IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гидролиз как способ познания материи
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I. Теоретическое обоснование выбора темы для исследования.
Гидролиз солей изучается в курсе химии 11 класса. Теория электролитической диссоциации, согласно которой частицы растворенного в воде вещества взаимодействуют с молекулами воды, изучается в 8 классе. Многие ученики 8 класса пытаются написать уравнения реакций взаимодействия солей с водой ничего еще не зная о реакциях гидролиза.
У нас возник вопрос: могут ли соли взаимодействовать с водой, а если могут, то что при этом образуется?
Для проведения работы по выбранной теме мы наметили план:
1. Собрать необходимую информацию и изучить её.
2. Провести эксперимент.
3. Сформулировать выводы.
4. Оформить результаты работы.
5. Донести данную информацию до своих одноклассников
В своей работе мы использовали поисковый и исследовательский методы. Поисковый метод заключается в том, что мы изучили литературу, а исследовательский - мы выполнили опыты, подтверждающие нашу гипотезу.
Объектом нашей работы является процесс гидролиза неорганических соединений.
Предметом - анализ процесса гидролиза неорганических соединений.
В процессе работы возникли противоречия: между тем, что растворы одних неорганических веществ изменяют окраску индикаторов, а других - не изменяют.
Из этого противоречия вытекает проблема: только ли соли подвергаются гидролизу?
Гипотеза: Если неорганические вещества взаимодействуют с водой, то и продукты этого гидролиза могут взаимодействовать с другими веществами, например, с металлами.
Из изученной нами литературы мы узнали, что гидролизу могут подвергаться соли кислородсодержащих и бескислородных кислот, нитриды, карбиды металлов, галогениды неметаллов.
Мы поставили перед собой цель: выяснить, как идут процессы гидролиза неорганических веществ.
Задачи исследования:
изучить сущность гидролиза неорганических веществ;
прогнозировать среду раствора соли и подтвердить это экспериментально;
научиться записывать уравнения гидролиза солей в молекулярном и ионном виде;
установить роль гидролиза солей в природе, хозяйственной и повседневной деятельности человека.
Результатом нашего исследования должно стать повышение уровня наших знаний о гидролизе.
Термин "гидролиз" происходит от греческого. hydro - вода + lisis - растворение, распад.
Оказывается, возможности темы "Гидролиз" огромны: это и единство неорганической и органической химии, теоретической и практической химии (химические технологии), биохимии (обменные процессы в живых организмах). Понятие "гидролиз", - это своеобразный центр кристаллизации для привлечения множества других химических понятий:
- реакция нейтрализации,
- обратимость,
- рН.
Также процессы гидролиза имеют большую практическую значимость.
Итак, какова же сущность гидролиза? Как будут изменять свою окраску индикаторы в растворах солей?
II. Основная часть.
1. Гидролиз солей
Сначала мы рассмотрели процесс гидролиза теоретически, изучили по литературным источникам [1,2,3,4,5], как будут себя вести себя растворы различных солей.
Мы узнали, что водные растворы солей имеют различные значения рН и различные типы сред - кислотную (рН ˂ 7), щелочную (рН ˃7) или нейтральную (рН = 7). И объясняется это тем, что соли в водных растворах могут подвергаться гидролизу.
Сущность гидролиза сводится к обменному химическому взаимодействию катионов и анионов соли с молекулами воды. В результате этого взаимодействия образуется мало диссоциирующее соединение (слабый электролит). А в водном растворе соли появляется избыток свободных ионов Н+ или ОН- , и раствор соли становится кислым или щелочным соответственно.
Любую соль можно представить как продукт взаимодействия кислоты с основанием.
В зависимости от силы основания и кислоты можно выделить 4 типа солей.
I. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой. Например, KCN, Na(CH3COO), Ba(NO2)2, Rb2CO3.
II. Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием. Например, CuCl2, NH4Br, FeSO4, Mn(NO3)2.
III.Соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием. Например, (NH4)2S, Cu(CH3COO)2, NH4CN.
IV. Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием. Например, NaCl, K2SO4, Ca(NO3)2, BaCl2.
