В заданиях 6–8, 30 и 31 ЕГЭ по химии часто встречаются реакции необратимого гидролиза. Ожидая обычную реакцию обмена при смешивании двух растворов, легко потерять баллы, если не учесть образование гидроксида и выделение газа в результате совместного гидролиза или протекание окислительно-восстановительной реакции. Разберём алгоритм, который поможет безошибочно прогнозировать продукты взаимодействия бинарных соединений и солей в разных средах и уверенно составлять уравнения любой сложности.
Что проверяют на экзамене
В заданиях ЕГЭ по химии тема гидролиза часто встречается в следующих линиях:
- в задании 6 потребуется соотнести исходные вещества с признаками реакции (например, выделение газа или растворение осадка);
- в задании 7 нужно подобрать вещества, с которыми взаимодействует заданный реагент;
- в задании 8 проверяют понимание нюансов разложения веществ в воде, кислоте или щёлочи при соотнесении левых и правых частей уравнений;
- в заданиях 30 (ОВР) и 31 (реакции ионного обмена) попадаются реакции гидролиза и скрытые окислительно-восстановительные процессы.
Теоретическая основа необратимого гидролиза
Гидролиз — это химическое взаимодействие вещества с водой, при котором происходит разложение этого вещества и воды с образованием новых соединений. Если реакция протекает до конца и продукты покидают сферу реакции в виде нерастворимых осадков или газов, гидролиз называют необратимым.
В бинарных соединениях (состоящих из двух элементов) положительно заряженная часть молекулы забирает гидроксид-ион $OH^{-}$ из воды, образуя гидроксид или амфотерный комплекс. Отрицательно заряженная часть забирает катион водорода $H^+$, образуя летучее водородное соединение. Если процесс идёт в кислоте или щёлочи, продукты дополнительно вступают в реакцию с этой средой.
Газы при гидролизе бинарных соединений
Чтобы быстро писать уравнения, запомни соответствие образующихся газов и бинарных соединений:
- карбид алюминия ($C^{-4}$) — метан $CH_4$;
- карбиды кальция и натрия ($C^{-1}$) — ацетилен $C_2H_2$;
- силициды ($Si^{-4}$) — силан $SiH_4$;
- нитриды ($N^{-3}$) — аммиак $NH_3$;
- фосфиды ($P^{-3}$) — фосфин $PH_3$;
- сульфиды ($S^{-2}$) — сероводород $H_2S$;
- гидриды ($H^{-1}$) — молекулярный водород $H_2$.
Химические свойства бинарных соединений в разных средах
Водная среда
В нейтральной водной среде бинарные соединения разлагаются с образованием гидроксида металла и летучего водородного соединения. Ковалентные галогениды образуют две кислоты.
Обрати внимание, что сульфид меди(II) или сульфид свинца(II) гидролизу не подвергаются, поэтому здесь рассматриваются только соединения $Al,\, Cr$ и активных металлов.
Гидриды:
$NaH + H_2O \rightarrow NaOH + H_2\uparrow$
$CaH_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + 2H_2\uparrow$
Карбиды:
$Al_4C_3 + 12H_2O \rightarrow 4Al(OH)_3\downarrow + 3CH_4\uparrow$
$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2\uparrow$
$Na_2C_2 + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + C_2H_2\uparrow$
Силициды:
$Mg_2Si + 4H_2O \rightarrow 2Mg(OH)_2\downarrow + SiH_4\uparrow$
Нитриды:
$Li_3N + 3H_2O \rightarrow 3LiOH + NH_3\uparrow$
$Ca_3N_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2\downarrow + 2NH_3\uparrow$
Фосфиды:
$AlP + 3H_2O \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + PH_3\uparrow$
$Ca_3P_2 + 6H_2O \rightarrow 3Ca(OH)_2\downarrow + 2PH_3\uparrow$
Сульфиды алюминия и хрома(III):
$Al_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$
$Cr_2S_3 + 6H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow$
Ковалентные галогениды с неметаллами:
$PCl_3 + 3H_2O \rightarrow H_3PO_3 + 3HCl$
$PCl_5 + 4H_2O \rightarrow H_3PO_4 + 5HCl$
$SiCl_4 + 3H_2O \rightarrow H_2SiO_3\downarrow + 4HCl$
Кислая среда
Если процесс идёт в избытке раствора кислоты, гидроксид растворяется с получением соли. Газы, не обладающие основными свойствами (метан, ацетилен, силан, фосфин, сероводород, водород), выделяются в неизменном виде.
Основной процесс с выделением газа:
$NaH + HCl \rightarrow NaCl + H_2\uparrow$
$CaH_2 + 2HBr \rightarrow CaBr_2 + 2H_2\uparrow$
$Al_4C_3 + 12HCl \rightarrow 4AlCl_3 + 3CH_4\uparrow$
$CaC_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4\downarrow + C_2H_2\uparrow$
$Mg_2Si + 4HCl \rightarrow 2MgCl_2 + SiH_4\uparrow$
$AlP + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + PH_3\uparrow$
$Zn_3P_2 + 3H_2SO_4 \rightarrow 3ZnSO_4 + 2PH_3\uparrow$
$Al_2S_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2S\uparrow$
$Cr_2S_3 + 6HBr \rightarrow 2CrBr_3 + 3H_2S\uparrow$
Водородные соединения азота (аммиак) обладают ярко выраженными основными свойствами. При гидролизе нитридов в кислоте образуются две соли, а газ не выделяется: аммиак переходит в ион аммония.
