Гидролиз солей в ЕГЭ по химии

На месте сульфида алюминия, карбоната железа(III), сульфида хрома(III) и ещё нескольких солей в таблице растворимости стоит прочерк, и означает он, что вещество водой разлагается и в растворе существовать не может. Прочерк подсказывает больше, чем кажется: гидролиз нужен не только для того, чтобы определить среду раствора, он решает, какие реакции между растворами вообще идут и что в них выпадает. Поэтому тему стоит разбирать целиком, а не по отдельным пунктам вроде «кислая среда, щелочная среда».

Вопросы по гидролизу бывают нескольких видов: определить среду раствора, записать уравнение, предсказать, что получится при смешивании двух растворов, сравнить кислотность растворов и, в цепочках, разложить водой бинарное соединение. Какие из них и в каких номерах попадут в работу, сверяйте по демоверсии 2027 года. В отличие от физики, где разделы курса идут от закона к закону, вся логика гидролиза умещается в одну фразу: слабая часть соли реагирует с водой, а сильная остаётся зрителем.

Четыре типа солей

Всё упирается в то, какими были кислота и основание, из которых соль образована. Выучить нужно один короткий список: сильные кислоты (соляная, бромоводородная, иодоводородная, серная, азотная, хлорная) и сильные основания (щёлочи, то есть гидроксиды щелочных металлов и кальция, стронция, бария). Всё остальное считается слабым, включая сернистую и фосфорную кислоты, которые ученики по привычке зачисляют в сильные. Тот же список пригодится в неорганике, так что учить его придётся и без гидролиза.

• соль сильного основания и сильной кислоты (NaCl, K2SO4, NaNO3, BaCl2) не гидролизуется, среда нейтральная
• соль слабого основания и сильной кислоты (CuSO4, AlCl3, NH4Cl, FeCl3, ZnSO4) гидролизуется по катиону, среда кислая
• соль сильного основания и слабой кислоты (Na2CO3, K2S, CH3COONa, K3PO4, Na2SO3) гидролизуется по аниону, среда щелочная
• соль слабого основания и слабой кислоты (CH3COONH4, (NH4)2S, Al2S3) гидролизуется по обоим ионам, и среда зависит от того, чья слабость больше

Когда в задании просят расположить растворы по возрастанию рН, помогает простое правило: чем слабее кислота, тем сильнее гидролизуется её соль. Карбонатный раствор из-за этого щелочнее сульфитного (угольная кислота слабее сернистой), сульфитный щелочнее ацетатного. Весь ряд при равных концентрациях выглядит так: хлорид аммония, хлорид натрия, ацетат натрия, сульфит натрия, карбонат натрия. Подробности по константам сверьте при подготовке, но порядок «кислая, нейтральная, потом щелочные по слабости кислоты» держится надёжно.

Отдельный сюрприз готовят кислые соли, потому что в них действуют сразу два процесса: диссоциация остатка кислоты и его гидролиз. Гидросульфат натрия NaHSO4 даёт кислую среду, ведь остаток серной кислоты отдаёт протон охотнее, чем присоединяет. Гидрокарбонат натрия NaHCO3 слабощелочной, гидрофосфат натрия Na2HPO4 тоже слабощелочной, а дигидрофосфат натрия NaH2PO4 и гидросульфит натрия NaHSO3 слабокислые. Для таких солей общего правила «слабая кислота — щёлочь» уже не хватает, и их среду лучше просто выучить рядом с остальными.

Уравнение: ступени и ионная запись

Сначала найдите в формуле ион слабого электролита: в Na2SO3 это SO3 2−, в Cu(NO3)2 это Cu2+, в (NH4)2CO3 сразу оба иона, аммоний и карбонат. Второй ион в формуле не участвует, и записывать его в ионное уравнение не нужно.