Соли при растворении диссоциируют на ионы. Каждый из ионов окружен гидратной оболочкой. Молекулы воды этой оболочки не могут не испытывать влияние гидратируемого иона: связи Н- О - Н в молекулах воды поляризуются под действием заряда ионов соли, в результате чего ослабевают. В некоторых случаях это приводит к их разрыву. Но не каждый ион способен разрушать молекулу воды. Этим свойством обладают ионы слабых электролитов - слабых кислот и слабых оснований.
Мы еще узнали, что слабые кислоты и слабые основания диссоциируют по первой ступени, т.е легко отрывается только один ион водорода, или одна гидроксогруппа.
Примером гидролиза соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой является карбонат натрия. Какая среда будет в растворе этой соли?
NaOH Na2CO3 H2CO3
сильное основание слабая кислота
Na+ + OH- H+ + HCO3-
Соль эта растворима в воде, значит, она диссоциирует на ионы:
Na2CO3 2 Na+ + CO32-
Ионы слабой кислоты взаимодействуют с молекулами воды:
НОН + СО32- НСО3- + ОН-
Гидроксид - ионы оказались в избытке, значит, среда щелочная.
Молекулярное уравнение процесса гидролиза:
Na2CO3 + НОН Na НСО3 + NaОН
Как будет идти гидролиз хлорида алюминия, какая среда будет в водном растворе этой соли?
Эта соль образована слабым основанием и сильной кислотой.
Al(OH)3 AlCl3 HCl
с лабое основание сильная кислота
Al(OH)2+ + 2OH- H+ + Cl-
Хлорид алюминия растворим в воде, значит, он распадается на ионы:
AlCl3 Al3+ + 3 Cl-
Катионы алюминия из слабого основания, поэтому они ищут "поддержку" у молекул воды:
НОН + Al3+ Al(ОН)2+ + Н+
В растворе избыток ионов водорода, значит, среда - кислая.
Молекулярное уравнение:
AlCl3 + НОН = Al(ОН) Cl2 + НCl
Мы рассмотрели, как будет идти гидролиз раствора нитрата натрия. Эта соль образована сильным основанием и сильной кислотой.
NaOH NaNO3 HNO3
сильное основание сильная кислота
Na+ + OH- H+ + NO3-
Эти ионы сильные , им "поддержка"воды не нужна, поэтому раствор будет нейтральным.
Подвергаются гидролизу соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием, ионы этой соли одновременно связывают ионы Н+ и ОН-, смещая равновесие диссоциации воды. Процесс такого гидролиза часто необратимый, как в случае гидролиза Al2S3:
Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2S
Сульфиды хрома, алюминия, и их карбонаты не могут существовать в водных растворах, т.к. подвергаются полному гидролизу и соль разлагается. В этом случае реакция раствора зависит от степени диссоциации продуктов гидролиза - кислоты и основания, если [Н+] ˃ [ОН-], то среда - кислая, если [Н+] ˂ [ОН-] - среда щелочная, а если [Н+] = [ОН-] - среда нейтральная.
Еще одним примером такого гидролиза является гидролиз сульфата магния:
MgSO4 Mg2+ + SO32-
Оба иона этой соли из слабых соединений, поэтому им обоим нужна "поддержка":
M g2+ + SO32- + HOH = Mg(OH)2 + H2SO3
H2O SO2
Среда раствора в данном случае будет нейтральной.
Изучив таким образом по информационным источникам процесс гидролиза солей, мы пришли к выводу, что гидролиз - это взаимодействие солей с водой. Но это не только разрушение молекул солей молекулами воды, а затем разрушение молекул воды ионами солей, а и образование новых веществ.
2. Гидролиз других неорганических соединений.
Мы изучили по информационным источникам как идет гидролиз других неорганических соединений. Для проведения опытов в школе не оказалось необходимых реактивов, поэтому эту часть исследования мы провели теоретически. Опыты смотрели в Интернете.
2.1. Гидролиз карбидов металлов.
Водой карбиды легко разлагаются - гидролизуются. при этом образуются различные углеводороды и гидроксиды металлов. Самый известный пример - получение ацетилена гидролизом карбида кальция:
CaC2 + H2O = Ca(OH)2 + C2H2
Ацетилен выделяется также при гидролизе карбидов натрия, калия
(Na2C2 K2C2) и других.
