Гидролиз.Роль в жизни организмов

Гидролиз соли − это взаимодействие ее ионов с водой, приводящее к появлению кислотной или щелочной среды, но не сопровождающееся образованием осадков или газов.

Уравнение гидролиза соли записывают в два этапа:

1) диссоциация соли в растворе − необратимая реакция (α = 1)
2) гидролиз иона соли (его взаимодействие с водой) − обратимая реакция (α

Этапы 1 и 2 складывать нельзя!

Отметим, что соли, образованные катионами щелочей и анионами сильных кислот гидролизу не подвергаются, они лишь диссоциируют при растворении в воде. В растворах таких солей как KCl, NaNO₃, Na₂SO₄, BaI₂ среда нейтральная.

Гидролиз солей по аниону

В случае взаимодействия аниона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по аниону:

1)KNO₂ =K⁺ +NO₂⁻ (диссоциация)
2) NO₂ + H₂O  HNO₂ + OH⁻ (гидролиз)

Диссоциация соли KNO₂ протекает полностью, а реакция гидролиза аниона NO₂⁻ в очень небольшой степени (для 0,1М раствора − на 0,0014%), однако этого оказывается достаточно, чтобы раствор стал щелочным (среди продуктов гидролиза присутствует ион OH⁻).

Гидролизу подвергаются анионы только слабых кислот (в данном примере − нитрит-ион NO₂⁻ , отвечающий слабой азотистой кислоте HNO₂). Анион слабой кислоты обладает способностью отщеплять катион водорода от молекулы воды, образуя молекулу соответствующей кислоты и оставляя в растворе гидроксид-ион OH⁻.

Степень протекания гидролиза увеличивается в ряду анионов:

F⁻, NO₂⁻, CH₃COO⁻, SO₃²⁻, ClO⁻, CN⁻, CO₃²⁻, PO₄³⁻, S²⁻, SiO₄⁴⁻.

Примеры реакций гидролиза анионов:

А)СO₃²⁻ +H₂O  HСO₃⁻ +OH⁻
б)PO₄³⁻ +H₂O  HPO₄²⁻ +OH⁻
в)S²⁻ +H₂O  HS⁻ +OH⁻
(обратите внимание, что в уравнениях обратимого гидролиза фигурирует только одна молекула воды!).

Ионы CO₃²⁻, PO₄³⁻ и S²⁻ подвергаются гидролизу в большей степени, чем NO₂⁻: в их 0,1М растворах − на 5%, 37% и 58% соответственно. Причина этого состоит в том, что сила соответствующих кислот в указанном ряду (азотистая − угольная по второй ступени − ортофосфорная по третьей ступени − сероводородная по второй ступени) убывает. Поэтому растворы солей Na₂CO₃, K₃PO₄ и BaS будут сильнощелочными (рН 7).

Таким образом, соли, образованные катионом сильного основания и анионом слабой кислоты, подвергаются гидролизу по аниону и создают в растворе щелочную среду.

Гидролиз солей по катиону

В случае взаимодействия катиона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по катиону:

1)Ni(NO₃)₂ =Ni²⁺ +2NO₃⁻ (диссоциация)
2) Ni²⁺ + H₂O  NiOH⁺ + H⁺ (гидролиз)

Диссоциация соли Ni(NO₃)₂ протекает нацело, гидролиз катиона Ni²⁺ − в очень малой степени (для 0,1М раствора − на 0,001%), но этого оказывается достаточно, чтобы среда стала кислотной (среди продуктов гидролиза присутствует ион H⁺).

Гидролизу подвергаются катионы только малорастворимых основных и амфотерных гидроксидов и катион аммония NH₄⁺. Катион металла, отщепляя от молекулы воды гидроксидный фрагмент, освобождает катион водорода H⁺ (точнее − катион оксония H₃O⁺).

В соответствии с протонной теорией гидролиз по катиону рассматривают следующим образом: диссоциация соли при водит к образованию гидратированныхкатионов и анионов. Гидратированные катионы металлов (за исключение катионов щелочей) в водном растворе обладают кислотными функциями − отдают протоны молекулам воды:

Ni²⁺ · H₂O + H₂O  NiOH⁺ + H₃O⁺

В результате раствор становится кислотным (избыток катионов оксония H₃O⁺).

