Гідроліз солей і середовище їхніх розчинів

Коли ти розчиняєш сіль у воді, ти, напевно, очікуєш, що розчин буде нейтральним. Але це не завжди так! Багато солей реагують із водою, змінюючи її pH. Цей процес називають гідролізом солі.

Визначення гідролізу

Гідроліз солі — це обмінна взаємодія йонів солі з молекулами води, унаслідок якої утворюється слабкий електроліт і в розчині з'являється надлишок йонів H⁺ або OH⁻. Слово «гідроліз» походить від грецьких «гідро» (вода) і «лізис» (розкладання).

Важливо запам'ятати: гідролізу зазнає лише той йон солі, який відповідає слабкому електроліту. Якщо йон походить від сильної кислоти або сильної основи, він із водою не взаємодіє.

Як це працює: два механізми

Існує два основні типи гідролізу залежно від того, який йон солі є «слабким»:

• Гідроліз за катіоном: катіон слабкої основи (NH₄⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Al³⁺, Fe³⁺) зв'язує гідроксид-йони OH⁻ з молекул води. У розчині лишається надлишок йонів H⁺ — середовище стає кислим (pH < 7).

• Гідроліз за аніоном: аніон слабкої кислоти (CO₃²⁻, S²⁻, SiO₃²⁻, CH₃COO⁻, PO₄³⁻) зв'язує йони H⁺ з молекул води. У розчині лишається надлишок йонів OH⁻ — середовище стає лужним (pH > 7).

Оборотність і ступені гідролізу

Гідроліз — процес оборотний. У рівняннях це позначають знаком ⇄, а не →. Він відбувається незначною мірою, тому в розчині завжди є і вихідні йони, і продукти гідролізу. Переважно гідроліз іде за першим ступенем — взаємодіє лише один йон солі з однією молекулою води. Подальші ступені (другий, третій) відбуваються значно меншою мірою, тому зазвичай записують лише рівняння першого ступеня.

За принципом Ле Шательє, гідроліз посилюють розведення розчину (додавання води) і нагрівання. Це тому, що обидва чинники зміщують рівновагу в бік продуктів реакції.

Щоб передбачити, яким буде середовище розчину солі, треба визначити, яка основа й яка кислота її утворили, і з'ясувати, чи вони сильні чи слабкі. Саме від цього залежить, чи відбудеться гідроліз, і який йон — катіон чи аніон — братиме в ньому участь.

Сильні та слабкі основи й кислоти

Спочатку запам'ятай, які речовини належать до сильних, а які — до слабких електролітів.

Запам'ятай: H₃PO₄ — кислота середньої сили. На НМТ її часто відносять до слабких, тому сіль Na₃PO₄ гідролізується за аніоном і дає лужне середовище.

Чотири комбінації — чотири результати

Розгляньмо всі можливі варіанти співвідношення сил основи й кислоти, що утворили сіль.

Приклади солей для кожної групи

Сіль сильної основи й слабкої кислоти — гідроліз за аніоном, лужне середовище: Na₂CO₃, K₂CO₃, K₂S, Na₂SiO₃, CH₃COONa, Na₃PO₄.

Сіль слабкої основи й сильної кислоти — гідроліз за катіоном, кисле середовище: NH₄Cl, ZnCl₂, CuSO₄, AlCl₃, FeCl₃, Al₂(SO₄)₃, Fe(NO₃)₃.

Сіль сильної основи й сильної кислоти гідролізу не зазнає — середовище нейтральне: NaCl, KNO₃, Na₂SO₄, BaCl₂, Ca(NO₃)₂.

Сіль слабкої основи й слабкої кислоти гідролізується і за катіоном, і за аніоном. Деякі такі солі у воді розкладаються повністю (необоротний гідроліз). Наприклад: Al₂S₃ + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂S↑. У таблиці розчинності такі солі позначено «# », а ті, що не існують, — «—».

Правило «чия сила, того й середовище»: сильна основа дає лужне середовище, сильна кислота — кисле, обидві сильні — нейтральне.

Коли ти визначив, який йон солі зазнає гідролізу, настав час записати рівняння. Програма НМТ вимагає вміти складати рівняння гідролізу в йонній і молекулярній формах. Зазвичай записують скорочене йонне рівняння першого ступеня гідролізу та відповідне молекулярне рівняння.

Гідроліз за аніоном (сіль сильної основи й слабкої кислоти)

Аніон слабкої кислоти взаємодіє з водою, забираючи в неї йон H⁺. У результаті утворюється гідрогенаніон (кисла сіль) і вивільняється OH⁻.

