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高中化學/目錄/鹽類水解

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鹽類的水解原理[編輯]

之前我們在講膠體性質的時候,曾介紹過FeOH3膠體的製備。其所發生的反應如下:

(膠體)

下面我們討論下這個反應是如何發生的。

通過前面的課程我們知道,弱電解質在水中只有部分電離,其大部分弱電解質仍以分子的形式存在。這說明在溶液中,弱電解質分子是比較穩定的。

FeCl3溶液中,存在因水的電離而產生的OH-,而一個體系總是趨向於穩定的,所以溶液中部分Fe3+會結合OH-生成Fe(OH)3

沸騰的條件不僅促進了水的電離,而且讓H+與Cl-形成HCl並揮發出去,讓如上所說的過程趨於完全。

一般的,我們把弱鹼陽離子或弱酸酸根離子在水溶液中發生的類似反應叫做水解反應(hydrolysis)。

可水解鹽的性質與水解反應的應用[編輯]

水解反應的存在會使含弱鹼陽離子或弱酸酸根離子的某些鹽的水溶液呈酸性或鹼性。如在NH4Cl溶液中存在如下反應:

或可簡寫為:

為什麼這個水解反應的方程式用可逆號"",而上面的FeCl3的水解反應用箭頭""?

溶液中水電離出的H+和OH-是按1:1生成的,而NH+
4
的水解會消耗溶液中的OH-,使溶液中c(H+)>c(OH-),使NH4Cl溶液呈酸性。NH4Cl溶液可以做為金屬的除鏽劑,就是基於這個道理。

如果我們按生成鹽的酸和鹼的強弱把鹽類分為強酸強鹼鹽等四類,由上描述易知強酸弱鹼鹽的水溶液應該呈酸性,強鹼弱酸鹽的水溶液則應該呈鹼性。至於弱酸弱鹼鹽,其水溶液的酸鹼性取決於組成這種鹽的各種離子的水解能力;如CH3COO-NH4的水解能力相差不多,所以CH3COONH4的水溶液接近中性。你可以檢測各種鹽溶液的pH,證明以上推斷及水解原理。

這種現象在生活中廣泛存在。如蘇打(Na2CO3)或小蘇打(NaHCO3)溶液呈鹼性,可以除去發酵食品中產生的有機酸;又如肥皂水(主要成分為硬脂酸鈉)也呈弱鹼性,其與肥皂水的洗滌能力有一定關係;再或者前面提過的除鏽劑等。

一些鐵鹽或鋁鹽在水中能水解並形成膠體;它們的這種性質可用來淨水,如明礬(KAl(SO4)2·12H2O)在水中會形成Al(OH)3膠粒,其會結合水中的雜質形成絮狀沉澱,以達到淨水的目的。

在Fe(OH)3膠體製備的實驗中,可否用飽和Fe2(SO4)3溶液代替飽和FeCl3溶液?為什麼?

加熱會促進水的電離,增加水解反應的反應物濃度,使水解平衡向右移動。上節Fe(OH)3膠體製備的實驗中就應用了這個原理。如果水解反應進行得比較徹底,有時還能用於某些無機物的製備。如鈦的冶煉中有這樣的一步:

還有什麼會影響到水解反應的程度大小呢?事實上,我們能從反應物本身的性質來考慮這個問題。如果水解生成的弱電解質很「弱」(即不易電離)的話,反應的生成物就很穩定,水解難以逆向進行,自然水解就比較徹底了。

水解體系中粒子間的數量關係[編輯]

水解體系中的成分較一般鹽溶液要複雜,但其粒子間的數量關係是有規律可循的。下面,我們就NaHCO3的稀溶液為例探究這些關係。

首先,NaHCO3溶液中存在如下反應:

所以,NaHCO3溶液中含有如下成分:

接下來我們分析這些成分的相對數量關係。

  1. 稀溶液中最多的成分一定是溶劑,所以H2O的含量最多。
  2. Na+在溶液中不水解不電離,所以Na+的濃度最大。
  3. 無論是水解還是電離,其程度都是很微弱的,所以HCO3-濃度次之。
  4. 我們知道,NaHCO3的水溶液呈鹼性,這不僅說明了溶液中n(OH-)>n(H+),而且證實了HCO3-的水解程度大於其電離程度,所以n(H2CO3)>n(CO2−
    3
    )
  5. 除了HCO3-水解產生的OH-[1]外,水自身亦會電離出微量的OH-,所以OH-濃度大於HCO3-的濃度。
  6. 同理,H+的濃度大於CO2−
    3
    的濃度。

由於這是在同一溶液中,各溶質間的濃度關係即其間的數量關係;所以,根據上面的推斷,有:

我們知道,無論是什麼化學反應,質量和元素都是守恆的。在NaHCO3溶於水前,顯然有n(Na+)=n(HCO3-)。然而由於HCO3-的電解反應及水解反應的存在,NaHCO3溶液中n(Na+)>n(HCO3-)。但無論如何,由於NaHCO3溶液中的Na原子和C原子都是由NaHCO3帶來的,所以溶液中Na原子的數量總等於C原子的數量。故能得出:

NaHCO3溶液呈中性,所以其中陽離子帶電量之和必然等於陰離子帶電量之和,所以:

這個等式可以由前兩個等式導出。

NaHCO3溶液中,OH-全部來自水的電離;H+複雜些,來自水和HCO3-的電離,HCO3-的水解又會消耗H+。考慮到水電離時H+OH-是按1:1生成的,可以得到:

當然,前面所說的都是相對大小,具體NaHCO3溶液中各溶質的濃度與加入NaHCO3的量以及溫度等有關。要進行定量分析,我們需要藉助另一項工具。

在水解反應中,設Ka是它的電離平衡常數,有:

類似水的離子積的定義,K·c(H2O)可視為常數,設其為Kh,有:

則KhHCO3-的水解常數。

設KaH2CO3的第一步電離的電離平衡常數,有:

其與Kh的表達式聯立,可以得到:

其中Kw為水的離子積常數。以上式子表明,弱酸(或弱鹼)的電離常數越小,其所成鹽在溶液中的水解程度就越大,恰好與上一節所得的結論一致。

參考書目[編輯]

人民教育出版社《化學 選修4 化學反應原理》第三章第三節《鹽類的水解》

  1. NaHCO3溶液中的OH-當然全部來自水的電離,所以這句話不夠嚴謹。它是針對上面的方程式而言的。更嚴謹的說法是,水解反應不可能消耗掉水中所有的H+,消耗掉H+後水總要繼續電離的。

上一節:電離平衡常數

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