№21. Гидролиз солей и pH раствора: среда раствора и порядок веществ по pH
Задание №21 проверяет, умеешь ли ты определять среду раствора соли или гидроксида и располагать вещества в порядке возрастания или убывания pH. Секрет прост: гидролизуется только слабый ион, а сильные ионы среду не меняют. Разберём типы гидролиза, окраску индикаторов и типичные ловушки с кислыми солями и щелочами.
Гидролиз соли — это обменное взаимодействие ионов соли с водой, в результате которого образуется слабый электролит. В гидролизе участвует только тот ион, который происходит от слабого электролита: слабый катион или слабый анион. Если и катион, и анион соли взяты от сильных электролитов, соль не гидролизуется, и среда раствора остаётся нейтральной. Гидролиз обратим и не разрушает соль полностью: в растворе одновременно есть и ионы соли, и продукты гидролиза.
Среда раствора определяется тем, каких ионов больше — водорода или гидроксида. Гидролиз по катиону даёт избыток ионов H^+ и кислую среду, гидролиз по аниону даёт избыток ионов OH^− и щелочную среду. Чем слабее электролит, тем сильнее идёт гидролиз и тем заметнее отклонение pH от нейтрального значения 7.
CO3^2− + H2O ⇄ HCO3^− + OH^− (гидролиз по аниону, среда щелочная)
Cu^2+ + H2O ⇄ CuOH^+ + H^+ (гидролиз по катиону, среда кислая)
Na2CO3 + H2O ⇄ NaHCO3 + NaOH (молекулярная форма)
- Соль сильного основания и сильной кислоты (NaCl, KNO3, BaSO4, Na2SO4) не гидролизуется: среда нейтральная, pH равен 7.
- Соль слабого основания и сильной кислоты (CuSO4, FeCl3, NH4NO3, Al2(SO4)3) гидролизуется по катиону: среда кислая, pH меньше 7.
- Соль сильного основания и слабой кислоты (Na2CO3, K2S, CH3COONa, K2SiO3) гидролизуется по аниону: среда щелочная, pH больше 7.
- Соль слабого основания и слабой кислоты (CH3COONH4, (NH4)2CO3) гидролизуется и по катиону, и по аниону: среда определяется тем, какой из электролитов слабее.
- Соль слабого основания и слабой летучей кислоты (Al2S3) в водном растворе разлагается водой полностью, поэтому в таблице растворимости её нет.
- Кислая соль (NaHCO3, Na2HPO4) и её средний вариант ведут себя по-разному: у гидрокарбоната и гидрофосфата натрия преобладает гидролиз по аниону и среда слабощелочная.
| Соль | Сила основания и кислоты | Тип гидролиза | Среда раствора |
|---|---|---|---|
| NaCl, KNO3, BaSO4, Na2SO4, RbNO3 | сильное основание и сильная кислота | гидролиза нет | нейтральная, pH = 7 |
| CuSO4, FeCl3, NH4Cl, Al2(SO4)3 | слабое основание и сильная кислота | по катиону | кислая, pH меньше 7 |
| Na2CO3, K2S, CH3COONa, K2SiO3 | сильное основание и слабая кислота | по аниону | щелочная, pH больше 7 |
| CH3COONH4, (NH4)2CO3 | слабое основание и слабая кислота | и по катиону, и по аниону | близка к нейтральной, зависит от силы электролитов |
| NaHCO3, Na2HPO4 | кислая соль сильного основания и слабой кислоты | по аниону, гидролиз сильнее диссоциации | слабощелочная |
| NaHSO4 | кислая соль сильного основания и сильной кислоты | гидролиза нет, преобладает диссоциация | кислая |
| Индикатор | Кислая среда | Нейтральная среда | Щелочная среда |
|---|---|---|---|
| Лакмус | красный | фиолетовый | синий |
| Метилоранж | красный, розовый | оранжевый | жёлтый |
| Фенолфталеин | бесцветный | бесцветный | малиновый |
В задании часто встречаются не только соли, но и кислоты, щёлочи и даже оксиды. Здесь работает другая логика: сильная кислота даёт сразу много ионов H^+ и самое низкое значение pH, а растворимая щёлочь даёт сразу много ионов OH^− и самое высокое значение pH. Раствор щёлочи всегда щелочнее любой соли, гидролизующейся по аниону, а раствор сильной кислоты всегда кислее любой соли, гидролизующейся по катиону. Сравнивая две соли со щелочной средой, смотри на силу слабой кислоты: чем кислота слабее, тем сильнее гидролиз и тем выше pH. Поэтому раствор силиката калия щелочнее раствора карбоната калия, потому что кремниевая кислота слабее угольной.