Гидролиз обратим, и в уравнении ставят знак равновесия. Для иона карбоната: CO3 2− + H2O ⇌ HCO3− + OH−, а в молекулярной форме Na2CO3 + H2O ⇌ NaHCO3 + NaOH. Записывают, как обычно, только первую ступень, потому что вторая протекает в ничтожной степени, но формулировку задания читайте внимательно: если там просят указать «все стадии», картина другая. Для катиона меди: Cu2+ + H2O ⇌ CuOH+ + H+, в молекулярной форме 2CuSO4 + 2H2O ⇌ (CuOH)2SO4 + H2SO4. Для катиона алюминия первая ступень выглядит как Al3+ + H2O ⇌ AlOH2+ + H+.

Типичная ошибка: ученик пишет гидроксид, который в реальности не выпадает. Из хлорида алюминия при гидролизе в разбавленном растворе осадок не появляется, потому что процесс останавливается на основной соли; осадок получается только при нагревании, разбавлении или связывании ионов водорода. Поэтому первую ступень записывают через основную соль и кислоту, а осадок гидроксида в неё не включают.

Как объяснить это на словах

Часть заданий требует объяснения словами: почему окраска индикатора изменилась, почему при нагревании цвет стал ярче. Индикаторы знают все, но стоит пройтись по ним ещё раз: фенолфталеин малиновый в щелочной среде и бесцветный в нейтральной и кислой, метилоранж красный в кислой, оранжевый в нейтральной и жёлтый в щелочной, лакмус красный, фиолетовый и синий соответственно.

Образец ответа на вопрос «почему раствор карбоната натрия с фенолфталеином при нагревании краснеет сильнее». Карбонат-ион гидролизуется по аниону с образованием гидроксид-ионов. Гидролиз идёт с поглощением теплоты, поэтому нагревание сдвигает равновесие в сторону продуктов. Концентрация гидроксид-ионов растёт, среда становится щелочнее, окраска фенолфталеина усиливается. Три предложения, и каждое опирается на факт: сначала что происходит с ионом, потом что делает нагревание, потом что видно глазу. Ответ «потому что гидролиз усиливается» остаётся голословным, и эксперт, скорее всего, не засчитает его целиком.

Что сдвигает равновесие

Принцип здесь работает общий: добавили продукт, равновесие сдвинулось влево, убрали продукт, вправо. Конкретные случаи, которые встречаются в заданиях:

• нагревание усиливает гидролиз, потому что он поглощает теплоту
• разбавление раствора усиливает гидролиз, потому что степень гидролиза растёт при падении концентрации соли
• добавление продукта подавляет гидролиз: кислота подавляет гидролиз по катиону, щёлочь подавляет гидролиз по аниону
• добавление вещества, связывающего продукт, усиливает гидролиз: щёлочь против гидролиза по катиону, кислота против гидролиза по аниону

Последняя строка хуже всего усваивается. Щёлочь в раствор хлорида алюминия добавляют, чтобы осадить гидроксид, и тогда она работает как реагент, который забирает ионы водорода. Если запомнить это как «связывает продукт, значит, гидролиз усилился», ошибка в сдвиге равновесия исчезает.

Тем же рассуждением объясняется реакция, которая с первого взгляда удивляет: активный металл растворяется не только в кислоте, но и в растворе кислой соли, потому что среда в нём кислая. Магний в растворе хлорида аммония выделяет и водород, и аммиак: Mg + 2NH4Cl = MgCl2 + 2NH3 + H2. Здесь протоны отдаёт сам ион аммония, превращаясь в аммиак, а магний принимает их в виде водорода. Ученик, который видит в условии «металл и раствор соли» и сразу пишет вытеснение металла, попадает в ловушку: до вытеснения нужно проверить, не кислая ли соль.

Совместный гидролиз: когда соли разрушают друг друга

Если смешать раствор соли, гидролизующейся по катиону (алюминий, железо(III), хром(III)), и раствор соли, гидролизующейся по аниону (карбонат, сульфид, сульфит), продукты гидролиза встречаются и нейтрализуют друг друга. Каждый из гидролизов идёт до конца: выпадает осадок гидроксида и выделяется газ. Например, 2AlCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3 + 3CO2 + 6NaCl. Так же ведёт себя хлорид железа(III), а для хрома(III) с сульфидом: 2CrCl3 + 3Na2S + 6H2O = 2Cr(OH)3 + 3H2S + 6NaCl. Обычный обмен здесь не идёт: сульфид алюминия из растворов не получить, о чём и говорит прочерк в таблице.

