Задание 21 ЕГЭ по химии: гидролиз солей и среда раствора

Что проверяет задание

Задание 21 проверяет умение определять характер среды водного раствора соли — кислую, щелочную или нейтральную — и сравнивать растворы разных солей по значению pH. В основе лежит понятие гидролиза: взаимодействие ионов соли с водой, при котором смещается равновесие диссоциации воды $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$.

Чтобы выполнить задание, нужно связать три вещи: состав соли (какой кислотой и каким основанием она образована), силу этой кислоты и основания и то, как это влияет на pH. Задание не требует численных расчётов — только качественное сравнение, поэтому важнее логика, а не формулы констант равновесия.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

В экзаменационном варианте и тренировочных работах формулировка почти всегда одинаковая: даётся список из четырёх веществ (обычно солей, иногда кислот), пронумерованных цифрами 1–4. Нужно расположить их либо в порядке возрастания pH (от самого кислого к самому щелочному), либо в порядке убывания pH (от самого щелочного к самому кислому). Ответ записывается как последовательность из четырёх цифр без пробелов, например 3142.

Задание относится к части 1, оценивается в 1 балл, засчитывается только полностью верная последовательность — частичного балла за «почти правильный» порядок нет. Формулировки могут отличаться словами («расположите в порядке увеличения», «в порядке уменьшения»), поэтому первое, что нужно сделать, — внимательно прочитать, в каком направлении нужно выстраивать ряд.

Что нужно знать

• Гидролиз соли — реакция ионов соли с водой, в результате которой изменяется соотношение $[H^+]$ и $[OH^-]$ в растворе.
• Ионное произведение воды: $K_w = [H^+]\cdot[OH^-] = 10^{-14}$ при 25 °C; нейтральная среда — $pH = 7$.
• Четыре типа солей по силе образующих кислоты и основания:
• сильная кислота + сильное основание → гидролиза нет, среда нейтральная ($NaCl$, $KNO_3$, $K_2SO_4$);
• слабая кислота + сильное основание → гидролиз по аниону, среда щелочная ($CH_3COONa$, $Na_2CO_3$, $K_3PO_4$);
• сильная кислота + слабое основание → гидролиз по катиону, среда кислая ($NH_4Cl$, $(NH_4)_2SO_4$);
• слабая кислота + слабое основание → гидролиз и по катиону, и по аниону, среда зависит от соотношения силы кислоты и основания.
• Уравнения гидролиза по аниону и катиону: $$CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$$ $$NH_4^+ + H_2O \rightleftharpoons NH_4OH + H^+$$
• Чем слабее кислота (меньше её константа диссоциации $K_a$), тем сильнее гидролизуется её анион и тем выше pH раствора соответствующей соли (при равных концентрациях).
• Чем слабее основание (меньше $K_b$), тем сильнее гидролизуется катион и тем ниже pH раствора соли.
• Многоосновные слабые кислоты диссоциируют ступенчато, и каждая следующая ступень слабее предыдущей: $K_{a1} \gg K_{a2} \gg K_{a3}$. Поэтому анион с максимальным зарядом (например, $PO_4^{3-}$) гидролизуется сильнее, чем анион с меньшим зарядом ($HPO_4^{2-}$).
• Кислые соли сильных кислот (например, $NaHSO_4$) содержат анион, который сам является достаточно сильной кислотой (диссоциация $HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$ протекает практически полностью), поэтому такие соли дают кислую среду, а не нейтральную.
• Кислые и средние соли слабых многоосновных кислот (гидрокарбонаты, гидрофосфаты) могут вести себя по-разному: для них конкурируют два процесса — диссоциация с отщеплением $H^+$ и гидролиз с образованием $OH^-$. Итоговая среда определяется тем, какой процесс сильнее.

Методы решения

Метод 1. Классификация по типу «кислота — основание». Для каждой соли определяем, от какой кислоты и какого основания она произведена, и относим к одному из четырёх типов. Пример: $K_2SO_4$ — сильная $H_2SO_4$ и сильный $KOH$ → нейтральная среда, $pH = 7$.

Метод 2. Сравнение силы слабых кислот/оснований внутри одной группы. Если несколько солей относятся к одному типу (например, все — соли слабой кислоты и сильного основания), сравниваем силу исходных кислот: чем слабее кислота, тем выше pH. Пример: $Na_2CO_3$ (карбонат) даёт более щелочную среду, чем $NaHCO_3$-подобные соли слабых, но более сильных кислот, потому что $H_2CO_3$ — слабая кислота с малой $K_a$.

