Растворы электролитов: ионное произведение воды, pH и гидролиз солей

Вода является амфотерным слабым электролитом и подвергается ничтожному самоионизации (автопротолизу):

H₂O + H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH⁻ (или упрощенно: H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻).

При температуре 25 °C концентрации катионов водорода и гидроксид-анионов в чистой воде равны:

[H⁺] = [OH⁻] = 1.0 · 10⁻⁷ моль/л.

Ионное произведение воды (K_w) — постоянная при данной температуре величина:

K_w = [H⁺] · [OH⁻] = 10⁻⁷ · 10⁻⁷ = 1.0 · 10⁻¹⁴ (при 25 °C).

Датский химик Сёренсен в 1909 году предложил водородный показатель (pH):

• Нейтральная среда: [H⁺] = 10⁻⁷ М -> pH = 7.0;

• Кислая среда: [H⁺] > 10⁻⁷ М -> pH < 7.0 (для 0.01 М HCl: pH = -lg(10⁻²) = 2.0);

• Щелочная среда: [H⁺] < 10⁻⁷ М ([OH⁻] > 10⁻⁷) -> pH > 7.0 (для 0.01 М NaOH: pOH = 2 -> pH = 12.0).

Гидролиз солей — это взаимодействие ионов соли с молекулами воды, приводящее к образованию слабого электролита и изменению кислотности среды (pH ≠ 7).

Гидролизу подвергаются соли, содержащие ион слабого электролита (катион слабого основания или анион слабой кислоты). В зависимости от природы катиона и аниона различают 4 случая:

1. Соль слабого основания и сильной кислоты (NH₄Cl, CuCl₂, FeSO₄, Al(NO₃)₃):

Гидролиз идет по катиону. В растворе накапливаются ионы H⁺ -> среда кислая (pH < 7):

NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺ (лакмус красный).

2. Соль сильного основания и слабой кислоты (CH₃COONa, Na₂CO₃, K₂S, K₃PO₄):

Гидролиз идет по аниону. В растворе накапливаются ионы OH⁻ -> среда щелочная (pH > 7):

CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻ (фенолфталеин розовый).

3. Соль слабого основания и слабой кислоты (CH₃COONH₄, (NH₄)₂CO₃):

Гидролиз идет и по катиону, и по аниону. Среда близка к нейтральной (pH зависит от соотношения Ka и Kb).

4. Соль сильного основания и сильной кислоты (NaCl, KNO₃, BaCl₂, Na₂SO₄):

ГИДРОЛИЗУ НЕ ПОДВЕРГАЕТСЯ! Среда строго нейтральная (pH = 7.0).

Гидролиз большинства солей в обычных условиях является обратимым процессом, протекающим в незначительной степени (h обычно составляет доли процента).

Степень гидролиза h — это отношение числа гидролизованных формульных единиц соли к их общему числу в растворе:

h = c_{гидролиз} / c_общ.

Степень гидролиза соли сильного основания и слабой кислоты связана с константой гидролиза формулой Оствальда: h = √(Kh / c_соли).

Факторы, смещающие равновесие гидролиза:

1. Температура: гидролиз — эндотермический процесс (обратный экзотермической нейтрализации: ΔH > 0), поэтому НАГРЕВАНИЕ РЕЗКО УСИЛИВАЕТ ГИДРОЛИЗ;

2. Разбавление водой: добавление воды снижает концентрацию c_соли, что согласно закону разбавления увеличивает степень гидролиза h;

3. Изменение кислотности: добавление кислоты подавляет гидролиз по катиону и усиливает гидролиз по аниону; добавление щелочи действует противоположно.

Пошаговый анализ катиона и аниона соли:

Любимый вопрос ЕНТ повышенной сложности:

«Что образуется при сливании растворов хлорида алюминия AlCl₃ и сульфида натрия Na₂S?»

Ловушка:

Ученики пишут реакцию обмена: 2AlCl₃ + 3Na₂S → Al₂S₃↓ + 6NaCl.

В таблице растворимости у Al₂S₃ стоит прочерк «—» (вещество разлагается водой)!

Реальность: происходит ВЗАИМНОЕ УСИЛЕНИЕ ГИДРОЛИЗА ДО КОНЦА (необратимый гидролиз) с участием воды:

2AlCl₃ + 3Na₂S + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓(белый осадок) + 3H₂S↑(газ) + 6NaCl!

Вместо сульфида алюминия выпадает гидроксид алюминия и выделяется сероводород!