄⁺ соответствует слабое основание NH₃, а аниону HCO₃^- - снова слабая угольная кислота. Из этого следует, что соль будет гидролизоваться и по катиону, и по аниону.

Задание 2.

Установите соответствие между солью и характером среды ее водного раствора: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.  
 

Решение.

Хлорид цезия CsCl образован сильным основанием CsOH и сильной кислотой HCl, следовательно, он не подвергается гидролизу и среда будет нейтральной. Нитрат алюминия Al(NO₃)₃ образован слабым основанием Al(OH)₃ и сильной кислотой HNO₃, значит, гидролиз будет протекать по катиону и среда будет кислой. Далее BaS будет гидролизоваться только по аниону, потому что катиону Ba²⁺ соответствует сильное основание Ba(OH)₂, а аниону S^2- соответствует слабая кислота H₂S. В таком случае среда будет основной. Наконец последняя соль Li₂SO₄ тоже не гидролизуется, потому что LiOH сильное основание, а H₂SO₄ сильная кислота. Среда будет нейтральной. 

Отметим еще раз, что в ЕГЭ вряд ли будет задание на определение среды раствора в случае одновременного гидролиза и по катиону, и по аниону, потому что в этом случае нужно пользоваться справочной информацией о силе кислот и оснований, образующихся в результате гидролиза.

Задание 3.

Для веществ, приведенных в перечне, определите характер среды их водных растворов.

1) Ca(CH₃COO)₂  
2) KClO₃  
3) Ba(OH)₂  
4) Al₂(SO₄)₃

Запишите номера веществ в порядке возрастания значения рН их водных растворов.

Решение.

Чтобы понять среду растворов веществ в этой задаче, нужно как раз проанализировать гидролиз. Ацетат кальция Ca(CH₃COO)₂ будет гидролизоваться только по аниону, потому что ему соответствует слабая уксусная кислота CH₃COOH. Ca(OH)₂ сильное основание, поэтому по катиону гидролиза не будет и мы в результате получим основную среду раствора. Далее хлорат калия KClO₃ не гидролизуется вообще, потому что KOH сильное основание, а HClO₃ сильная кислота. Среда будет нейтральной. Следующим идет Ba(OH)₂, это щелочь, которая дает сильную основную среду, гораздо более сильную, чем та, которая получается в результате гидролиза ацетата кальция. Наконец сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ гидролизуется только по катиону, потому что Al(OH)₃ слабое основание, а H₂SO₄ сильная кислота. Среда будет кислой. Растворы нужно расставить в порядке роста рН, то есть от самой кислой среды к самой щелочной.

Тогда получим ответ: 4,2,1,3.

Задание 4.

Иногда гидролиз появляется в цепочке неорганических превращений. Например, в такой как ниже.

Хром прореагировал с хлором. Полученное соединение в водном растворе вступило в реакцию с карбонатом натрия. Полученный осадок отделили и прокалили. Твердый остаток сплавили с твердым гидроксидом натрия. Запишите уравнение четырех описанных реакций.

Решение.

Первая реакция – это типичный случай взаимодействия металла и неметалла с образованием соли.

2Cr + 3Cl₂ = 2CrCl₃

А вот далее по реакции ионного обмена должен получиться карбонат хрома(III), который записывать нельзя как раз потому, что он необратимо гидролизуется в водном растворе. Мы обязаны записывать продукты гидролиза, то есть гидроксид хрома(III) и углекислый газ.

2CrCl₃ + 3Na₂CO₃ + 6H₂O = 2Cr(OH)₃ + 3CO₂ + 6NaCl

Вот именно так и может встретиться гидролиз в цепочке превращений неорганических веществ. Осталось записать две реакции.

2Cr(OH)₃ = Cr₂O₃ + 3H₂O  
Cr₂O₃ + 2NaOH = 2NaCrO₂ + H₂O