Метод 3. Анализ кислых солей: диссоциация против гидролиза. Для солей типа $NaHSO_4$, $NaHCO_3$, $KH_2PO_4$, $K_2HPO_4$ нужно понять, что преобладает — кислотная диссоциация анион-кислотного остатка или его гидролиз. Пример: $NaHSO_4$ — анион $HSO_4^-$ сильно диссоциирует, среда кислая; $NaHCO_3$ — анион $HCO_3^-$ гидролизуется сильнее, чем диссоциирует, среда слабощелочная.

Метод 4. Сравнение солей по ступеням гидролиза одного элемента. Для рядов вроде $PO_4^{3-}$, $HPO_4^{2-}$, $H_2PO_4^-$ используем правило: чем больше заряд аниона (чем «дальше» от полностью протонированной формы), тем сильнее гидролиз и выше pH. Пример: $K_3PO_4$ даёт более щелочную среду, чем $K_2HPO_4$.

Метод 5. Итоговая сортировка по «шкале сред». После определения характера каждой соли (кислая/нейтральная/щелочная) сначала группируем вещества по трём зонам pH, а внутри зоны — по силе гидролиза (методы 2–4). Это избавляет от путаницы при финальной расстановке.

Алгоритм решения по шагам

1. Выписать формулу каждого вещества и определить, какие ионы образуются при его диссоциации.
2. Для каждой соли назвать исходную кислоту и основание, оценить их силу (сильная/слабая) по стандартному списку сильных кислот и оснований.
3. Отнести соль к одному из четырёх типов гидролиза и определить общий характер среды: кислая, щелочная или нейтральная.
4. Если внутри списка несколько солей одного типа — сравнить их между собой по силе слабой кислоты/основания или по количеству протонов (для кислых/основных солей).
5. Особое внимание — кислым солям сильных многоосновных кислот и ступенчатому гидролизу слабых многоосновных кислот.
6. Выстроить итоговый порядок в соответствии с направлением, указанным в условии (возрастание или убывание pH).
7. Проверить порядок, «прогнав» его логически: кислые вещества — слева, щелочные — справа (или наоборот при убывании).

Разбор примеров

Пример 1. Даны $NaNO_3$, $Na_3PO_4$, $NaHSO_4$, $NaHCO_3$. Нужно расположить от самого кислого к самому щелочному раствору.

Шаг 1–3. Определяем тип каждой соли.

• $NaNO_3$ — соль сильной $HNO_3$ и сильного $NaOH$ → нейтральная среда, $pH \approx 7$.
• $Na_3PO_4$ — соль слабой $H_3PO_4$ (особенно слабой по третьей ступени) и сильного $NaOH$ → сильный гидролиз по аниону $PO_4^{3-}$, среда сильно щелочная.
• $NaHSO_4$ — кислая соль сильной $H_2SO_4$; анион $HSO_4^-$ диссоциирует практически полностью, ведёт себя как достаточно сильная кислота → среда кислая, причём самая кислая из представленных.
• $NaHCO_3$ — гидрокарбонат слабой $H_2CO_3$; гидролиз аниона $HCO_3^-$ преобладает над его слабой диссоциацией → среда слабощелочная.

Шаг 4. Сравниваем: $NaHSO_4$ (кислая) < $NaNO_3$ (нейтральная) < $NaHCO_3$ (слабощелочная) < $Na_3PO_4$ (сильно щелочная).

Шаг 5. Итоговый порядок от кислого к щелочному: 3, 1, 4, 2. Ответ: 3142.

Пример 2. Даны $K_2SO_4$, $(NH_4)_2SO_4$, $K_3PO_4$, $K_2HPO_4$. Нужно расположить от самого щелочного к самому кислому.

Шаг 1–3.

• $K_2SO_4$ — сильная $H_2SO_4$ и сильный $KOH$ → нейтральная среда.
• $(NH_4)_2SO_4$ — сильная $H_2SO_4$ и слабое основание $NH_4OH$ → гидролиз по катиону $NH_4^+$, среда кислая.
• $K_3PO_4$ — слабая $H_3PO_4$, гидролиз по аниону $PO_4^{3-}$ (третья, самая слабая ступень кислоты) → сильно щелочная среда.
• $K_2HPO_4$ — анион $HPO_4^{2-}$ гидролизуется (вторая ступень) сильнее, чем диссоциирует, но слабее, чем $PO_4^{3-}$ → среда щелочная, но менее выраженная, чем у $K_3PO_4$.

