Гидролиз

Гидролиз (от греч. hydro — «вода» и lysis — «разложение», «распад») — реакция обменного разложения вещества водой^[1]. Гидролиз является частным случаем сольволиза — обменного разложения растворенного вещества и растворителя^[2]. Также является частным случаем реакций ионного обмена^[1].

В зависимости от растворимости продуктов гидролиза процесс может быть^[3]:

Обратимым, если образуются слабые, но хорошо растворимые в воде электролиты.
Необратимым, если образуются нерастворимые вещества и газы.

Гидролизу подвергаются разные классы неорганических и органических веществ: соли, бинарные соединения, углеводы, жиры, белки, эфиры и другие вещества^[4].

Гидролиз неорганических соединений

Гидролиз солей

Согласно первой теории (С. А. Аррениус, 1887 год), гидролиз солей — это обменное взаимодействие ионов соли с молекулами воды с образованием слабого электролита^[2].

Для оценки типа гидролиза необходимо рассмотреть соль, как продукт взаимодействия основания и кислоты^[4].

Классификация кислот и оснований по силе

Сильные кислоты: H₂SO₄, HCl, HI, HBr, HClO₃ и другие.
Слабые кислоты: HF, H₂S, H₂CO₃, H₂SO₃ и другие.
Сильные основания: все щелочи (NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)₂ и другие).
Слабые основания: NH₃*H₂O, нерастворимые основания (Fe(OH)₂, Cu(OH)₂ и другие), амфотерные гидроксиды (Al(OH)₃, Zn(OH)₂ и другие), органические амины.

Виды гидролиза солей

Соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями гидролизу не подвергаются. Среда их водных растворов нейтральная^[5].

Пример: соль KCl не подвергается гидролизу, так как образована сильным основанием KOH и сильной кислотой HCl.

Соли, образованные слабыми кислотами и сильными основаниями гидролизуются по аниону. Среда их водных растворов щелочная^[5].

Пример: соль CH₃COONa гидролизуется по аниону, так как образована сильным основанием NaOH и слабой кислотой CH₃COOH.

Уравнение гидролиза:

CH₃COO^- + HOH ↔ CH₃COOH + OH^-

Важно: соли, образованные многоосновными кислотами, гидролизуются ступенчато, образуя анионы кислых солей^[5].

Соли, образованные сильными кислотами и слабыми основаниями гидролизуются по катиону. Среда их водных растворов кислая^[5].

Пример: соль NH₄NO₃ гидролизуется по катиону, так как образована сильной кислотой HNO₃ и слабым основанием NH₃*H₂O.

Уравнение гидролиза:

NH₄⁺ + HOH ↔ NH₃*H₂O + H⁺

Важно: соли, образованные многокислотными основаниями, гидролизуются ступенчато, образуя катионы основных солей^[5].

Соли, образованные слабыми кислотами и слабыми основаниями гидролизуются и по катиону, и по аниону^[1]. Среда их водных растворов зависит от соотношения констант диссоциации образующихся кислот и оснований. В большинстве случаев реакция раствора будет близка к нейтральной^[4].

Пример: соль (CH₃COO)₂Zn гидролизуется и по катиону, и по аниону, так как образована слабым основанием Zn(OH)₂ и слабой кислотой CH₃COOH.

Уравнение гидролиза:

CH₃COO^- + HOH ↔ CH₃COOH + OH^-

Zn²⁺ + HOH ↔ ZnOH⁺ + H⁺

Гидролиз солей
Состав соли (катион)	Состав соли (анион)	Примеры	Тип гидролиза	Уравнение реакции гидролиза	Реакция среды
сильного основания	сильной кислоты	KCl	Гидролизу не подвергается		Нейтральная
слабого основания	слабой кислоты	(CH₃COO)₂Zn	Гидролизуется в наибольшей степени	CH₃COO^- + HOH ↔ CH₃COOH + OH^-Zn²⁺ + HOH ↔ ZnOH⁺ + H⁺	Зависит от степени диссоциации (α) образующихся продуктов
сильного основания	слабой кислоты	CH₃COONa	Гидролизуется по катиону	CH₃COO^- + HOH ↔ CH₃COOH + OH^-	Щелочная
слабого основания	сильной кислоты	NH₄NO₃	Гидролизуется по аниону	NH₄⁺ + HOH ↔ NH₃*H₂O + H⁺	Кислая