- Шаг 1. Раздели каждое вещество перечня на ионы: для соли выпиши катион и анион, для кислоты и щёлочи отметь, что даёт раствор при диссоциации.
- Шаг 2. По справочным данным определи силу кислоты и основания, которыми образована соль, и найди слабый ион.
- Шаг 3. По слабому иону определи тип гидролиза и среду: слабый катион — кислая, слабый анион — щелочная, оба иона сильные — нейтральная.
- Шаг 4. Если в перечне есть кислота или щёлочь, поставь её на край ряда: у сильной кислоты самое низкое значение pH, у растворимой щёлочи самое высокое.
- Шаг 5. Сравни соли между собой по силе слабого иона: чем слабее кислота, тем сильнее щелочная среда, чем слабее основание, тем кислее среда.
- Шаг 6. Внимательно прочитай, какой порядок нужен — возрастание или убывание pH, — и проверь направление ряда ещё раз перед записью номеров.
Типичные ошибки. 1) Не замечают направление ряда: если нужно возрастание pH, ряд начинается с самой кислой среды, а не с самой щелочной. 2) Считают, что гидролизуется и сильный ион: NaCl, KNO3 и Na2SO4 не гидролизуются, их среда нейтральная. 3) Ставят раствор сильной кислоты в середину ряда: у неё самая высокая концентрация ионов H^+, значит самое низкое значение pH. 4) Приравнивают щёлочь к соли со щелочной средой: раствор NaOH или Ba(OH)2 щелочнее любого раствора, гидролизующегося по аниону. 5) Не сравнивают силу слабых электролитов: угольная кислота сильнее кремниевой, поэтому раствор карбоната калия менее щелочной, чем раствор силиката калия. 6) Забывают про кислые соли: у гидрокарбоната и гидрофосфата натрия среда слабощелочная, потому что гидролиз аниона преобладает над его диссоциацией.
Проверь себя
- Почему раствор NaCl нейтрален, а раствор Na2CO3 щелочной?
- Как изменят окраску лакмус и фенолфталеин в растворе FeCl3?
- Почему при одинаковой концентрации раствор силиката калия щелочнее раствора карбоната калия?
- Как определить среду раствора кислой соли NaHCO3 и почему здесь нельзя сразу ответить «кислая»?
- Что произойдёт со средой раствора, если смешать растворы Al2(SO4)3 и Na2CO3?
Показательные решения
- Даны гидрокарбонат натрия, сульфат магния, сульфат натрия и соляная кислота. Нужно расположить их в порядке возрастания pH, то есть от самой кислой среды к самой щелочной.
- Соляная кислота — сильный электролит, она сразу даёт много ионов H^+, поэтому её раствор самый кислый и pH у него наименьший. Это номер 4, он идёт первым.
- Сульфат магния образован слабым основанием Mg(OH)2 и сильной кислотой H2SO4, значит гидролиз идёт по катиону магния: среда слабокислая, pH чуть меньше 7. Это номер 2.
- Сульфат натрия — соль сильного основания NaOH и сильной кислоты H2SO4, она не гидролизуется, среда нейтральная, pH равен 7. Это номер 3.
- Гидрокарбонат натрия — соль сильного основания и слабой угольной кислоты. Это кислая соль, и здесь конкурируют диссоциация остатка HCO3^− и его гидролиз, но преобладает гидролиз по аниону, поэтому среда слабощелочная и pH наибольший. Это номер 1.
- Собираем ряд в порядке возрастания pH: 4, 2, 3, 1. Ответ: 4231.