Катион аммония в результате гидролиза образует слабое основание − гидрат аммиака и катион водорода (катион оксония):

NH₄⁺ + H₂O  NH₃ · H₂O + H⁺

Степень гидролиза катионов увеличивается в ряду

Ni²⁺, La³⁺, Mn²⁺, NH₄⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Pb²⁺, Al³⁺, Sc³⁺, Cr³⁺, Fe³⁺.

Другие примеры (в 0,1М растворах):

а) Zn²⁺ + H₂O  ZnOH⁺ + H⁺ (α = 0,05%)
б) Cr³⁺ + H₂O  CrOH²⁺ + H⁺ (α = 3,3%)
в) Fe³⁺ + H₂O  FeOH²⁺ + H⁺ (α = 22,8%)

Соли, образованные катионами, сильно подверженными гидролизу (такие как Sn²⁺ или Bi³⁺), удается растворить только при добавлении кислоты; при растворении в чистой воде гидроксокатионов получается настолько много, что соответствующая основная соль выпадает в осадок:

SnCl₂ + H₂O = Sn(Cl)OH𕨓 + HCl
Bi(NO₃)₃ + H₂O = Bi(NO₃)₂OH↓ + HNO₃

Итак, соли, образованные катионом малорастворимого основного или амфотерного гидроксида и анионом сильной кислоты, подвергаются гидролизу по катиону и образуют в растворе кислотную среду.

Гидролиз по катиону и аниону

Соли, образованные катионами малорастворимых основных или амфотерных гидроксидов и анионами слабых кислот (например сульфиды или ортофосфаты), малорастворимы в воде и обсуждать их гидролиз не имеет смысла.

Наоборот, некоторые фториды и ацетаты этих катионов хорошо растворимы в воде; они гидролизуются по катиону и аниону (в разной степени). Среда раствора определяется тем ионом соли, у которого степень гидролиза выше (в большинстве случаев выше степень гидролиза катионов и среда раствора слабокислотная).

Например, гидролиз фторида меди(II) в 0,1М растворе:

CuF₂ = Cu²⁺ + 2F⁻ Cu²⁺ + H₂O  CuOH⁺ + H⁺ (α = 0,068%)
F⁻ + H₂O  HF + OH⁻ (α = 0,0012%)

Преобладает кислотная среда, так как степень гидролиза по катиону выше.

То же наблюдается в растворах солей аммония − фторида аммония NH₄F (среда кислотная), ацетата аммония NH₄CH₃COO (среда практически нейтральная из-за одинаковой степени гидролиза по катиону и по аниону) и цианида аммония NH₄CN (среда щелочная).

Многие соединения, синтезируемые "сухим" способом − например карбонат железа(II), сульфид алюминия − при попытке получения обменной реакцией в водном растворе подвергаются полному необратимому гидролизу с образованием основных солей или гидроксидов, а также соответствующих кислот или кислотных оксидов:

а)2Fe²⁺ +2CO₃²⁻ +H₂O=Fe₂CO₃(OH)₂↓+CO₂↑ 
б) 2Al³⁺ + 3S²⁻ + 6H₂O = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑

Если карбонат железа(II) FeCO₃, полученный "сухим путем" или взятый в виде минерала сидерит, при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия, то сульфид алюминия при контакте с водой мгновенно разлагается:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

Гидролиз бинарных соединений

Многие вещества, относящиеся к классу бинарных соединений и не являющиеся солями, не могут существовать в водном растворе, поскольку подвергаются полному необратимому гидролизу:

Mg₃N₂ +8H₂O=3Mg(OH)₂ +2NH₃ ·H₂O
CaC₂ +2H₂O=Ca(OH)₂ +C₂H₂ 
SCl₂O₂ + 2H₂O = H₂SO₄ + 2HCl

Поскольку гидролиз бинарных соединений протекает необратимо, следует оберегать их от контакта с водой и влажным воздухом.