Шаг 4. Сравниваем: $K_3PO_4$ (самый щелочной) > $K_2HPO_4$ (щелочной, но слабее) > $K_2SO_4$ (нейтральный) > $(NH_4)_2SO_4$ (кислый).

Шаг 5. Порядок от щелочного к кислому: 3, 4, 1, 2. Ответ: 3412.

Пример 3. Даны $HClO$, $HClO_3$, $KClO$, $KClO_3$. Нужно расположить в порядке возрастания pH.

Шаг 1–3.

• $HClO_3$ — сильная кислота (хлорноватая), полностью диссоциирует → самая низкая pH в ряду.
• $HClO$ — слабая кислота (хлорноватистая, малая $K_a$), диссоциирует незначительно → среда кислая, но заметно слабее, чем у $HClO_3$, поэтому pH выше, чем у сильной кислоты.
• $KClO_3$ — соль сильной кислоты $HClO_3$ и сильного основания $KOH$ → нейтральная среда, $pH \approx 7$.
• $KClO$ — соль слабой кислоты $HClO$ и сильного основания $KOH$ → гидролиз по аниону $ClO^-$, среда щелочная.

Шаг 4. Сравниваем: $HClO_3$ (самый низкий pH) < $HClO$ (кислый, но выше) < $KClO_3$ (нейтральный) < $KClO$ (щелочной, самый высокий pH).

Шаг 5. Порядок возрастания pH: 2, 1, 4, 3. Ответ: 2143.

Во всех трёх примерах видно общую логику: сначала определяется тип (кислота/соль сильной или слабой природы), затем внутри одинаковых типов проводится более тонкое сравнение по силе кислоты, силе основания или ступеням диссоциации.

Типичные ошибки и ловушки

• Путают кислую соль сильной кислоты ($NaHSO_4$) со средней солью и считают среду нейтральной — на самом деле анион $HSO_4^-$ сам ведёт себя как кислота.
• Считают гидрокарбонат и карбонат одинаково щелочными — на самом деле $Na_2CO_3$ гидролизуется намного сильнее, чем $NaHCO_3$, из-за разницы в силе соответствующих ступеней диссоциации угольной кислоты.
• Забывают, что дигидрофосфаты ($KH_2PO_4$) часто дают слабокислую среду (диссоциация преобладает над гидролизом), а гидрофосфаты ($K_2HPO_4$) — слабощелочную (гидролиз преобладает).
• Путают направление сортировки: условие может требовать порядок и от кислого к щелочному, и наоборот — важно перечитать формулировку перед записью ответа.
• Не учитывают, что для солей типа «слабая кислота + слабое основание» среда определяется сравнением констант диссоциации кислоты и основания, а не автоматически считается нейтральной.
• Ошибочно считают, что концентрация раствора (1 М, 0,1 М, 0,15 М) меняет порядок веществ по типу среды — на самом деле она влияет только на численное значение pH, а не на качественное сравнение типов гидролиза, поэтому порядок веществ остаётся тем же независимо от указанной концентрации.

Как готовиться

Выучите список сильных кислот ($HCl$, $HBr$, $HI$, $HNO_3$, $H_2SO_4$, $HClO_4$, $HClO_3$) и сильных оснований (гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов, кроме $Be(OH)_2$ и $Mg(OH)_2$) — всё остальное считается слабым. Составьте для себя короткую таблицу силы распространённых слабых кислот (уксусная, угольная, фосфорная по ступеням, хлорноватистая, сероводородная) — понимание относительной силы позволяет быстро сравнивать степень гидролиза.

Тренируйтесь писать уравнения гидролиза для катиона и аниона отдельно — это помогает не путать, кто из ионов реагирует с водой. Разбирайте отдельно кислые и основные соли многоосновных кислот, отмечая, что для них нужен анализ конкуренции диссоциации и гидролиза, а не автоматическое применение правила «слабая кислота — щелочная соль».

При решении реальных заданий из тренировочных и диагностических работ используйте метод группировки: сначала распределите вещества по трём зонам (кислая, нейтральная, щелочная среда), а затем уточняйте порядок внутри зоны. Проверяйте ответ логически ещё раз перед записью — большинство ошибок связано не с непониманием теории, а с невнимательностью при финальной сортировке или перепутанным направлением (возрастание/убывание).