Как написать гидролиз соли: уравнения по шагам

Дано: соли $\text{Na}_2\text{CO}_3$, $\text{AlCl}_3$ и $\text{NaCl}$; раствор карбоната натрия с концентрацией $C = 0{,}1$ моль/л; $K_{a2}(\text{H}_2\text{CO}_3) = 4{,}8 \cdot 10^{-11}$, $K_w = 10^{-14}$ при 25 °C. Найти: тип гидролиза каждой соли, уравнения первой ступени в трёх формах записи, среду и pH раствора карбоната натрия.

Порядок действий один для любой соли: мысленно разложить её на кислоту и основание, найти среди ионов слабый и записать реакцию именно этого иона с водой. Ответ: карбонат натрия гидролизуется по аниону, среда щелочная, pH ≈ 11,66; хлорид алюминия по катиону, среда кислая, pH ≈ 3,07; хлорид натрия гидролизу не подвергается, pH = 7. Калькулятор сверху пересчитает константу гидролиза, степень гидролиза и pH под любую из пяти солей и любую концентрацию.

Решение по шагам

Шаг 1. Разложить соль на кислоту и основание. Формально соль получена реакцией нейтрализации: катион пришёл от основания, анион от кислоты. Выписываем эту пару и оцениваем силу каждого участника.

Шаг 2. Карбонат натрия: сокращённое ионное уравнение. Гидролизуется только слабый ион, поэтому начинаем с него. Карбонат-ион отрывает от воды протон и оставляет в растворе избыток гидроксид-ионов:

$$\text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^{-} + \text{OH}^{-}$$

Шаг 3. Полная ионная и молекулярная формы. Дописываем ионы-зрители, то есть катионы натрия, которые в реакции не участвуют:

$$2\text{Na}^{+} + \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons 2\text{Na}^{+} + \text{HCO}_3^{-} + \text{OH}^{-}$$

Собираем ионы обратно в формулы веществ и получаем молекулярное уравнение первой ступени:

$$\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NaHCO}_3 + \text{NaOH}$$

Продукты первой ступени по аниону всегда такие: кислая соль и щёлочь. Свойства получившегося гидрокарбоната разобраны в статье про кислые соли.

Шаг 4. Хлорид алюминия: гидролиз по катиону. Здесь слабый ион, наоборот, катион. Гидратированный ион алюминия отдаёт протон воде, и раствор подкисляется:

$$\text{Al}^{3+} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{AlOH}^{2+} + \text{H}^{+}$$ $$\text{Al}^{3+} + 3\text{Cl}^{-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{AlOH}^{2+} + 2\text{Cl}^{-} + \text{H}^{+} + \text{Cl}^{-}$$ $$\text{AlCl}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{AlOHCl}_2 + \text{HCl}$$

Продукты первой ступени по катиону зеркальны предыдущему случаю: основная соль и кислота.

Шаг 5. Хлорид натрия. Оба иона происходят от сильных электролитов, связывать воду им нечем. Ни $\text{Na}^{+}$, ни $\text{Cl}^{-}$ не образуют с водой слабого соединения, равновесие её диссоциации не смещается. Уравнения гидролиза не существует, в ответе так и пишут: гидролизу не подвергается, среда нейтральная.

Шаг 6. pH раствора карбоната натрия. Считаем по первой ступени, вторая практически подавлена. Константа гидролиза равна ионному произведению воды, делённому на константу диссоциации той кислоты, чей анион гидролизуется, то есть на вторую константу угольной кислоты:

$$K_h = \frac{K_w}{K_{a2}} = \frac{10^{-14}}{4{,}8 \cdot 10^{-11}} = 2{,}08 \cdot 10^{-4}$$

Степень гидролиза при малых значениях находится по корню из отношения константы к концентрации:

$$h = \sqrt{\frac{K_h}{C}} = \sqrt{\frac{2{,}08 \cdot 10^{-4}}{0{,}1}} = 4{,}56 \cdot 10^{-2}$$