Ответ: 4231
Официальное решение из банка ФИПИ
Соляная кислота будет иметь самое низкое значение pH, так как ее водный раствор имеет самую высокую концентрацию ионов H⁺ (из представленных соединений). Сульфат магния является солью, образованной слабым основанием и сильной кислотой, среда раствора будет слабокислой. Сульфат натрия образован сильным основанием и сильной кислотой, поэтому не гидролизуется и среда раствора нейтральная. Наибольшее значение pH будет иметь гидрокарбонат натрия, образованный сильным основанием и слабой кислотой (гидролиз по аниону) и дающий слабощелочную среду. Ответ: 4231.
- В перечне гидрофосфат натрия, нитрат аммония, уксусная кислота и пербромат натрия. Расположить их нужно в порядке убывания pH, то есть от самой щелочной среды к самой кислой.
- Гидрофосфат натрия Na2HPO4 — кислая соль сильного основания и слабой фосфорной кислоты. В растворе конкурируют диссоциация HPO4^2− и его гидролиз, но преобладает гидролиз по аниону, поэтому среда щелочная. Номер 1 идёт первым.
- Пербромат натрия NaBrO4 — соль сильного основания NaOH и сильной кислоты HBrO4, гидролизу не подвергается. Среда нейтральная, значит pH здесь средний по ряду. Номер 4 идёт вторым.
- Нитрат аммония NH4NO3 — соль слабого основания NH3·H2O и сильной кислоты HNO3, гидролиз идёт по катиону аммония, среда слабокислая. Номер 2 идёт третьим.
- Уксусная кислота CH3COOH диссоциирует сама, без гидролиза, и даёт ионов H^+ больше, чем соль слабого основания. Её среда самая кислая, pH наименьший, поэтому номер 3 стоит последним.
- Ряд в порядке убывания pH: 1, 4, 2, 3. Ответ: 1423.
Ответ: 1423
Официальное решение из банка ФИПИ
Гидрофосфат натрия является солью сильного основания и слабой кислоты, гидролизуется по аниону, среда щелочная. Пербромат натрия — соль сильного основания и сильной кислоты, не гидролизуется, среда нейтральная. Нитрат аммония гидролизуется по катиону (так как является солью слабого основания и сильной кислоты) и дает слабокислую среду. Уксусная кислота при диссоциации в водном растворе дает ионы H⁺, среда кислая. Ответ: 1423. Примечание: в растворе гидрофосфата натрия происходят два конкурирующих процесса, первый из которых — электролитическая диссоциация HPO₄²⁻ ⇄ H + + PO₄³⁻ — должен приводить к увеличению кислотности среды, а второй — гидролиз HPO₄²⁻ + H₂O ⇄ H₂PO₄⁻ + OH⁻ — к уменьшению кислотности. Второй процесс преобладает, что дает щелочную среду раствора.
- Нужно расположить сульфат железа (III), сульфат натрия, сульфид калия и гидроксид бария в порядке возрастания pH.
- Сульфат железа (III) Fe2(SO4)3 — соль слабого основания Fe(OH)3 и сильной кислоты H2SO4. Гидролиз идёт по катиону железа, среда кислая, pH наименьший. Номер 1 первый.
- Сульфат натрия — соль сильного основания и сильной кислоты, он не гидролизуется, среда нейтральная. Номер 2 второй.
- Сульфид калия K2S — соль сильного основания и очень слабой кислоты H2S. Гидролиз по аниону S^2− даёт щелочную среду, причём сульфид-ион гидролизуется сильно. Номер 3 третий.
- Гидроксид бария — растворимая щёлочь, она даёт ионы OH^− сразу при диссоциации, а не через гидролиз. Поэтому его раствор самый щелочной, номер 4 последний.
- Порядок возрастания pH: 1, 2, 3, 4. Ответ: 1234.
Ответ: 1234
Официальное решение из банка ФИПИ
Сульфат железа (III) — соль слабого основания и сильной кислоты, гидролизуется по катиону, реакция среды кислая. Сульфат натрия — соль, образованная сильным основанием и сильной кислотой, гидролизу не подвергается, среда нейтральная. Сульфид калия, как соль сильного основания и слабой кислоты, в водном растворе подвергается гидролизу по аниону, реакция среды слабощелочная. Гидроксид бария является сильным основанием, поэтому при диссоциации в растворе дает малое количество ионов H⁺, среда щелочная. Ответ: 1234.