Приклад 1 — натрій карбонат Na₂CO₃:

• Скорочене йонне: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻

• Молекулярне: Na₂CO₃ + H₂O ⇄ NaHCO₃ + NaOH

Зверни увагу: у молекулярному рівнянні утворюється кисла сіль (NaHCO₃) і луг (NaOH). Саме NaOH дає лужне середовище.

Приклад 2 — калій сульфід K₂S:

• Скорочене йонне: S²⁻ + H₂O ⇄ HS⁻ + OH⁻

• Молекулярне: K₂S + H₂O ⇄ KHS + KOH

Приклад 3 — натрій ацетат CH₃COONa (однозарядний аніон):

• Скорочене йонне: CH₃COO⁻ + H₂O ⇄ CH₃COOH + OH⁻

• Молекулярне: CH₃COONa + H₂O ⇄ CH₃COOH + NaOH

Для однозарядного аніона продукт — уже не кисла сіль, а сама слабка кислота (CH₃COOH).

Гідроліз за катіоном (сіль слабкої основи й сильної кислоти)

Катіон слабкої основи взаємодіє з водою, забираючи в неї йон OH⁻. У результаті утворюється гідроксокатіон (основна сіль) і вивільняється H⁺.

Приклад 1 — цинк хлорид ZnCl₂:

• Скорочене йонне: Zn²⁺ + H₂O ⇄ ZnOH⁺ + H⁺

• Молекулярне: ZnCl₂ + H₂O ⇄ ZnOHCl + HCl

У молекулярному рівнянні утворюється основна сіль (ZnOHCl) і сильна кислота (HCl). Саме HCl дає кисле середовище.

Приклад 2 — алюміній хлорид AlCl₃:

• Скорочене йонне: Al³⁺ + H₂O ⇄ AlOH²⁺ + H⁺

• Молекулярне: AlCl₃ + H₂O ⇄ AlOHCl₂ + HCl

Приклад 3 — амоній хлорид NH₄Cl:

• Скорочене йонне: NH₄⁺ + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + H⁺

• Молекулярне: NH₄Cl + H₂O ⇄ NH₃·H₂O + HCl

Алгоритм складання рівнянь гідролізу

1. Визнач, який йон у солі відповідає слабкому електроліту (катіон слабкої основи чи аніон слабкої кислоти).

2. Запиши взаємодію цього йона з однією молекулою води, використовуючи знак оборотності ⇄.

3. Визнач, які йони лишилися в надлишку: H⁺ — середовище кисле, OH⁻ — лужне.

4. Склади молекулярне рівняння, додавши до йонів-спостерігачів (катіонів сильної основи або аніонів сильної кислоти) продукти реакції.

Ключова підказка: У скороченому йонному рівнянні гідролізу справа завжди є йони H⁺ або OH⁻ — саме вони визначають середовище розчину.

Ти вже знаєш, що розчини різних солей можуть бути лужними, кислими або нейтральними. Як це визначити на практиці? Найпростіше — скористатися індикаторами: речовинами, які змінюють колір залежно від pH середовища.

Лужне середовище (Na₂CO₃, K₂S, CH₃COONa)

У лужному розчині (pH > 7) метилоранж набуває жовтого кольору. Фенолфталеїн стає помітно рожево-малиновим, якщо pH достатньо високий — його інтервал переходу приблизно 8,2–10. Колір універсального індикатора визначають за його шкалою: у лужному середовищі він дає синій або фіолетовий відтінок.

У побуті: розчин кальцинованої соди Na₂CO₃ має лужне середовище, тому його використовують для миття й прання. Розчин питної соди NaHCO₃ — слабколужний, його pH близько 8.

Кисле середовище (ZnCl₂, NH₄Cl, CuSO₄, AlCl₃)

У кислому розчині (pH < 7) фенолфталеїн залишається безбарвним, а метилоранж набуває рожевого (червоного) забарвлення. Так забарвлюють метилоранж розчини солей слабкої основи й сильної кислоти: ZnCl₂, NH₄Cl, CuSO₄, AlCl₃.

Нейтральне середовище (NaCl, KNO₃, Na₂SO₄)

У нейтральному розчині (pH ≈ 7) фенолфталеїн безбарвний, метилоранж оранжевий. Універсальний індикатор поблизу pH 7 дає зелений колір за відповідною шкалою.