$Li_3N + 4HCl \rightarrow 3LiCl + NH_4Cl$
$Ca_3N_2 + 4H_2SO_4 \rightarrow 3CaSO_4\downarrow + (NH_4)_2SO_4$
$AlN + 4HCl \rightarrow AlCl_3 + NH_4Cl$
Щелочная среда
Здесь действуют обратные правила.
Катионы амфотерных металлов ($Al$, $Zn$, $Cr$) вместо нерастворимых гидроксидов образуют комплексные соли. Анионы превращаются в соли, если неметалл образует кислотный газ (например, сероводород). Нейтральные газы ($CH_4$, $PH_3$) выделяются без изменений. Галогениды неметаллов образуют в щёлочи две соли.
Карбиды, фосфиды и сульфиды амфотерных металлов:
$Al_4C_3 + 4NaOH + 4H_2O \rightarrow 4Na[Al(OH)_4] + 3CH_4\uparrow$
$AlP + NaOH + 3H_2O \rightarrow Na[Al(OH)_4] + PH_3\uparrow$
$Zn_3P_2 + 6KOH + 6H_2O \rightarrow 3K_2[Zn(OH)_4] + 2PH_3\uparrow$
$Al_2S_3 + 8NaOH \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3Na_2S$
$Cr_2S_3 + 8KOH \rightarrow 2K[Cr(OH)_4] + 3K_2S$
Галогениды неметаллов:
$PCl_3 + 5NaOH \rightarrow Na_2HPO_3 + 3NaCl + 2H_2O$
$PCl_5 + 8NaOH \rightarrow Na_3PO_4 + 5NaCl + 4H_2O$
$SiCl_4 + 6KOH \rightarrow K_2SiO_3 + 4KCl + 3H_2O$
Совместный гидролиз солей
Если слить растворы двух солей, одна из которых образована слабым основанием (например, катионами $Al^{3+},\, Cr^{3+},\, Fe^{3+}$), а другая — слабой летучей или нестабильной кислотой (например, анионами $CO_3^{2-},\, SO_3^{2-},\, S^{2-}$), они начнут взаимно усиливать гидролиз друг друга. В результате обе соли разрушаются до гидроксида и газа.
Признак процесса — одновременное выпадение осадка и выделение газа. Согласно принципу Ле Шателье, одна соль стремится создать кислую среду, другая — щелочную. Вместе они нейтрализуют продукты друг друга, заставляя реакцию необратимо идти до гидроксидов и летучих кислот.
С карбонатами $CO_3^{2-}$ и гидрокарбонатами:
$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaCl$
$Cr_2(SO_4)_3 + 3K_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 3K_2SO_4$
$2Fe(NO_3)_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaNO_3$
С сульфитами $SO_3^{2-}$ и гидросульфитами:
$2Al(NO_3)_3 + 3K_2SO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3SO_2\uparrow + 6KNO_3$
$2CrCl_3 + 3Na_2SO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3SO_2\uparrow + 6NaCl$
С сульфидами $S^{2-}$ и гидросульфидами:
$2AlCl_3 + 3Na_2S + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow + 6NaCl$
$Cr_2(SO_4)_3 + 3K_2S + 3H_2O \rightarrow 2Cr(OH)_3\downarrow + 3H_2S\uparrow + 3K_2SO_4$
Скрытые окислительно-восстановительные реакции
Особое внимание нужно уделить ионам, склонным менять степень окисления.
Если встречаются сильный окислитель (катион $Fe^{3+}$ или $Cu^{2+}$) и сильный восстановитель (анионы $S^{2-},\, SO_3^{2-},\, I^{-}$), совместный гидролиз не идёт. Вместо него протекает окислительно-восстановительная реакция.
ОВР железа(III) с серой в разных степенях окисления:
$2FeCl_3 + 3Na_2S \rightarrow 2FeS\downarrow + S\downarrow + 6NaCl$
(другой допустимый вариант записи: $2FeCl_2 + S + 2NaCl$)
$Fe_2(SO_4)_3 + H_2S \rightarrow 2FeSO_4 + S\downarrow + H_2SO_4$
$2FeCl_3 + Na_2SO_3 + H_2O \rightarrow 2FeCl_2 + Na_2SO_4 + 2HCl$
ОВР железа(III) и меди(II) с иодидами:
$2FeCl_3 + 2KI \rightarrow 2FeCl_2 + I_2\downarrow + 2KCl$
$2CuSO_4 + 4KI \rightarrow 2CuI\downarrow + I_2\downarrow + 2K_2SO_4$
Соединения иодида меди(II) ($CuI_2$) в водных растворах не существует. В реакции обмена оно мгновенно разлагается на белый осадок иодида меди(I) и свободный молекулярный иод.
