Почему раствор соды мылкий и щелочной, а раствор нашатыря кислый, хотя обе соли нейтральны на вид? Растворяй соли в воде и смотри, какой ион отнимает у воды H⁺ или OH⁻ и куда сдвигается pH.
Любую соль можно представить как продукт кислоты и основания: NaCl получается из NaOH и HCl, сода Na₂CO₃ из NaOH и угольной кислоты. В воде соль сразу распадается на ионы. Ион, который пришел от сильной кислоты или сильного основания, с водой не связывается. А ион от слабой кислоты или слабого основания отрывает от молекулы воды ее часть.
Карбонат-ион CO₃²⁻ забирает у воды H⁺, и в растворе остаются лишние OH⁻: раствор соды щелочной, мылкий на ощупь. Ион аммония NH₄⁺ наоборот отдает воде H⁺, и раствор становится кислым. Эта реакция ионов соли с водой и называется гидролизом. Кислотность раствора показывает число pH.
ⓘ pH считается точно, по балансу протонов с табличными константами кислот и оснований при 25 °C. На рисунке в стакане показаны все ионы соли, а под лупой одно столкновение иона с молекулой воды.
Вода сама чуть-чуть распадается на H⁺ и OH⁻, и произведение их концентраций всегда одно и то же. Ион соли, который отнимает у воды H⁺ или отдает его, сдвигает это равновесие. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая работает для выбранной соли, подсвечена.
Нейтральная вода и шкала pH
Сколько бы ни было H⁺, их произведение с OH⁻ при 25 °C равно 10⁻¹⁴. Поэтому больше H⁺ значит меньше OH⁻. pH это показатель степени со знаком минус: pH = −lg[H⁺].
Соль слабой кислоты: среда щелочная
Анион слабой кислоты забирает H⁺ у воды и оставляет OH⁻. Его сила как основания Kb тем больше, чем слабее была кислота: Kb = Kw / Ka.
Соль слабого основания: среда кислая
Катион слабого основания отдает воде H⁺. NH₄⁺ становится NH₃, а гидратированный Al³⁺ отщепляет H⁺ от своей молекулы воды. Сила катиона как кислоты Ka = Kw / Kb.
α ≈ √(K / C)
Если [OH⁻] ≈ √(K · C), то доля прореагировавших ионов α = [OH⁻] / C = √(K / C). Разбавь раствор в 100 раз, и α вырастет в 10 раз. Но pH при этом все равно приближается к 7: ионов соли стало слишком мало, чтобы сильно изменить воду. Это видно на двух левых графиках опыта.
Для пары «кислота и ее анион» выполняется Ka · Kb = Kw, или pKa + pKb = 14. Чем сильнее кислота, тем слабее ее анион, и наоборот. У уксусной кислоты pKa = 4,76, у аммиака pKb = 4,75, почти поровну. Поэтому в ацетате аммония катион отдает воде столько же H⁺, сколько анион забирает, и pH = 7 + (pKa − pKb) / 2 ≈ 7 при любой концентрации.
Кальцинированная сода Na₂CO₃ дает щелочной раствор с pH от 11 до 12. Щелочь превращает жиры и масла в растворимое мыло, поэтому горячим содовым раствором отмывают детали двигателей, полы ремонтных боксов и емкости. Работать нужно в перчатках: щелочь сушит и разъедает кожу.
Сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃ добавляют в мутную воду. Ион Al³⁺ гидролизуется до гидроксида алюминия Al(OH)₃, а он выпадает рыхлыми хлопьями, которые захватывают глину и муть и оседают. Так очищают питьевую воду и оборотную воду обогатительных фабрик.
Сульфат аммония и аммиачная селитра это соли слабого основания, их растворы кислые. При долгом применении почва закисляется, поэтому ее известкуют. Карбонат калия (поташ) наоборот дает щелочную среду.
Паяльная кислота это раствор хлорида цинка ZnCl₂, а нашатырь это NH₄Cl. Обе соли гидролизуются до кислой среды и снимают пленку оксидов с металла, чтобы припой смочил поверхность. Остатки флюса после пайки смывают, иначе они вызывают коррозию.
При твердении цемента силикаты кальция гидролизуются, и вода в порах бетона имеет pH от 12 до 13. В такой щелочной среде сталь покрывается защитной пленкой и не ржавеет. Когда углекислый газ воздуха снижает pH, арматура начинает ржаветь.
В воду котлов добавляют соду или тринатрийфосфат Na₃PO₄. Их гидролиз держит щелочную среду, при которой сталь корродирует медленно, а соли жесткости выпадают рыхлым шламом, а не плотной накипью на трубах.
Температура 25 °C, Kw = 10⁻¹⁴. Константы: угольная кислота Ka1 = 4,45 · 10⁻⁷ и Ka2 = 4,69 · 10⁻¹¹, уксусная кислота 1,75 · 10⁻⁵, аммиак Kb = 1,77 · 10⁻⁵, гидратированный ион алюминия Ka ≈ 1 · 10⁻⁵ (учтена только первая ступень). Сульфат-ион считается не реагирующим с водой, хотя он очень слабо подщелачивает раствор. Растворы считаются идеальными: концентрации подставляются вместо активностей, поэтому при 1 моль/л реальный pH может отличаться на несколько десятых. Углекислый газ из воздуха не учитывается. Цвет индикатора показан примерно; число нарисованных ионов условное.