"Задание 32 ЕГЭ по химии"

Задание 32  ЕГЭ по химии: реакции, подтверждающие взаимосвязь различных классов неорганических веществ

Задание 32 на ЕГЭ по химии содержит описание эксперимента, состоящего из последовательно проводимых химических реакций и лабораторных методов разделения продуктов реакций (мысленный эксперимент).

Для выполнения этого задания необходимо хорошее понимание некоторых тем общей химии и химии элементов, а именно: основные классы неорганических веществ, химические свойства и получение оксидов, кислот, оснований и солей, и взаимосвязь между различными классами неорганических веществ; свойства простых веществ — металлов и неметаллов; гидролиз; электролиз; окислительно-восстановительные реакции (ОВР), основные окислители и восстановители, и их превращения в разных условиях, основные типы ОВР, химия щелочных металлов и их соединений, щелочноземельных металлов и соединений, углерода, кремния, азота, фосфора, серы, галогенов.

Задание 1. Раствор, полученный при взаимодействии меди с концентрированной азотной кислотой, выпарили и осадок прокалили. Газообразные продукты реакции разложения полностью поглощены водой, а над твердым остатком пропустили водород. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Ключевые слова — концентрированная азотная кислота и медь.

Медь — малоактивный металл, проявляет свойства восстановителя.

Окислительные свойства азотной кислоты определяет азот в степени окисления +5, поэтому при взаимодействии как с металлами, так и с другими восстановителями выделяется не водород, а вещество, содержащее азот в более низких степенях окисления; концентрированная азотная кислота растворяет малоактивные металлы и восстанавливается до NO2 (уравнение 1).

Ключевые слова — «… осадок прокалили». Нитраты металлов, находящихся в ряду активности от магния до меди, разлагаются при нагревании на оксид металла, бурый газ и кислород (уравнение 2).

Ключевые слова — «… пропустили водород». Восстановление оксидов металлов водородом — один из способов получения металлов (уравнение 3).

Ключевые слова — «Газообразные продукты… поглощены водой…». При разложении нитрата меди выделяются NO2 и O2. Оксиду азота (IV) соответствуют азотистая и азотная кислоты, однако в присутствии окислителя — молекулярного кислорода в растворе образуется только азотная кислота (уравнение 4).

1) Сu + 4HNO₃ (конц) = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂↑ +2Н₂O

2) 2Cu(NO₃)₂ = 2СuО + 4NO₂↑ + O₂↑

3) СuО + Н₂ = Сu + Н₂O

4) 4NO₂ + O₂+ 2Н₂O = 4HNO₃

Задание 2. Простое вещество, полученное при нагревании фосфата кальция с коксом и оксидом кремния, сплавили с металлическим кальцием. Продукт реакции обработали водой, а выделившийся газ собрали и пропустили через раствор соляной кислоты. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение

Ключевые слова — «… нагревании фосфата кальция с коксом и оксидом кремния …» . Первое из описанных превращений — промышленный способ получения фосфора (уравнение 1).

Ключевые слова — «Простое вещество … сплавили с кальцием».

Простое вещество, образовавшееся в первом превращении, — фосфор. Металлы (восстановители) взаимодействуют с неметаллами (окислителями) с образованием бинарных соединений (солей или оксидов) (уравнение 2).

Ключевые слова — «Продукт … обработали водой …». При взаимодействии фосфида Са₃Р₂ с водой происходит гидролиз (уравнение 3) и образуются гидроксид кальция Са(ОН)₂ и фоcфин РН₃, газ с чесночным запахом.

Ключевые слова — «… газ … раствор соляной кислоты». Фосфин, являясь аналогом аммиака, проявляет основные свойства и реагирует с кислотой с образованием соли фосфония РН₄С_l (уравнение 4).

1) Са₃(Р⁺⁵O₄)2 + 5С⁰ + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + 2Р⁰ + 5C⁺²O↑

2) 2Р + ЗСа = Са₃Р₂

3) Са₃Р₂ + 6Н₂O = 3Са(ОН)₂ + 2РН₃↑

4) РН₃ + НСl = РН₄Сl

Задание 3. Осадок, полученный при взаимодействии растворов хлорида железа(III) и нитрата серебра, отфильтровали. Фильтрат обработали раствором едкого кали. Выпавший осадок бурого цвета отделили и прокалили. Полученное вещество при нагревании реагирует c алюминием с выделением тепла и света. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Ключевые слова: «… взаимодействии растворов хлорида железа (III) и нитрата серебра…». При взаимодействии двух растворимых солей протекает реакция ионного обмена, если в продуктах реакции есть малодиссоциирующее вещество (газ, осадок, вода и др.). При взаимодействии нитрата серебра и хлорида железа (III) выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра (уравнение 1).