Гидролизовано 4,56 % карбоната, и столько же образовалось гидроксид-ионов:

$$[\text{OH}^{-}] = h \cdot C = 4{,}56 \cdot 10^{-2} \cdot 0{,}1 = 4{,}56 \cdot 10^{-3} \text{ моль/л}$$ $$\text{pOH} = -\lg(4{,}56 \cdot 10^{-3}) = 2{,}34, \qquad \text{pH} = 14 - 2{,}34 = 11{,}66$$

Ответ. Карбонат натрия гидролизуется по аниону, $K_h = 2{,}08 \cdot 10^{-4}$, $h = 4{,}56\ \%$, pH ≈ 11,66, среда щелочная; хлорид алюминия гидролизуется по катиону, pH ≈ 3,07, среда кислая; хлорид натрия гидролизу не подвергается, pH = 7.

Как определить тип гидролиза по силе кислоты и основания

Всё решает одна таблица из четырёх строк, и её достаточно выучить один раз. Соль сильного основания и слабой кислоты гидролизуется по аниону, среда щелочная. Соль слабого основания и сильной кислоты гидролизуется по катиону, среда кислая. Соль слабого основания и слабой кислоты гидролизуется по обоим ионам сразу, а среда зависит от того, какой из электролитов слабее. Соль сильного основания и сильной кислоты не гидролизуется вовсе.

Сильных кислот всего несколько, и проще запомнить именно их: HCl, HBr, HI, HNO3, H2SO4, HClO4, HMnO4. Всё остальное считается слабым, включая угольную, сернистую, сероводородную, фосфорную, кремниевую, уксусную и синильную. Сильные основания это щёлочи, то есть гидроксиды щелочных металлов, а также гидроксиды кальция, стронция и бария. Гидроксиды всех прочих металлов и гидрат аммиака слабые.

Отдельный случай: если слабы оба иона и один из продуктов уходит из раствора осадком или газом, равновесие смещается вправо до конца. Такой гидролиз называют полным или необратимым, стрелку в уравнении ставят одностороннюю. Классический пример получают сливанием растворов сульфата алюминия и карбоната натрия:

$$2\text{Al}^{3+} + 3\text{CO}_3^{2-} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Al(OH)}_3 \downarrow + 3\text{CO}_2 \uparrow$$

Именно поэтому в таблице растворимости у карбоната алюминия стоит прочерк: вещество не существует в водном растворе.

Три формы записи и что проверять в каждой

Молекулярная форма показывает вещества целиком и удобна для подсчёта коэффициентов. Полная ионная расписывает на ионы всё, что сильное и растворимое: соли, щёлочи и сильные кислоты. В виде молекул остаются вода, слабые электролиты, газы и осадки, и это ровно те же правила, что и для обычных реакций ионного обмена. Сокращённая форма получается вычёркиванием ионов-зрителей и показывает суть процесса.

Проверять готовое уравнение стоит по двум признакам сразу. Первый признак это баланс атомов, второй, о котором забывают чаще, баланс суммарного заряда левой и правой частей. В нашей первой ступени слева заряд равен $-2$, справа $-1 + (-1) = -2$: сходится. Если заряды не сошлись, где-то потерян ион или неверно записан продукт.

Ещё один контроль здравого смысла: в сокращённом уравнении гидролиза всегда есть молекула воды слева и всегда есть $\text{OH}^{-}$ или $\text{H}^{+}$ справа. Если ни того, ни другого нет, записана не реакция гидролиза, а что-то другое.

Ступени гидролиза и почему в ответе обычно одна

Многозарядные ионы гидролизуются ступенчато, по одному заряду за раз. У карбоната натрия есть и вторая ступень, где гидрокарбонат-ион даёт угольную кислоту, а у хлорида алюминия ступеней целых три, вплоть до гидроксида. Но каждая следующая ступень идёт на несколько порядков слабее предыдущей: накопившиеся гидроксид-ионы смещают равновесие влево, да и константа второй ступени в разы меньше.

Поэтому в учебной задаче, если не сказано иное, записывают только первую ступень, а pH считают по ней же. Полностью расписывать все ступени просят отдельно, и тогда для каждой пишут свои три формы. Как связаны константа гидролиза, степень и концентрация для каждой ступени, подробно разобрано в материале про расчёт константы гидролиза.

