Задача 31 на ЕГЭ по химии. Особенности и подводные камни

Автор статьи — профессиональный репетитор О. В. Овчинникова.

Условие задачи 31 на ЕГЭ по химии  — это текст, описывающий последовательность экспериментальных действий. Данный текст нужно превратить в уравнения реакций.

Трудность такого задания в том, что школьники слабо представляют себе экспериментальную, не "бумажную" химию. Не все понимают используемые термины и протекающие процессы. Попробуем разобраться.

Очень часто понятия, которые химику кажутся совершенно ясными, абитуриентами воспринимаются неправильно. Вот кратких словарь таких понятий.

Словарь непонятных терминов.

1. Навеска — это просто некоторая порция вещества определенной массы (её взвесили на весах). Она не имеет отношения к навесу над крыльцом :-)
2. Прокалить — нагреть вещество до высокой температуры и греть до окончания химических реакций. Это не «смешивание с калием» и не «прокалывание гвоздём».
3. «Взорвали смесь газов» — это значит, что вещества прореагировали со взрывом. Обычно для этого используют электрическую искру. Колба или сосуд при этом не взрываются!
4. Отфильтровать — отделить осадок от раствора.
5. Профильтровать — пропустить раствор через фильтр, чтобы отделить осадок.
6. Фильтрат — это профильтрованный раствор.
7. Растворение вещества — это переход вещества в раствор. Оно может происходить без химических реакций (например, при растворении в воде поваренной соли NaCl получается раствор поваренной же соли NaCl, а не щелочь и кислота отдельно), либо в процессе растворения вещество реагирует с водой и образует раствор другого вещества (при растворении оксида бария получится раствор гидроксида бария). Растворять можно вещества не только в воде, но и в кислотах, в щелочах и т.д.
8. Выпаривание — это удаление из раствора воды и летучих веществ без разложения содержащихся в растворе твёрдых веществ.
9. Упаривание — это просто уменьшение массы воды в растворе с помощью кипячения.
10. Сплавление — это совместное нагревание двух или более твёрдых веществ до температуры, когда начинается их плавление и взаимодействие. С плаванием по реке ничего общего не имеет :-)
11. Осадок и остаток.
    Очень часто путают эти термины. Хотя это совершенно разные понятия.
    «Реакция протекает с выделением осадка» — это означает, что одно из веществ, получающихся в реакции, малорастворимо. Такие вещества выпадают на дно реакционного сосуда (пробирки или колбы).
    «Остаток» — это вещество, которое осталось, не истратилось полностью или вообще не прореагировало. Например, если смесь нескольких металлов обработали кислотой, а один из металлов не прореагировал — его могут назвать остатком.
12. Насыщенный раствор — это раствор, в котором при данной температуре концентрация вещества максимально возможная и больше уже не растворяется.

    Ненасыщенный раствор — это раствор, концентрация вещества в котором не является максимально возможной, в таком растворе можно дополнительно растворить ещё какое-то количество данного вещества, до тех пор, пока он не станет насыщенным.

    Пересыщенный раствор – это раствор, в котором при данной температуре растворено больше вещества, чем в насыщенном.

    Разбавленный и «очень» разбавленный раствор — это весьма условные понятия, скорее качественные, чем количественные. Подразумевается, что концентрация вещества невелика.

    Для кислот и щелочей также используют термин «концентрированный» раствор. Это тоже характеристика условная. Например, концентрированная соляная кислота имеет концентрацию всего около 40%. А концентрированная серная — это безводная, 100%-ная кислота.

Для того, чтобы решать такие задачи, надо чётко знать свойства большинства металлов, неметаллов и их соединений: оксидов, гидроксидов, солей. Необходимо повторить свойства азотной и серной кислот, перманганата и дихромата калия, окислительно-восстановительные свойства различных соединений, электролиз растворов и расплавов различных веществ, реакции разложения соединений разных классов, амфотерность, гидролиз солей и других соединений, взаимный гидролиз двух солей.

Кроме того, необходимо иметь представление о цвете и агрегатном состоянии большинства изучаемых веществ — металлов, неметаллов, оксидов, солей.

Именно поэтому мы разбираем этот вид заданий в самом конце изучения общей и неорганической химии.
Рассмотрим несколько примеров подобных заданий.