Далее осадок отфильтровали. Фильтрование — способ разделения смесей, при котором нерастворимые в воде вещества не проходят через тонкую пористую перегородку (фильтр), а растворимые в воде вещества с растворителем (фильтрат) переходят в отдельную емкость.

При фильтровании данного в задании раствора в осадке остается нерастворимый в воде хлорид серебра, а в фильтрат уходит растворимая в воде соль — нитрат железа (III).

Далее, ключевые слова: «… фильтрат обработали раствором едкого кали». При взаимодействии нитрата железа (III) с гидроксидом калия KOH протекает обменная реакция, с образованием нерастворимого в воде осадка — гидроксида железа (III)(реакция 2).

Далее, ключевые слова: «Выпавший осадок бурого цвета отделили и прокалили». Гидроксид железа (III) — нерастворимое в воде основание. Как правило, нерастворимые основания при прокаливании разлагаются на оксид металла и воду (реакция 3).

Далее «Полученное вещество при нагревании реагирует c алюминием с выделением тепла и света». Данное описание соответствует окислительно-восстановительной реакции между оксидом железа (III) и алюминием. При нагревании смеси этих соединений происходит экзотермическая реакция восстановления железа до простого вещества- металла, при этом теплота выделяется также в форме света. Восстановление металлов из оксидов с помощью алюминия называют алюмотермией.

1)       FeCl₃ + 3AgNO₃ = 3AgCl + Fe(NO₃)₃

2)       Fe(NO₃)₃ + KOH = Fe(OH)₃ + 3KNO₃

3)       3) 2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

4)  Fe₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Fe

Задание 4. Вещество, полученное на катоде при электролизе расплава хлорида натрия, сожгли в кислороде. Полученный продукт последовательно обработали сернистым газом и раствором гидроксида бария. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Первая часть: «… при электролизе расплава хлорида натрия». Электролиз — это химическая реакция, протекающая под действием тока. При электролизе расплавов солей на катоде происходит восстановление металлов до простых веществ, на аноде — окисление неметаллов до простых веществ (уравнение 1).

Далее, ключевые слова: «Вещество, полученное на катоде … сожгли в кислороде». При электролизе расплава хлорида натрия на катоде выделяется металлический натрий. При сжигании простое вещество натрий образует преимущественно пероксид (уравнение 2).

Ключевые слова: «Полученный продукт … обработали сернистым газом». Пероксид натрия, как и пероксид водорода, проявляет двойственные свойства, и может выступать и как окислитель, и как восстановитель. Сернистый газ SO₂ — типичный восстановитель. При взаимодействии с сернистым газом кислород пероксида натрия выступает в качестве окислителя и восстанавливается до степени окисления -2 (уравнение 3). Подробнее про ОВР — в статье «Окислительно-восстановительные реакции».

Ключевые слова: «… Полученный продукт последовательно обработали сернистым газом и раствором гидроксида бария». Сульфат натрия, полученный в предыдущей стадии, вступает в реакцию ионного обмена с гидроксидом бария с выпадением осадка сульфата бария (уравнение 4).

1)                 2NaCl = 2Na + Cl₂

2)                 2Na + O₂ = Na₂O₂

3)                 Na₂O₂ + SO₂ = Na₂SO₄

4)                 Na₂SO₄ + Ba(OH)₂ = NaOH + BaSO₄

Задание 5. Продукты разложения хлорида аммония последовательно пропустили через нагретую трубку, содержащую оксид меди (II), а затем через склянку с оксидом фосфора (V). Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Ключевые слова: «Продукты разложения хлорида аммония…». Хлорид аммония — соль, которая разлагается при нагревании твердой соли на газообразный аммиак и газ хлороводород (уравнение 1)

Далее, продукты разложения последовательно пропускают через нагретую трубку, содержащую оксид меди (II). Последовательно, значит, они реагируют по очереди. Оксид меди (II) — основный, при взаимодействии с кислотой HCl образует соль и воду (уравнение 2). Оксид меди (II) также проявляет окислительные свойства, при взаимодействии с аммиаком восстанавливается до простого вещества — меди, а аммиак окисляется также до  простого  вещества  (уравнение 3).  Подробнее  про  ОВР  — в статье «Окислительно-восстановительные реакции».