Чистые карбиды - бесцветные кристаллы, но чаще встречаются технические, цвет которых может быть от бурого до чернрго.
Взаимодействие карбидов щелочных металлов с водой протекает очень бурно. Так, если карбид калия просто облить водой, произойдет настолько бурная реакция, что происходит взрыв такой силы, что выделяющийся ацетилен сразу разлагается с выделением угля. Как избежать взрыва? Химики нашли выход. Чтобы провести реакцию:
К2С2 + Н2О = 2КОН + С2Н2
надо медленно пропускать над карбидом водяной пар.
При гидролизе карбида алюминия выделяется метан:
Al4C3 + 12H2O = 4 Al (OH)3 + 3CH4
Так же гидролизуется карбид бериллия (Ве2С), а вот при гидролизе карбида магния образуется пропин:
M g2C3 + 4H2O = 2 Mg(OH)2 + HC C CH3
Но если взять карбид магния другого состава, MgC2 , то при гидролизе он образует ацетилен. Иногда при гидролизе ионных карбидов углеводороды выделяются совместно с водородом, который частично гидролизуется в непредельные углеводороды. С выделением почти равных количеств водорода и метана разлагается карбид марганца:
Mn3C + 6H2O = 3Mn(OH)2 + CH4 + H2
Мы узнали интересные факты о гидролизе карбидов редкоземельных металлов и тория, что при этом выделяют не чистый ацетилен, а его смесь с метаном, этиленом и другими углеводородами. Например, при гидролизе карбида церия СеС2 получается смесь ацетилена с метаном в соотношении 4:1, а также немного этилена, жидких и твердых углеводородов (состав продуктов зависит от условий проведения реакции). Оказывается, что еще больше жидких и твердых углеводородов дает гидролиз карбида урана.
Вывод: таким образом, мы узнали, что в результате гидролиза карбидов металлов можно получить органические вещества из неорганических. А это еще раз подтверждает единство живой и неживой природы.
2.2. Гидролиз галогенидов неметаллов.
Большинство галогенидов неметаллов относятся к соединениям с ковалентной связью и гидролизуются с выделением соответствующего галогеноводорода и кислородсодержащей кислоты, например:
SiCl4 + 3HOH = H2SiO3 + 4 HCl
2.3. Гидролиз фосфидов, нитридов некоторых металлов
Фосфиды и нитриды некоторых металлов разлагаются водой до соответствующих оснований и фосфина или аммиака. Например, гидролиз фосфина магния :
Mg3P2 + 6HOH = 3Mg(OH)2 + 2PH3
2.4.Взаимодействие гидридов металлов с водой
В отличие от гидролиза солей, который является обменным процессом, гидролиз таких веществ, как гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, являются окислительно - восстановительным процессом. Гидриды металлов разлагаются водой с образованием щелочи и водорода:
NaH + H2O = NaOH + H2
CaH2 + 2HOH = Ca(OH)2 + 2H2
Вывод: гидролизу могут подвергаться не только соли, но и карбиды металлов, фосфиды и нитриды некоторых металлов, галогениды неметаллов с образованием новых веществ.
А вот гидриды металлов гидролизу не подвергаются, водой разлагаются.
III. Практическая часть
3. Наши опыты по гидролизу
Следующим нашим шагом было подтвердить все это практически. Для этого мы исследовали растворы некоторых солей индикаторами.
Вполне доступным для нас оказался карбонат натрия. В три пробирки раствора этой соли мы добавляем лакмус, фенолфталеин, метилоранж. Лакмус приобрел синюю окраску, фенолфталеин - малиновую, а метилоранж - желтую, значит, раствор карбоната натрия имеет щелочную среду.
Мы испытали раствор хлорида алюминия этими же индикаторами, лакмус приобрел красную окраску, фенолфталеин не изменил свою окраску, метилоранж стал розовым, это значит, что раствор хлорида алюминия имеет кислую среду. Исследования раствора нитрата натрия индикаторами подтвердили наше предположение, что данный раствор имеет нейтральную среду.
Вывод: практические опыты подтвердили наши теоретические знания, полученные из литературы.