Важливо: у завданнях на гідроліз pH розчину солі зазвичай не наводять — колір індикатора визначай за середовищем. Сіль слабкої основи й сильної кислоти (AlCl₃, ZnSO₄, NH₄Cl, CuSO₄): метилоранж рожевий, фенолфталеїн безбарвний. Сіль сильної основи й слабкої кислоти (Na₂CO₃, K₂S, K₃PO₄): метилоранж жовтий, фенолфталеїн малиновий. Сіль сильної основи й сильної кислоти: метилоранж оранжевий, фенолфталеїн безбарвний.

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему гідролізу солей. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Логічні пари: сіль — середовище й причина

Установіть відповідність між сіллю (1–3) і характеристикою її водного розчину (А–Д).

1 K₂S; 2 Fe(NO₃)₃; 3 KNO₃

А лужне, гідроліз за аніоном; Б кисле, гідроліз за катіоном; В нейтральне, практично без гідролізу; Г кисле, гідроліз за аніоном; Д лужне, гідроліз за катіоном.

Розв'язання:

• K₂S: основа KOH — сильна (луг), кислота H₂S — слабка. Гідроліз за аніоном S²⁻, середовище лужне. Відповідь — А.

• Fe(NO₃)₃: основа Fe(OH)₃ — слабка (нерозчинний гідроксид), кислота HNO₃ — сильна. Гідроліз за катіоном Fe³⁺, середовище кисле. Відповідь — Б.

• KNO₃: основа KOH — сильна, кислота HNO₃ — сильна. Гідролізу практично немає, середовище нейтральне. Відповідь — В.

Ключ: 1А, 2Б, 3В.

Чому не Г і не Д? Варіант Г (кисле, гідроліз за аніоном) неможливий: гідроліз за аніоном дає лужне середовище. Варіант Д (лужне, гідроліз за катіоном) також неможливий: гідроліз за катіоном дає кисле середовище.

Приклад 2. Вибір однієї відповіді: pH > 7

Розчин якої солі має pH > 7?

А NH₄NO₃; Б K₂CO₃; В AlCl₃; Г KCl.

Розв'язання:

• NH₄NO₃: основа NH₃·H₂O — слабка, кислота HNO₃ — сильна → гідроліз за катіоном → кисле середовище (pH < 7).

• K₂CO₃: основа KOH — сильна, кислота H₂CO₃ — слабка → гідроліз за аніоном → лужне середовище (pH > 7).

• AlCl₃: основа Al(OH)₃ — слабка, кислота HCl — сильна → гідроліз за катіоном → кисле середовище (pH < 7).

• KCl: основа KOH — сильна, кислота HCl — сильна → гідролізу немає → нейтральне середовище (pH ≈ 7).

Ключ: Б (K₂CO₃).

Приклад 3. Вибір однієї відповіді: рівняння гідролізу

Яке скорочене йонне рівняння відповідає першому ступеню гідролізу натрій сульфіду (Na₂S)?

А S²⁻ + 2H₂O ⇄ H₂S + 2OH⁻; Б Na⁺ + H₂O ⇄ NaOH + H⁺; В S²⁻ + H₂O ⇄ HS⁻ + OH⁻; Г S²⁻ + 2H⁺ → H₂S.

Розв'язання:

• Na₂S — сіль сильної основи (NaOH) і слабкої кислоти (H₂S). Гідролізує аніон S²⁻. Перший ступінь: S²⁻ + H₂O ⇄ HS⁻ + OH⁻.

• Варіант А — це сума першого й другого ступенів (S²⁻ + 2H₂O ⇄ H₂S + 2OH⁻), а в завданні питають саме про перший ступінь.

• Варіант Б — Na⁺ + H₂O ⇄ NaOH + H⁺ — помилка: катіон Na⁺ походить від сильної основи й не гідролізується.

• Варіант Г — S²⁻ + 2H⁺ → H₂S — це реакція сульфід-йона з кислотою, а не гідроліз.

Ключ: В (S²⁻ + H₂O ⇄ HS⁻ + OH⁻).

Приклад 4. Вибір однієї відповіді: сіль без гідролізу

Яка сіль НЕ зазнає гідролізу?

А Na₂SiO₃; Б ZnSO₄; В Ba(NO₃)₂; Г CH₃COOK.

Розв'язання:

• Na₂SiO₃: основа NaOH — сильна, кислота H₂SiO₃ — слабка → гідроліз за аніоном SiO₃²⁻.

