Конспект урока: Гидролиз

Было бы довольно наивно полагать, что воду, которая в химии так часто используется для приготовления растворов, можно считать химически инертным соединением. Мы уже знаем, что вода обладает довольно большим количеством химических свойств. Среди них — способность реагировать с солями, вступая в реакцию гидролиза.

Помимо гидролиза солей, возможен также и гидролиз других соединений, в том числе и органических: сложных эфиров, жиров, ди- и полисахаридов, пептидов 
и т. д.

Реакция гидролиза

Гидролиз — обменная реакция с водой, приводящая к полному или частичному разложению вещества.

По сути реакция гидролиза солей является обратным процессом реакции нейтрализации.

1. ${\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_4 + {\mathrm{Н}}_2\mathrm{О} = {\mathrm{С}}_2{\mathrm{Н}}_5\mathrm{ОН}$,
2. $\mathrm{NaOH} + \mathrm{HCl} = \mathrm{NaCl} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$,
3. ${\mathrm{PCl}}_5 + 4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{H}}_3{\mathrm{PO}}_4 + 5\mathrm{HCl}$.

Решение

Давайте рассмотрим каждое уравнение внимательно.

1. Это реакция с водой, но в данном случае это соединение, а не обмен, поэтому это НЕ гидролиз. 

2. Это обмен, но в данном случае вода — продукт этой реакции, следовательно, НЕ гидролиз.

3. Это реакция обмена и в ней участвует вода. Это гидролиз.

Ответ: реакция гидролиза под номером 3.

Гидролиз солей

В зависимости от того, какими кислотами и основаниями образованы соли, их отношение к гидролизу может быть различным.

В зависимости от поведения солей в воде, их делят на 4 группы, представленные далее.

Таблица 1. Гидролиз солей

${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{NaHSO}}_4 + \mathrm{NaOH}$

В ионном виде становится наглядной причина изменения среды растворов при гидролизе солей.

${{\mathrm{SO}}_4}^{2-} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {{\mathrm{HSO}}_4}^{-} + {\mathrm{H}}^{+}$

При гидролизе по аниону, напротив, образуются гидроксид-ионы, чем и обусловлена щелочная среда.

${{\mathrm{CO}}_3}^{2-} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {{\mathrm{HCO}}_3}^{-} + {\mathrm{OH}}^{-}$

Решение

1. Хлорид алюминия образован сильной (HCl) кислотой и слабым (Al(OH)₃) основанием, следовательно, реакция протекает по катиону, среда кислая.

2. Запишем сначала ионное уравнение, только по первой ступени, так как остальными принято пренебрегать.

${\mathrm{Al}}^{3+} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{AlOH}}^{2+} + {\mathrm{H}}^{+}$

Как можно видеть, мы должны получить основную соль. Теперь запишем и в молекулярном виде, подставив хлор:

${\mathrm{AlCl}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{AlOHCl}}_2 + \mathrm{HCl}$.

Ответ: среда кислая.

В некоторых случаях, когда гидролиз идёт и по катиону, и по аниону, возможно взаимное усиление гидролиза.

Например, как при попадании в раствор сульфида хрома III, так и при смешивании растворов сульфидов и хрома III, будут параллельно происходить следующие процессы:

${\mathrm{Cr}}^{3+} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{CrOH}}^{2+} + {\mathrm{H}}^{+}$,

${\mathrm{S}}^{2-} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{HS}}^{-} + {\mathrm{OH}}^{-}$.

В результате этих процессов образуется вода $({\mathrm{H}}^{+} + {\mathrm{OH}}^{-} = {\mathrm{H}}_2\mathrm{O})$, что способствует протеканию второй и третей ступени гидролиза.

${\mathrm{CrOH}}^{2+} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = \mathrm{Cr}{{\left(\mathrm{OH}\right)}_2}^{+} + {\mathrm{H}}^{+}$

${\mathrm{HS}}^{-} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{H}}_2\mathrm{S} = {\mathrm{OH}}^{-}$

$\mathrm{Cr}{{\left(\mathrm{OH}\right)}_2}^{+} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = \mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 + {\mathrm{H}}^{+}$

Образование газообразного сероводорода и осадка гидроксида хрома III в результате реакции приводит к тому, что она протекает необратимо. В молекулярном виде получаем:

$2{\mathrm{CrCl}}_3 + 3{\mathrm{Na}}_2\mathrm{S} + 6{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} \to 2\mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{S} + 6\mathrm{NaCl}$.

Решение

По таблице растворимости видим, что карбонат алюминия разлагается водой, следовательно, в данном случае происходит взаимное усиление гидролиза.

$2\mathrm{Al}{\left({\mathrm{NO}}_3\right)}_3 + 3{\mathrm{K}}_2{\mathrm{CO}}_3 + 3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = 2\mathrm{Al}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3\downarrow + 3{\mathrm{CO}}_2 + 6\mathrm{KCl}$

Ответг гидроксид алюминия.

Гидролиз органических соединений

Как было указано выше, реакция гидролиза может протекать как для неорганических, так и для органических веществ. В обоих случаях будет наблюдаться разложение вещества водой, однако органические вещества, как правило, гидролизуются только в кислой или в щелочной среде. В последнем случае реакция по факту протекает не с водой, а собственно с щёлочью, но в водном растворе.

Наиболее распространённый случай — гидролиз сложноэфирной группы. Таким образом могут разлагаться водой в кислой среде сложные эфиры, образуя спирт и карбоновую кислоту:

${\mathrm{CH}}_3{\mathrm{COOCH}}_2{\mathrm{CH}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{CH}}_3\mathrm{COOH} + {\mathrm{CH}}_3{\mathrm{CH}}_2\mathrm{OH}$.

Если в неорганической химии гидролиз являлся реакцией, обратной нейтрализации, то в данном случае реакция будет обратна этерификации.

Аналогичным образом с водой взаимодействуют все классы веществ, содержащие сложноэфирную группу, в том числе жиры.

Жиры, имея большие неполярные углеводородные радикалы в составе молекулы, гидролизуются медленнее, чем сложные эфиры, поэтому их гидролиз обычно проводят в щелочной среде, получая при этом глицерин и соли высших жирных кислот. Поскольку такие соли называют мылами (в частности стеараты являются основными компонентами мыла), сама реакция гидролиза жиров получила название омыление.

Наряду с жирами гидролизуются и углеводы, кроме моносахаридов.

Достаточно хорошо в кислой среде эта реакция проходит для дисахаридов. Так, например, сахароза образует глюкозу и фруктозу. Полисахариды гидролизуются медленнее, для них эта реакция, как правило, требует нагревания или участия ферментов.

Аналогично участия ферментов требует и гидролиз пептидов. В нашем желудке белки подвергаются гидролизу при участии таких ферментов, как пепсин, трипсин и химотрипсин.

Эти реакции играют важнейшую роль в метаболизме, обеспечивая организм ресурсами для пластического и энергетического обмена.

Ответы

Упражнение 1

1. Обменная реакция с водой, приводящая к полному или частичному разложению вещества. 

2. Гидролиз протекает обратимо и ступенчато. 

Упражнение 2

2. ${\mathrm{K}}_2\mathrm{S} + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = \mathrm{KHS} + \mathrm{KOH}$, среда щелочная.

Упражнение 3

1. Сложные эфиры, жиры, ди- и полисахариды. 

2. Щелочной гидролиз жиров. В этой реакции образуются мыла. 

3. Пепин, трипсин, химотрипсин.