Решение: Опыт 37. Гидролиз карбоната и сульфита натрия

Хорошо, давайте разберем Опыт 37, сосредоточившись на уравнениях реакций гидролиза в ионной и молекулярной форме, а также на наблюдениях, без расчетов. Опыт 37. Исследование гидролиза карбоната натрия и сульфита натрия. Цель: Определить pH растворов, сравнить окраску с фенолфталеином и написать уравнения реакций гидролиза. Наблюдения: 1. При добавлении универсальной индикаторной бумаги к растворам карбоната натрия (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)) и сульфита натрия (\(\text{Na}_2\text{SO}_3\)), индикаторная бумага окрасится в синий или сине-зеленый цвет, что указывает на щелочную среду (pH > 7). 2. При добавлении 1-2 капель раствора фенолфталеина к обоим растворам, они окрасятся в малиновый цвет, что также подтверждает щелочную среду. Объяснение: Обе соли (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\) и \(\text{Na}_2\text{SO}_3\)) образованы сильным основанием (\(\text{NaOH}\)) и слабой кислотой (\(\text{H}_2\text{CO}_3\) и \(\text{H}_2\text{SO}_3\) соответственно). В таких случаях гидролиз происходит по аниону, что приводит к образованию гидроксид-ионов (\(\text{OH}^-\)) и, как следствие, к щелочной реакции среды. Уравнения реакций гидролиза: 1. Гидролиз карбоната натрия (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)): Карбонат натрия диссоциирует в воде: \[\text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow 2\text{Na}^+ + \text{CO}_3^{2-}\] Гидролиз происходит по карбонат-иону (\(\text{CO}_3^{2-}\)), так как он является анионом слабой угольной кислоты. Первая ступень гидролиза (ионная форма): \[\text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^{-} + \text{OH}^{-}\] Молекулярная форма: \[\text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NaHCO}_3 + \text{NaOH}\] Вторая ступень гидролиза (ионная форма, протекает в значительно меньшей степени): \[\text{HCO}_3^{-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{OH}^{-}\] Молекулярная форма: \[\text{NaHCO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + \text{NaOH}\] Общее уравнение гидролиза (молекулярная форма, суммарно): \[\text{Na}_2\text{CO}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{CO}_3 + 2\text{NaOH}\] (Следует отметить, что угольная кислота \(\text{H}_2\text{CO}_3\) неустойчива и разлагается на \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\), но в контексте гидролиза обычно записывают \(\text{H}_2\text{CO}_3\)). 2. Гидролиз сульфита натрия (\(\text{Na}_2\text{SO}_3\)): Сульфит натрия диссоциирует в воде: \[\text{Na}_2\text{SO}_3 \rightarrow 2\text{Na}^+ + \text{SO}_3^{2-}\] Гидролиз происходит по сульфит-иону (\(\text{SO}_3^{2-}\)), так как он является анионом слабой сернистой кислоты. Первая ступень гидролиза (ионная форма): \[\text{SO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HSO}_3^{-} + \text{OH}^{-}\] Молекулярная форма: \[\text{Na}_2\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{NaHSO}_3 + \text{NaOH}\] Вторая ступень гидролиза (ионная форма, протекает в значительно меньшей степени): \[\text{HSO}_3^{-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{SO}_3 + \text{OH}^{-}\] Молекулярная форма: \[\text{NaHSO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{SO}_3 + \text{NaOH}\] Общее уравнение гидролиза (молекулярная форма, суммарно): \[\text{Na}_2\text{SO}_3 + 2\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_2\text{SO}_3 + 2\text{NaOH}\] Сравнение: Для оценки, в каком растворе (с одинаковой молярной концентрацией соли) больше: а) степень гидролиза; б) концентрация гидроксильных ионов; в) значение pH; г) какой анион – \(\text{CO}_3^{2-}\) или \(\text{SO}_3^{2-}\) является анионом более сильной кислоты? Для ответа на эти вопросы без расчетов, нужно знать относительную силу соответствующих кислот: угольной (\(\text{H}_2\text{CO}_3\)) и сернистой (\(\text{H}_2\text{SO}_3\)). Чем слабее кислота, тем сильнее ее сопряженное основание (анион), и тем сильнее будет протекать гидролиз. Константы диссоциации кислот: Для \(\text{H}_2\text{CO}_3\): \(K_{a1} = 4.3 \times 10^{-7}\), \(K_{a2} = 5.6 \times 10^{-11}\) Для \(\text{H}_2\text{SO}_3\): \(K_{a1} = 1.7 \times 10^{-2}\), \(K_{a2} = 6.4 \times 10^{-8}\) Сравнивая первые константы диссоциации (\(K_{a1}\)), видно, что \(\text{H}_2\text{SO}_3\) (\(1.7 \times 10^{-2}\)) является более сильной кислотой, чем \(\text{H}_2\text{CO}_3\) (\(4.3 \times 10^{-7}\)). Следовательно, анион \(\text{CO}_3^{2-}\) является более сильным основанием, чем \(\text{SO}_3^{2-}\). Исходя из этого: а) Степень гидролиза будет больше в растворе карбоната натрия (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)), так как анион \(\text{CO}_3^{2-}\) является более сильным основанием. б) Концентрация гидроксильных ионов (\(\text{OH}^-\)) будет выше в растворе карбоната натрия (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)), поскольку гидролиз протекает сильнее. в) Значение pH будет выше в растворе карбоната натрия (\(\text{Na}_2\text{CO}_3\)), так как концентрация \(\text{OH}^-\) выше. г) Анион \(\text{SO}_3^{2-}\) является анионом более сильной кислоты (\(\text{H}_2\text{SO}_3\)), чем \(\text{CO}_3^{2-}\) (анион \(\text{H}_2\text{CO}_3\)).