• ZnSO₄: основа Zn(OH)₂ — слабка, кислота H₂SO₄ — сильна → гідроліз за катіоном Zn²⁺.

• Ba(NO₃)₂: основа Ba(OH)₂ — сильна (луг), кислота HNO₃ — сильна → гідролізу НЕМАЄ.

• CH₃COOK: основа KOH — сильна, кислота CH₃COOH — слабка → гідроліз за аніоном CH₃COO⁻.

Ключ: В (Ba(NO₃)₂).

На НМТ учні часто припускаються однотипних помилок у завданнях на гідроліз. Розберімо їх, щоб ти знав, на що звернути увагу.

• Помилка: вважають розчини всіх солей нейтральними. Насправді багато солей гідролізуються, і їхні розчини мають кисле або лужне середовище. Завжди перевіряй силу основи й кислоти, що утворили сіль.

• Помилка: визначають середовище за «слабшим» компонентом. Наприклад, для Na₂CO₃ пишуть «кисле», бо сіль утворена кислотою (H₂CO₃). Правило інше: «чия сила, того й середовище». Сильна основа (NaOH) дає лужне середовище, а слабка кислота лише забезпечує гідроліз за аніоном.

• Помилка: записують гідроліз солі сильної основи й сильної кислоти. Наприклад: NaCl + H₂O ⇄ NaOH + HCl. Така реакція не відбувається, бо й Na⁺, і Cl⁻ походять від сильних електролітів і з водою не взаємодіють. Середовище нейтральне.

• Помилка: пишуть знак → замість ⇄ або одразу всі ступені гідролізу. Наприклад: CO₃²⁻ + 2H₂O → H₂CO₃ + 2OH⁻. Гідроліз — оборотний процес, тому використовуй ⇄. Крім того, зазвичай записують лише перший ступінь: CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻.

• Помилка: вважають H₃PO₄ сильною кислотою. Ортофосфатна кислота — середньої сили, тому сіль Na₃PO₄ гідролізується за аніоном і дає лужне середовище, а не нейтральне.

• Помилка: плутають гідроліз за катіоном і за аніоном. Запам'ятай: гідролізу зазнає йон слабкого електроліту. Катіон слабкої основи (NH₄⁺, Zn²⁺, Al³⁺) — гідроліз за катіоном, середовище кисле. Аніон слабкої кислоти (CO₃²⁻, S²⁻, CH₃COO⁻) — гідроліз за аніоном, середовище лужне.

Гідроліз солей входить до теми 1.6 програми НМТ з хімії. Від тебе вимагають уміти складати рівняння гідролізу солей у молекулярній і йонній формах, визначати можливість гідролізу й середовище розчину солі.

Формати завдань

У демоваріанті НМТ-2026 завдання № 20 — це логічні пари (1–3 → А–Д) на 0–3 бали (по 1 балу за кожну правильну пару). У ньому перевіряють гідроліз солей, середовище розчину й забарвлення метилоранжу.

Завдання вибору однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18, 0 або 1 бал) можуть містити: сіль із заданим середовищем, рівняння першого ступеня гідролізу.

Довідкові матеріали

На НМТ ти маєш доступ до таблиці розчинності. За нею можна визначити, чи гідроксид металічного елемента — луг (позначка «Р»; Ca(OH)₂ позначено «М», але його теж відносять до лугів) чи нерозчинна основа (позначка «Н»). Позначка «# » вказує на сіль, що реагує з водою (необоротний гідроліз).

Зверни увагу: сили кислот і забарвлень індикаторів у довідці немає. Це потрібно знати з теорії.

Стратегія виконання

Для кожної солі в чернетці виписуй ланцюжок: «основа — кислота — сильна чи слабка — середовище — колір індикатора». Це допоможе не заплутатися й швидко знайти правильну відповідь.

• Гідроліз — взаємодія йона слабкого електроліту з водою.

• Сильна основа й слабка кислота — лужне середовище; слабка основа й сильна кислота — кисле; обидві сильні — нейтральне, гідролізу немає.

• Гідроліз оборотний: записуємо перший ступінь знаком ⇄.

• CO₃²⁻ + H₂O ⇄ HCO₃⁻ + OH⁻; Zn²⁺ + H₂O ⇄ ZnOH⁺ + H⁺.

• Метилоранж: у лужному розчині солі жовтий, у кислому (гідроліз за катіоном) — рожевий, у нейтральному — оранжевий. Фенолфталеїн малиновий лише в лужному розчині.