Окраска индикаторов в различных средах
Индикаторы	Кислая среда	Нейтральная среда	Щелочная среда
Лакмус	красный	фиолетовый	синий
Метилоранж	розовый	оранжевый	желтый
Фенолфталеин	бесцветный	бесцветный	малиновый
pH-водородный показатель	pH $<$ 7	pH = 7	pH $>$ 7

Гидролиз бинарных соединений

Бинарные соединения — соединения, образованные двумя химическими элементами^[6].

Многие бинарные соединения способны разлагаться под действием воды. Такая реакция называется необратимым гидролизом^[6].

При гидролизе бинарных соединений с водой выполняются следующие правила:

Элемент в отрицательной степени окисления переходит в состав водородного соединения^[6].
Элемент в положительной степени окисления переходит в соответствующий ему гидроксид^[6].

Алгоритм выполнения гидролиза бинарных соединений

В качестве примера возьмем Ca₃P₂

Расставляем степени окисления в бинарном соединении: Ca₃⁺²P₂⁻³.
Отрицательно заряженный элемент переходит в соответствующее водородное соединение: P⁻³→ PH₃.
Положительно заряженный элемент переходит в гидроксид: Ca⁺² → Ca(OH)₂.
Составляем реакцию, расставляем коэффициенты: Ca₃P₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2PH₃.

Также гидролиз бинарных соединений может протекать под действием щелочей и кислот^[6].

Алгоритм выполнения гидролиза бинарных соединений под действием кислот

Пример: Ca₃N₂ + HCl =

Расставляем степени окисления в бинарном соединении: Ca₃⁺²N₂⁻³.
Определяем, какие вещества должны образоваться при гидролизе под действием воды: в данном случае Ca₃N₂ + 6H₂O = 3Ca(OH)₂ + 2NH₃.
Выбираем, какие из образующих веществ реагируют с кислотами: с кислотами будет реагировать как щелочь Ca(OH)₂, так и NH₃.
Составляем реакцию с учетом предыдущего шага, расставляем коэффициенты: Ca₃N₂ + 8HCl = 3CaCl₂ + 2NH₄Cl.

Алгоритм выполнения гидролиза бинарных соединений под действием щелочей

Пример: PCl₅ + NaOH =

Расставляем степени окисления в бинарном соединении: P⁺⁵Cl₅⁻¹.
Определяем, какие вещества должны образоваться при гидролизе под действием воды: в данном случае PCl₅ + 4H₂O = 5HCl + H₃PO₄.
Выбираем, какие из образующих веществ реагируют с щелочами: с щелочами будет реагировать как HCl, так и H₃PO₄.
Составляем реакцию с учетом предыдущего шага, расставляем коэффициенты: PCl₅ + 8NaOH = 5NaCl + Na₃PO₄ + 4H₂O.

Гидролиз органических соединений

Гидролиз галогенпроизводных углеводородов

Моногалогеналканы

Обратимо реагируют с водой, при этом образуются спирты^[7]:

${\ce {CH3CH2Cl + H2O <=> CH3CH2OH + HCl}}$

Для увеличения выхода спиртов выделяющийся галогеноводород связывают щелочью. Процесс щелочного гидролиза моногалогеналканов протекает необратимо^[7]:

${\ce {CH3CH2Cl + NaOH ->[H2O] CH3CH2OH + NaCl}}$

Дигалогеналканы

Щелочной гидролиз дигалогеналканов, в которых атомы галогена находятся у разных атомов углерода, приводит к образованию двухатомных спиртов^[7].
Если атомы галогена стоят у одного атома углерода (геминально замещенные дигалогенаканы), то в процессе щелочного гидролиза этих соединений образуются карбонильные соединения. В том случае, если атомы галогена стоят у первичного атома углерода, образуются альдегиды, и кетоны во всех остальных случаях^[7].

Тригалогеналканы

При щелочном гидролизе соединений, содержащих три атома галогена при одном атоме углерода образуются соли карбоновых кислот^[7].

Гидролиз алкоголятов

Алкоголяты — это производные спиртов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещен на катион металла^[8].