Далее у нас возник такой вопрос: если гидролиз солей идет с образованием свободных катионов водорода и гидроксид-анионов, то не будут ли растворы этих солей вступать в реакции как кислоты или щелочи?
Для этого мы исследовали раствор хлорида алюминия, добавив в него металлического магния. результат для нас оказался неожиданным: из раствора начал выделяться какой-то газ, при поджигании его раздался хлопок, значит это водород.
Хлорид алюминия диссоциирует на ионы:
AlCl3 = Al3+ + 3 Cl-
Гидролиз хлорида алюминия:
НОН + Al3+ = Al(ОН)2+ + Н+
О бразовавшиеся ионы водорода окисляют магний, превращаясь сначала в атомарный, а затем и в молекулярный водород:
2H+ + Mg0 = H2 + Mg2+
Раствор карбоната натрия взаимодействует с алюминием с образованием водорода. В пробирку с раствором карбоната натрия добавляем порошок алюминия. Начинает выделяться газ, определяем - это водород. Как образовался водород? Раствор карбоната натрия подвергся гидролизу. При гидролизе образуется гидроксид натрия:
Na2CO3 + HOH = NaHCO3 + NaOH,
который растворяет оксдную пленку, покрывающую алюминий:
Al2O3 + NaOH = 2NaAlO2 + H2O
и алюминий взаимодействует с водой, вытесняя из неё водород.
Al + 6H2O = Al(OH)3 + 3H2
Таким образом, мы подтвердили наше предположение, что соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, гидролизуются с образованием катионов водорода, вступают в реакции как кислоты. Соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой, гидролизуются с образованием гидроксид-анионов, вступают в реакции как щелочи.
Но у нас возник еще один вопрос: как изменится среда, если к раствору соли, образованной сильным основанием и слабой кислотой прилить раствор соли, образованной слабым основанием и сильной кислотой. Для опыта берем растворы карбоната натрия и хлорида магния, проверяем среду этих растворов универсальным индикатором, видим, что в первой пробирке щелочная среда, а во второй - кислая. Сливаем растворы, проверяем среду полученного раствора универсальным индикатором, она - нейтральная. Но мы еще наблюдаем выпадение осадка белого цвета.
N a2CO3 + MgCl2 = 2NaCl + MgCO3
Карбонат магния выпал в осадок, а образовавшаяся соль хлорида натрия имеет нейтральную среду, т.к. образована сильным основанием и сильной кислотой.
Мы еще раз доказали, что соли, образованные сильным основанием и слабой кислотой ведут себя как щелочи, а соли, образованные слабым основанием и сильной кислотой, как кислоты.
Гидролиз можно усилить разбавлением раствора, подогреванием (гидролиз - эндотермический процесс) и связыванием (удалением) какого -либо продукта гидролиза.
Протеканию реакции гидролиза можно препятствовать увеличением продуктов гидролиза. Обычно это достигается подкислением раствора соли слабого основания и сильной кислоты или подщелачиванием раствора соли сильного основания и слабой кислоты.
Проделав эти опыты мы пришли к выводу: катионы и анионы, которые образуются при гидролизе, могут вступать во взаимодействие друг с другом или с другими атомами или ионами, образуя новые вещества.
Продукты гидролиза многих веществ имеют практическое значение и применение.
3. Применение гидролиза
Обменные реакции между солями и водой широко распространены в природе. Явление гидролиза играет огромную роль в химическом преобразовании земной коры. Многие минералы земной коры - это сульфиды металлов, которые хотя и плохо растворимые в воде, постепенно взаимодействуют с ней. Такие процессы идут на поверхности Земли, и особенно интенсивно в её глубинах при повышенной температуре. В результате образуется огромное количество сероводорода, который выбрасывается на поверхность в результате вулканической деятельности. А силикатные породы постепенно переходят в гидроксиды, а потом и в оксиды металлов. В результате гидролиза минералов - алюмосиликатов - происходит разрушение горных пород.
Известный нам малахит (Cu(OH)CO3) - не что иное, как продукт гидролиза природных карбонатов.