1. Пример 1: Продукт взаимодействия лития с азотом обработали водой. Полученный газ пропустили через раствор серной кислоты до прекращения химических реакций. Полученный раствор обработали хлоридом бария. Раствор профильтровали, а фильтрат смешали с раствором нитрита натрия и нагрели.

Решение:

1. Литий реагирует с азотом при комнатной температуре, образуя твёрдый нитрид лития:

   \(\rm 6Li + N2 = 2Li_3N\)

2. При взаимодействии нитридов с водой образуется аммиак:

   \(\rm Li_3N + 3H_2O = 3LiOH + NH_3\)

3. Аммиак реагирует с кислотами, образуя средние и кислые соли. Слова в тексте «до прекращения химических реакций» означают, что образуется средняя соль, ведь первоначально получившаяся кислая соль далее будет взаимодействовать с аммиаком и в итоге в растворе будет сульфат аммония:

   \(\rm 2NH_3 + H_2SO_4 = (NH_4)_2SO_4\)

4. Обменная реакция между сульфатом аммония и хлоридом бария протекает с образованием осадка сульфата бария:

   \(\rm (NH_4)_2SO_4 + BaCl_2 = BaSO_4 + 2NH_4Cl\)

5. После удаления осадка фильтрат содержит хлорид аммония, при взаимодействии которого с раствором нитрита натрия выделяется азот, причём эта реакция идёт уже при 85 градусах:
   \(\rm NH_4Cl + NaNO_2 \xrightarrow{t^{\circ}} N_2 + 2H_2O + NaCl\)

1. Пример 2: Навеску алюминия растворили в разбавленной азотной кислоте, при этом выделялось газообразное простое вещество. К полученному раствору добавили карбонат натрия до полного прекращения выделения газа. Выпавший осадок отфильтровали и прокалили, фильтрат упарили, полученный твёрдый остаток сплавили с хлоридом аммония. Выделившийся газ смешали с аммиаком и нагрели полученную смесь.

Решение:

1. Алюминий окисляется азотной кислотой, образуя нитрат алюминия. А вот продукт восстановления азота может быть разным, в зависимости от концентрации кислоты. Но надо помнить, что при взаимодействии азотной кислоты с металлами не выделяется водород! Поэтому простым веществом может быть только азот:

   \(\rm 10Al + 36HNO_3 = 10Al(NO_3)_3 + 3N_2 + 18H_2O\)

   \(\rm \left.\begin{matrix}Al^0 - 3e = Al^{3+}
   & \\ 2N^{+5} + 10e = N_2^0
   \end{matrix}\right|
   \left.\begin{matrix}10
   & \\ 3
   \end{matrix}\right.\)

2. Если к раствору нитрата алюминия добавить карбонат натрия, то идёт процесс взаимного гидролиза (карбонат алюминия не существует в водном растворе, поэтому катион алюминия и карбонат-анион взаимодействуют с водой). Образуется осадок гидроксида алюминия и выделяется углекислый газ:

   \(\rm 2Al(NO_3)_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O = 2Al(OH)_3\downarrow + 3CO_2\uparrow + 6NaNO_3\)

3. Осадок — гидроксид алюминия, при нагревании разлагается на оксид и воду:
   \(\rm 2Al(OH)_3 \xrightarrow{t^{\circ}} Al_2O_3 + 3H_2O\)
4. В растворе остался нитрат натрия. При его сплавлении с солями аммония идёт окислительно-восстановительная реакция и выделяется оксид азота (I) (такой же процесс происходит при прокаливании нитрата аммония):

   \(\rm NaNO_3 + NH_4Cl = N_2O + 2H_2O + NaCl\)

5. Оксид азота (I) — является активным окислителем, реагирует с восстановителями, образуя азот:

   \(\rm 3N_2O + 2NH_3 = 4N_2 + 3H_2O\)

1. Пример 3: Оксид алюминия сплавили с карбонатом натрия, полученное твёрдое вещество растворили в воде. Через полученный раствор пропускали сернистый газ до полного прекращения взаимодействия. Выпавший осадок отфильтровали, а к профильтрованному раствору прибавили бромную воду. Полученный раствор нейтрализовали гидроксидом натрия.