Обобщающая схема процессов в растворе
Чтобы быстро определять тип реакции, используй эту справочную таблицу для взаимодействия водных растворов двух солей:
| Катион первой соли | Анион второй соли | Тип реакции | Искомые продукты |
|---|---|---|---|
| $Al^{3+},\, Cr^{3+}$ | $CO_3^{2-},\, SO_3^{2-},\, S^{2-}$ | Совместный гидролиз | Осадок $Me(OH)_3$ и выделение газа |
| $Fe^{3+}$ | $CO_3^{2-}$ | Совместный гидролиз | Осадок $Fe(OH)_3$ и выделение газа $CO_2$ |
| $Fe^{3+}$ | $SO_3^{2-},\, S^{2-},\, I^{-}$ | ОВР | $Fe^{2+}$ и окисленный остаток ($SO_4^{2-},\, S,\, I_2$) |
| $Cu^{2+}$ | $I^{-}$ | ОВР | Осадок $CuI$ и осадок $I_2$ |
Типичные ошибки на ЕГЭ
Чтобы стабильно получать баллы за задания этого раздела, обращай внимание на сложные моменты:
- Написание аммиака среди продуктов при гидролизе нитридов в кислоте. Это ошибка по аналогии с карбидами. В реальности аммиак реагирует с кислотой с образованием иона аммония.
Пример верной реакции:
$Mg_3N_2 + 8HCl \rightarrow 3MgCl_2 + 2NH_4Cl$
- Оставление нерастворимого амфотерного гидроксида при гидролизе в щёлочи. В избытке щёлочи гидроксиды переходят в растворимый комплекс.
Пример верной реакции:
$AlP + NaOH + 3H_2O \rightarrow Na[Al(OH)_4] + PH_3\uparrow$
- Запись совместного гидролиза для сульфата железа(III) и сульфида натрия. Между этими солями происходит ОВР, образуется осадок и выпадает чистая сера.
Пример верной реакции:
$Fe_2(SO_4)_3 + 3Na_2S \rightarrow 2FeS\downarrow + S\downarrow + 3Na_2SO_4$
Практика решения заданий
Задание 1: аналог задания 8 ЕГЭ по химии
Установите соответствие между исходными веществами и продуктами их реакции.
А) $Fe(NO_3)_3$ и раствор $K_2CO_3$
Б) $Cu(NO_3)_2$ и $KI$
В) $Fe_2(SO_4)_3$ и $KI$Варианты ответа:
1. $Fe_2(CO_3)_3,\, KNO_3$.
2. $CuI,\, I_2,\, KNO_3$.
3. $Fe(OH)_3,\, CO_2,\, KNO_3$.
4. $CuI_2,\, KNO_3$.
5. $FeI_2,\, I_2,\, K_2SO_4$.
6. $FeI_3,\, K_2SO_4$.
Разбор пункта А: перед нами катион слабого основания $Fe^{3+}$ и анион слабой кислоты $CO_3^{2-}$. Железо с карбонатом в ОВР не вступает. Протекает классический совместный гидролиз. Продуктами будут осадок $Fe(OH)_3$, углекислый газ $CO_2$ и соль $KNO_3$. Вариант ответа 3.
Разбор пункта Б: проверяем катион меди $Cu^{2+}$ и восстановитель $I^{-}$. Соль $CuI_2$ нестабильна. Реакция является ОВР. Медь понижает степень окисления до +1, образуя $CuI$, а иод окисляется до простого вещества $I_2$. Третьим продуктом образуется $KNO_3$. Вариант ответа 2.
Разбор пункта В: как и медь(II), катион железа $Fe^{3+}$ с восстановителем $I^{-}$ вступает в ОВР. Железо переходит в $Fe^{2+}$, выделяется $I_2$ и образуется $K_2SO_4$. Вариант ответа 5.
Ответ: 325.
Задание 2: аналог задания 31 ЕГЭ по химии
Раствор нитрата железа(III) добавили к раствору карбоната калия. Напишите уравнение описанной реакции.
- Определяем тип процесса. ОВР в данном случае не пойдёт, переходим к алгоритму совместного гидролиза.
- Составляем каркас уравнения, где вода становится участником в левой части:
$Fe(NO_3)_3 + K_2CO_3 + H_2O \rightarrow \dots$ - Записываем продукты реакции гидролиза:
$Fe(OH)_3\downarrow + CO_2\uparrow + KNO_3$. - Уравниваем вещества подбором или через заряды ионов.
- Итоговое уравнение:
$2Fe(NO_3)_3 + 3K_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6KNO_3$.
Заключение
Теперь ты понимаешь логику необратимого гидролиза и ОВР в растворах солей. На экзамене это поможет безошибочно определять тип процесса и составлять правильные уравнения для тестовой и развёрнутой части. Ты умеешь прогнозировать продукты взаимодействия бинарных соединений с водой, кислотами и щелочами, отличать совместный гидролиз от скрытых ОВР и учитывать свойства среды.
Чтобы закрепить навык, порешай аналогичные типы задач в «100балльном банке» — там собраны актуальные задания ЕГЭ по этой теме.