В Мировом океане соли так же интенсивно взаимодействуют с водой. Из рек в океан попадают гидрокарбонаты кальция, магния, они придают морской воде слабощелочную среду. Вот в такой слабощелочной среде прибрежных вод, где рН около 9 наиболее интенсивно протекают процессы фотосинтеза в морских растениях и лучше развиваются морские животные.
Мы узнали, что рН крови млекопитающих, человека и морской воды одинаковы, и пришли к выводу о справедливости гипотезы, что жизнь на Земле впервые появилась в морской воде. И, что человек носит в себе частицу той среды, в которой появились наши предки.
Есть у гидролиза негативные стороны. Например, нефть имеет примеси воды и многих солей, особенно хлоридов магния и кальция. При нагревании нефти в процессе её переработки до 2500С происходит взаимодействие этих хлоридов с водяным паром. При этом образуется хлороводород, который вступает в химическую реакцию с металлом, из которого сделано оборудование, разрушает его, что увеличивает стоимость нефтепродуктов.
Но у гидролиза есть немало положительного. Например, мелкодисперсный осадок гидроксида алюминия, образующийся при взаимодействии сульфата алюминия с водой, уже несколько веков используется человеком в качестве протравы при крашении тканей. Оседая на ткань и прочно соединяясь с ней, гидроксид алюминия затем легко адсорбирует красители и образует устойчивые красящие слои, которые выдерживают мокрую стирку ткани. Без такой протравы качественной окраски ткани не получится.
Этот же процесс используют для очистки питьевой воды и промышленных стоков: рыхлый аморфный осадок гидроксида алюминия обволакивает частички грязи и адсорбирует вредные примеси, увлекая все это на дно.
Похожий процесс существует и в природ: очистка природных вод глинами, которые представляют собой соединения алюминия.
Гидролиз карбоната и фосфата натрия применяется для очистки воды и уменьшения её жесткости.
Известкование почв с целью понижения кислотности также основано на реакции гидролиза.
В состав стиральной соды входит карбонат натрия, при гидролизе которого образуется щелочная среда. На этом свойстве основано использование этого вещества для стирки белья. С этой же целью можно использовать канцелярский клей, содержащий силикат калия, который тоже при гидролизе образует щелочную среду.
Мы проделали такой опыт: в растворе силикатного клея замочили грязную сковородку, прокипятили, дали остыть и потерли щеткой, вся грязь отошла.
Вывод: процессы гидролиза неорганических веществ идут в неживой природе со дня её появления. Человек научился использовать этот процесс.
IV. Заключение
В ходе исследовательской работы мы изучили по информационным источникам и проанализировали практически процесс гидролиза с помощью поискового и исследовательского методов. Решив проблему: только ли взаимодействуют с водой при растворении, мы выяснили противоречие между тем, почему растворы одних соединений изменяют окраску индикаторов, а другие - не изменяют. Мы подтвердили гипотезу о том, что, если неорганические вещества будут взаимодействовать с водой, то и продукты их гидролиза могут взаимодействовать с другими веществами, например, с металлами.
В ходе исследовательской работы посредством решения поставленных задач, мы достигли цели: установили, как идут процессы гидролиза неорганических соединений.
В ходе работы мы узнали о применении гидролиза человеком в промышленности и быту, и что гидролиз широко распространен в природе. Итак, гидролиз... С химической точки зрения - это распад молекул под действием воды. Но, если мыслить философскими категориями - гидролиз - это способ познания материи (неживой и живой). Процесс гидролиза позволяет дать ответ на извечный вопрос: "Что из чего состоит?".
Природа позволяет провести процесс распада виртуозно точно.
Но, гидролиз - это не просто распад и расцепление, это подготовка к будущему созиданию.
Со своей работой мы выступили перед учащимися 8,9,10 и 11 классов нашей школы.
Следующим нашим шагом будет изучение гидролиза органических веществ.
Информационные источники
1. О.С Габриелян, Г.Г.Лысова. Химия 11 класс. - М.; Дрофа. 2005.
2. Журнал "Химия в школе" № 6/ 2010, № 1/1998
3.http://www.zavuch.info/component/mtree/estestvennie/himia/
azrabhimiya/gidrjliz-solie-prezintacia.html
4. http://pedsovet.su/load/165-1-0-6729
5. http://uchportal.ru/load/59-1-0-12277