Решение:

1. Оксид алюминия — амфотерный оксид, при сплавлении со щелочами или карбонатами щелочных металлов образует алюминаты:

   \(\rm Al_2O_3 + Na_2CO_3 = 2NaAlO_2 + CO_2\)

2. Алюминат натрия при растворении в воде образует гидроксокомплекс:

   \(\rm NaAlO_2 + 2H_2O = Na[Al(OH)_4]\)

3. Растворы гидроксокомплексов реагируют с кислотами и кислотными оксидами в растворе, образуя соли. Однако, сульфит алюминия в водном растворе не существует, поэтому будет выпадать осадок гидроксида алюминия. Обратите внимание, что в реакции получится кислая соль — гидросульфит калия:

   \(\rm Na[Al(OH)_4] + SO_2 = NaHSO_3 + Al(OH)_3\)

4. Гидросульфит калия является восстановителем и окисляется бромной водой до гидросульфата:

   \(\rm NaHSO_3 + Br_2 + H_2O = NaHSO_4 + 2HBr\)

5. Полученный раствор содержит гидросульфат калия и бромоводородную кислоту. При добавлении щелочи нужно учесть взаимодействие с ней обоих веществ:
   \(\rm NaHSO_4 + NaOH = Na_2SO_4 + H_2O\)

   \(\rm HBr + NaOH = NaBr + H_2O\)

1. Пример 4: Сульфид цинка обработали раствором соляной кислоты, полученный газ пропустили через избыток раствора гидроксида натрия, затем добавили раствор хлорида железа (II). Полученный осадок подвергли обжигу. Полученный газ смешали с кислородом и пропустили над катализатором.

Решение:

1. Сульфид цинка реагирует с соляной кислотой, при этом выделяется газ — сероводород:

   \(\rm ZnS + HCl = ZnCl_2 + H_2S\)

2. Сероводород — в водном растворе реагирует со щелочами, образуя кислые и средние соли. Поскольку в задании говорится про избыток гидроксида натрия, следовательно, образуется средняя соль — сульфид натрия:

   \(\rm H_2S + NaOH = Na_2S + H_2O\)

3. Сульфид натрия реагирует с хлоридом двухвалентного железа, образуется осадок сульфида железа (II):

   \(\rm Na_2S + FeCl_2 = FeS + NaCl\)

4. Обжиг — это взаимодействие твёрдых веществ с кислородом при высокой температуре. При обжиге сульфидов выделяется сернистый газ и образуется оксид железа (III):

   \(\rm FeS + O_2 = Fe_2O_3 + SO_2\)

5. Сернистый газ реагирует с кислородом в присутствии катализатора, образуя серный ангидрид:

   \(\rm SO_2 + O_2 = SO_3\)

1. Пример 5: Оксид кремния прокалили с большим избытком магния. Полученную смесь веществ обработали водой. При этом выделился газ, который сожгли в кислороде. Твёрдый продукт сжигания растворили в концентрированном растворе гидроксида цезия. К полученному раствору добавили соляную кислоту.

Решение:

1. При восстановлении оксида кремния магнием образуется кремний, который реагирует с избытком магния. При этом получается силицид магния:
   \(\rm SiO2 + Mg = MgO + Si\)

   \(\rm Si + Mg = Mg_2Si\)

   Можно записать при большом избытке магния суммарное уравнение реакции:

   \(\rm SiO_2 + Mg = MgO + Mg_2Si\)

2. При растворении в воде полученной смеси растворяется силицид магния, образуется гидроксид магния и силан (окисд магния реагирует с водой только при кипячении):

   \(\rm Mg_2Si + H_2O = Mg(OH)_2 + SiH_4\)

3. Силан при сгорании образует оксид кремния:

   \(\rm SiH_4 + O_2 = SiO_2 + H_2O\)

4. Оксид кремния — кислотный оксид, он реагирует со щелочами, образуя силикаты:

   \(\rm SiO_2 + CsOH = Cs_2SiO_3 + H_2O\)

5. При действии на растворы силикатов кислот, более сильных, чем кремниевая, она выделяется в виде осадка:

   \(\rm Cs_2SiO_3 + HCl = CsCl + H_2SiO_3\)

Задания С2 из вариантов ЕГЭ по химии для самостоятельной работы.

Читаем дальше: Задачи на сплавы и смеси на ЕГЭ по химии.
Задача С5 на ЕГЭ по химии. Определение формул органических веществ.