Обрати внимание на роль концентрации: чем раствор разбавленнее, тем больше степень гидролиза. Подвигай ползунок в калькуляторе сверху, и увидишь, как при разбавлении с 1 до 0,001 моль/л столбик карбоната натрия уезжает вправо. Если концентрацию в условии дали в процентах, её сначала переводят в молярную, а для этого нужна массовая доля растворённого вещества.

Частые ошибки

• Гидролизуют сильный ион. В хлориде алюминия пишут реакцию $\text{Cl}^{-}$ с водой, хотя гидролизуется только $\text{Al}^{3+}$. Правило простое: в реакцию с водой вступает ион, который может дать слабый электролит.
• Сразу записывают конечный продукт. В первой ступени из $\text{AlCl}_3$ получается $\text{AlOHCl}_2$, а не $\text{Al(OH)}_3$; гидроксид появится только после третьей ступени и только при нагревании или разбавлении.
• Ставят одностороннюю стрелку. Гидролиз обратим, знак равновесия обязателен. Одностороннюю стрелку ставят лишь при полном гидролизе, когда уходит осадок или газ.
• Путают Ka и Kb в формуле константы. Для гидролиза по аниону в знаменателе стоит константа кислоты, для гидролиза по катиону константа основания. Для многоосновной кислоты берут константу последней ступени диссоциации, у угольной это $K_{a2}$.
• Забывают про заряд при вычёркивании зрителей. Из полного ионного уравнения убирают только те ионы, которые стоят в одинаковом количестве слева и справа; частичное сокращение ломает баланс заряда.
• Считают среду по числу атомов. Среду определяет не состав соли на глаз, а сила её кислоты и основания: у Na2CO3 металл щелочной и среда щелочная, но у Na2SO4 при том же натрии среда нейтральная, потому что серная кислота сильная.

FAQ

Как понять, какая среда, не считая pH? По типу гидролиза. Гидролиз по аниону всегда даёт щелочную среду, по катиону кислую, отсутствие гидролиза нейтральную. Для соли слабой кислоты и слабого основания сравнивают Ka и Kb: у ацетата аммония они почти равны, поэтому среда близка к нейтральной.

Нужно ли писать заряды у ионов в молекулярном уравнении? Нет. В молекулярной форме вещества записываются формулами без зарядов; заряды появляются только в ионных формах и там обязательны, иначе не проверить баланс.

Почему у AlCl3 в справочнике pH около 3, а формально получилось 3,07? Расчёт по упрощённой формуле $h = \sqrt{K_h / C}$ верен, пока степень гидролиза мала, примерно до 5 %. Для хлорида алюминия она около 0,85 %, так что приближение работает и совпадает со справочным значением.

Что делать, если соль образована слабой кислотой и слабым основанием? Записывают гидролиз по обоим ионам одним уравнением, а константу считают как $K_h = K_w / (K_a \cdot K_b)$. Степень гидролиза таких солей заметно выше и почти не зависит от концентрации.

Коротко

1. Разложи соль на основание и кислоту, определи, какой из них слабый: слабый анион даёт гидролиз по аниону и щелочную среду, слабый катион по катиону и кислую, два сильных иона гидролиза не дают.
2. Запиши сокращённое ионное уравнение первой ступени: слабый ион плюс вода, справа продукт присоединения и $\text{OH}^{-}$ или $\text{H}^{+}$, стрелка равновесия.
3. Дополни ионами-зрителями до полного ионного, затем собери вещества в молекулярное. Проверь баланс атомов и суммарного заряда.
4. Посчитай $K_h = K_w / K$, затем $h = \sqrt{K_h / C}$ и концентрацию $\text{OH}^{-}$ или $\text{H}^{+}$ как $h \cdot C$, отсюда pH.
5. Для примера: $\text{Na}_2\text{CO}_3$ при 0,1 моль/л даёт $K_h = 2{,}08 \cdot 10^{-4}$, $h = 4{,}56\ \%$ и pH ≈ 11,66; $\text{AlCl}_3$ даёт pH ≈ 3,07; $\text{NaCl}$ не гидролизуется, pH = 7.