Алкоголяты щелочных и щёлочноземельных металлов подвергаются необратимому гидролизу при взаимодействии с водой^[7].

${\ce {CH3-CH2-O-Na + H2O -> CH3-CH2-OH + NaOH}}$

Гидролиз сложных эфиров

Реакцию гидролиза сложных эфиров по-другому можно назвать омылением^[9].

В ходе реакции кислотного гидролиза сложных эфиров, образуются исходные кислота и спирт. Данная реакция является обратимой^[9].
В ходе реакции щелочного гидролиза сложных эфиров, образуются соль карбоновый кислоты и спирт. Данная реакция является необратимой^[9].

Важно: продуктами щелочного гидролиза фениловых эфиров карбоновых кислот являются две соли: соль карбоновой кислоты и соответствующий фенолят, поэтому реакция является необратимой^[7].

Также гидролизу подвергаются жиры. Жиры — это сложные эфиры, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами^[5].

При взаимодействии жиров с водой реакция протекает обратимо, с образованием глицерина и исходных высших карбоновых кислот^[5].
При взаимодействии жиров с щелочами реакция протекает необратимо, с образованием глицерина и солей высших карбоновых кислот, которые называют мылами^[5].

Гидролиз пептидов

Пептиды можно рассматривать как продукты конденсации двух или более молекул аминокислот^[5].

При гидролизе пептидов происходит полное или частичное расщепление пептидной цепи. Полный гидролиз приводит к образованию смеси α-аминокислот, частичный — к образованию смеси пептидов с меньшей молекулярной массой^[5].

Гидролиз пептидов может происходить в кислой или щелочной среде, а также под действием ферментов:

В кислой и щелочной средах образуются соли аминокислот^[5].
Ферментативный гидролиз имеет важное значение, так как протекает селективно и позволяет расщеплять пептидную цепь в строго определенных «точках»^[5].

Примечания

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 Карцова А. А., Левкин А. Н. Химия. — Вентана-Граф, 2016.
↑ ^2,0 ^2,1 Гидролиз солей (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.
↑ Тема 8 Гидролиз солей (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Гидролиз (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.
↑ ^5,00 ^5,01 ^5,02 ^5,03 ^5,04 ^5,05 ^5,06 ^5,07 ^5,08 ^5,09 ^5,10 ^5,11 Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. — Лаборатория знаний, 2016.
↑ ^6,0 ^6,1 ^6,2 ^6,3 ^6,4 Необратимый гидролиз бинарных соединений (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.
↑ ^7,0 ^7,1 ^7,2 ^7,3 ^7,4 ^7,5 ^7,6 ЕГЭ по химии: гидролиз (неопр.). Дата обращения: 8 декабря 2023.
↑ Алкоголяты (неопр.). Дата обращения: 9 декабря 2023.
↑ ^9,0 ^9,1 ^9,2 Карцова А. А., Лёвкин А. Н. Органическая химия для школьников. — 2021.

Ссылки

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 Карцова А. А., Левкин А. Н. Химия. — Вентана-Граф, 2016.

[:1-2] 2,0 ^2,1 Гидролиз солей (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.

[3] Тема 8 Гидролиз солей (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.

[:2-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 Гидролиз (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.

[:3-5] 5,00 ^5,01 ^5,02 ^5,03 ^5,04 ^5,05 ^5,06 ^5,07 ^5,08 ^5,09 ^5,10 ^5,11 Кузьменко Н. Е., Еремин В. В., Попков В. А. Начала химии. — Лаборатория знаний, 2016.

[:4-6] 6,0 ^6,1 ^6,2 ^6,3 ^6,4 Необратимый гидролиз бинарных соединений (неопр.). Дата обращения: 4 декабря 2023.

[:5-7] 7,0 ^7,1 ^7,2 ^7,3 ^7,4 ^7,5 ^7,6 ЕГЭ по химии: гидролиз (неопр.). Дата обращения: 8 декабря 2023.

[8] Алкоголяты (неопр.). Дата обращения: 9 декабря 2023.

[:6-9] 9,0 ^9,1 ^9,2 Карцова А. А., Лёвкин А. Н. Органическая химия для школьников. — 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]