Для железа(III) с сульфидом, сульфитом и иодидом совместный гидролиз вообще не нужен, потому что идёт окислительно-восстановительная реакция: катион железа(III) окисляет анион. Хлорид железа(III) с сульфитом натрия даёт 2FeCl3 + Na2SO3 + H2O = 2FeCl2 + Na2SO4 + 2HCl, с недостатком сульфида 2FeCl3 + Na2S = 2FeCl2 + 2NaCl + S. Алюминий и хром(III) окислять не умеют, поэтому для них остаётся совместный гидролиз. Граница между железом(III) и алюминием проходит именно по способности окислять.

Ловушка в том, что тот же приём не работает для каждого катиона. Медь с карбонатом даёт основной карбонат вместо гидроксида: 2CuSO4 + 2Na2CO3 + H2O = (CuOH)2CO3 + 2Na2SO4 + CO2. Две реакции, алюминиевую и медную, стоит помнить как разные типы: на них держится большинство вопросов о смешении растворов. В расчётных задачах с такими реакциями масса раствора после опыта уменьшается и на осадок, и на газ; приём разобран в статье про расчёты по уравнению реакции, а кислотность исходного раствора сульфата меди возвращает к тому, как гидролиз влияет на электролиз растворов.

Гидролиз бинарных соединений

Гидролиз встречается не только у солей. Карбиды, нитриды, фосфиды и галогениды неметаллов разлагаются водой с образованием гидроксида и летучего водородного соединения. К ним примыкают гидриды (CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2) и хлориды неметаллов (SiCl4 + 3H2O = H2SiO3 + 4HCl). В таблице растворимости этих веществ нет, и ученик, привыкший сверяться только с ней, реакцию не замечает.

Эти реакции любят в цепочках, потому что продукт сразу попадает в следующий класс: из карбида получается ацетилен или метан, из нитрида аммиак.

• CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
• Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4
• Mg3N2 + 6H2O = 3Mg(OH)2 + 2NH3
• Ca3P2 + 6H2O = 3Ca(OH)2 + 2PH3
• PCl3 + 3H2O = H3PO3 + 3HCl

Если в цепочке реагентом над стрелкой стоит просто вода, а исходное вещество — бинарное соединение металла, проверьте этот вариант раньше всех остальных. Гидролиз органических веществ (эфиров, жиров, белков, углеводов) устроен по тому же принципу присоединения воды по связи, но разбирается отдельно, в разделе органики.

Как гидролиз вписан во вторую часть экзамена, видно по обзору что входит во вторую часть ЕГЭ по физике и химии и по разбору структуры ЕГЭ по химии.

Начать поиск:

• репетиторы по химии для подготовки к ЕГЭ
• все репетиторы для подготовки к ЕГЭ

Вопросы и ответы

Почему раствор сульфата натрия нейтрален, а раствор карбоната щелочной? Сульфат образован сильной серной кислотой, и его ион остаётся в растворе без изменений: протон ему отдавать нечему, а забирать у воды нет причины. Карбонат образован слабой угольной кислотой, поэтому его ион забирает протон у воды и оставляет в растворе гидроксид-ионы. Отсюда щелочная среда и малиновая окраска фенолфталеина.

Надо ли записывать вторую ступень гидролиза? Только если в условии просят все ступени: слова «по ступеням» означают больше одной. Во всех остальных случаях достаточно первой, но формулировку читайте буквально. Вторая ступень нужна, например, когда спрашивают, почему раствор гидрокарбоната, получающегося на первой ступени, тоже щелочной, хотя и слабее. Если же вам нужно сравнить силу гидролиза двух солей, сравнивают именно первые ступени, потому что вторая у обеих на порядки слабее.

Как быстро определить среду раствора соли в тесте? Назовите кислоту и основание, из которых образована соль, и спросите себя, какая из двух частей слабая. Слабая определяет среду: слабое основание даёт кислую, слабая кислота щелочную, обе слабые дают нейтральную в случае близкой слабости. Это занимает несколько секунд, если список сильных кислот и щёлочей выучен.