Гидролиз

ГидролизГидролиз — в общем случае — обменная реакция между веществом и водой, приводящая к разложению исходного вещества.

Вода — не только универсальный растворитель, но и химически активное вещество, она легко вступает в реакции с различными веществами, как ионными, так и ковалентными. Так, нельзя получить водных растворов галогенидов фосфора, серы, брома и других соединений. Эти вещества необратимо гидролизуются с образованием двух кислот. При этом степени окисления атомов в исходных ковалентных соединениях не изменяются.

PCl3 + 3H2O = H3PO3 + 3HCl

PBr5 + 4H2O = H3PO4 + 5HBr

SF4 + 3H2O = H2SO3 + 4HF

BF3 + 3H2O = H3BO3 + 3HF

Гидролизу подвергаются многие органические вещества, например, производные карбоновых кислот (амиды, ангидриды, галогенангидриды), сложные эфиры, жиры, некоторые углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и др.

Высокая химическая активность воды — причина того, что нельзя приготовить водных растворов гидридов, нитридов, карбидов активных металлов, во всех случаях протекает необратимый гидролиз.

Например, при действии воды на гидрид кальция образуется основание — гидроксид кальция и выделяется водород:

CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + H2?

При гидролизе нитрида кальция образуется гидроксид кальция и выделяется аммиак:

Ca3N2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2NH3?

При гидролизе карбида (ацетиленида) кальция образуется гидроксид кальция и выделяется газообразный углеводород — ацетилен:

CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2?

При гидролизе карбида (метанида) алюминия образуется гидроксид алюминия и выделяется метан:

Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4?

Особого внимания заслуживает гидролиз солей.

Гидролиз солей — это обменная реакция соли с водой, в результате которой ионы слабого основания или слабой кислоты, входящие в состав соли, смещают равновесие диссоциации воды и соединяются с H+ или OH ионами.

В этом случае соль рассматривают как продукт реакции нейтрализации, а гидролиз соли как реакцию, обратную нейтрализации. Для прогнозирования возможности гидролиза соли надо прежде всего проанализировать ее состав: установить, какими кислотой и основанием она образована.

 

Соли, образованные сильными основаниями и сильными кислотами, гидролизу не подвергаются, в их растворах нейтральная среда, pH = 7. К таким солям относятся: NaCl, Na2SO4, KNO3 и другие.

 

Соли, образованные сильными основаниями и слабыми кислотами, подвергаются гидролизу по аниону (аниону слабой кислоты), в их растворах щелочная среда, pH > 7. К таким солям относятся: NaF, CH3COONa, K2S, K3PO4 и другие.

Например, гидролиз карбоната натрия обусловлен взаимодействием с водой карбонат аниона CO32–:

Na2CO3 + H2O  NaHCO3 + NaOH

2Na+ + CO32– + H2O  2Na+ + HCO3 + OH

CO32– + H2O  HCO3 + OH

Гидролиз солей, образованных сильными основаниями и слабыми кислотами, обратим. Равновесие гидролиза можно смещать. Согласно принципу Ле-Шателье для подавления гидролиза в данном случае следует добавить сильной щелочи (возрастет концентрация одного из продуктов реакции). Для увеличения степени гидролиза следует, наоборот, добавить кислоту, повысить температуру раствора (гидролиз — эндотермический процесс) или разбавить раствор (увеличить концентрацию исходного вещества — воды). В случае карбоната натрия такое воздействие может привести к тому, что гидролиз может пойти по второй ступени:

HCO3 + H2O  H2CO3 + OH

Соли, образованные слабыми основаниями и сильными кислотами, подвергаются гидролизу по катиону (катиону слабого основания), в их растворах кислая среда, pH < 7. К таким солям относятся: ZnCl2, Fe(NO3)3, Al2(SO4)3, SnBr2 и другие.

Например, гидролиз хлорида алюминия обусловлен взаимодействием с водой катионов алюминия Al3+:

AlCl3 + H2O  AlOHCl2 + HCl

Al3+ + 3Cl + H2O  AlOH2+ + H+ + 3Cl

Al3+ + H2O  AlOH2+ + H+

Гидролиз солей, образованных слабыми основаниями и сильными кислотами, также обратим. Равновесие гидролиза можно смещать. Согласно принципу Ле-Шателье для подавления гидролиза в данном случае следует добавить сильной кислоты (возрастет концентрация одного из продуктов реакции). Для увеличения степени гидролиза следует, наоборот,  добавить щелочи, нагреть раствор (гидролиз — эндотермический процесс) или разбавить его (увеличить концентрацию исходного вещества — воды). В случае хлорида алюминия такое воздействие может привести к тому, что гидролиз пойдет по второй ступени:

AlOH2+ + H2O  Al(OH)2+ + H+

и даже по третьей ступени:

Al(OH)2+ + H2O  Al(OH)3 + H+

Соли, образованные очень слабыми основаниями или амфотерными гидроксидами (Cr(OH)3, Al(OH)3) и слабыми кислотами (H2S, H2CO3), подвергаются гидролизу и по катиону (катиону слабого основания), и по аниону (аниону слабой кислоты). Если при этом образуется нерастворимое соединение, то гидролиз протекает «до конца», до полного разрушения соли. В таблице растворимости такие соли отмечены прочерком.

Так при внесении в воду сульфида алюминия мгновенно происходит полный необратимый гидролиз соли, в результате которого выпадает в осадок амфотерный гидроксид алюминия Al(OH)3 и выделяется газ — сероводород H2S:

Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3? + 3H2S?

Если к раствору соли, которая гидролизуется по аниону, добавить раствор соли, которая подвергается гидролизу по катиону, то будет наблюдаться совместный гидролиз. Например, при сливании растворов карбоната натрия и хлорида алюминия наблюдается выпадение осадка гидроксида алюминия и выделение углекислого газа:

3Na2CO3 + 2AlCl3 + 3H2O = 2Al(OH)3? + 3CO2? + 6NaCl

6Na+ + 3CO32– + 2Al3+ + 6Cl + 3H2O = 2Al(OH)3? + 3CO2? + 6Na+ + 6Cl

3CO32– + 2Al3+ + 3H2O = 2Al(OH)3? + 3CO2?

Нерастворимые в воде соли гидролизу практически не подвергаются.