Далее, продукты реакций 2 и 3 пропускают через емкость с оксидом фосфора (V). Анализируем возможность протекания химической реакции между веществами. Простое вещество медь химически малоактивно и не реагирует с кислотным оксидом фосфора. Простое вещество азот также химически малоактивно, с оксидом фосфора (V) не реагирует. Зато с кислотным оксидом фосфора (V) отлично реагируют пары воды с образованием орто-фосфорной кислоты (уравнение 4).

1)       NH₄Cl = NH₃ + HCl

2)       CuO + 2HCl = CuCl₂ + H₂O

3) 3CuO + 2NH₃ = 3Cu + N₂ + 3H₂O

4) 3H₂O + P₂O₅ = 2H₃PO₄

Задание 6. К нерастворимой в воде соли белого цвета, которая встречается в природе в виде широко используемого в строительстве и архитектуре минерала, прилили раствор соляной кислоты, в результате соль растворилась и выделился газ, при пропускании которого через известковую воду выпал осадок белого цвета; осадок растворился при дальнейшем пропускании газа. При кипячении полученного раствора выпадает осадок. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Из школьного курса химии хорошо известно, что нерастворимой в воде солью белого цвета, которая встречается в природе в виде широко используемого в строительстве и архитектуре минерала является карбонат кальция CaCO₃. Нерастворимые соли растворяются под действием более сильных кислот, в данном случае, соляной кислоты (уравнение 1).

Образующийся газ пропускают через известковую воду Ca(OH)₂. Углекислый газ — типичный кислотный оксид, который при взаимодействии с щелочью образует соль — карбонат кальция (уравнение 2). Далее осадок растворился при дальнейшем пропускании газа. Здесь рассматривается очень важное свойство: средние соли многоосновных кислот под действием избытка кислоты образуют более кислые соли. Карбонат кальция в избытке углекислого газа образует более кислую соль — гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂, который хорошо растворим в воде (уравнение 3).

Свойства кислых солей в значительной степени складываются из свойств образующих кислые соли соединений. Свойства гидрокарбоната кальция определяются свойствами образующих его соединений — угольной кислоты H2CO3 и карбоната кальция. Несложно вывести, что при кипячении гидрокарбонат будет разлагаться на карбонат кальция (раздагается при более высоких температурах, порядка 1200 градусов Цельсия), углекислый газ и воду (уравнение 4).

1)                 CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂ + H₂O

2)                 CO₂ +Ca(OH)₂ = CaCO₃ + H₂O

3)                 CaCO₃ + H₂O + CO₂ = Ca(HCO₃)₂

4)                 Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂O + CO₂

Задание 7. Вещество, полученное на аноде при электролизе раствора йодида натрия с инертными электродами, прореагировало с сероводородом. Образовавшееся твёрдое вещество сплавили с алюминием и продукт растворили в воде. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Электролиз раствора йодида натрия с инертными электродами описывается уравнением:

1. 2NaI + 2H2O = 2NaOH + H2 + I2

При этом на аноде выделяется йод. Йод реагирует с сероводородом. При этом йод - окислитель, а сера — восстановитель:

2

2. I ⁰ + H₂S^-2 = 2HI^— + S⁰

При этом образовалась твердая сера. Сера реагирует с алюминием при сплавлении, образуя сульфид алюминия. Большинство неметаллов реагируют с металлами с образованием бинарных соединений:

3. 3S⁰ + 2Al⁰ = Al₂+3S₃-2

Продукт реакции алюминия с серой — сульфид алюминия — при растворении в воде необратимо распадается на гидроксид алюминия и сероводород:

4. Al₂S₃ + 12H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S

Такие реакции называют также реакциями необратимого гидролиза.

Задание 8. Сульфид хрома (III) обработали водой, при этом выделился газ и осталось нерастворимое вещество. К этому веществу прибавили раствор едкого натра и пропустили газообразный хлор, при этом раствор приобрёл жёлтое окрашивание. Раствор подкислили серной кислотой, в результате окраска изменилась на оранжевую; через полученный раствор пропустили газ, выделившийся при обработке сульфида водой, и цвет раствора изменился на зелёный. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

Ключевые слова: «Сульфид хрома (III) обработали водой, при этом выделился газ и осталось нерастворимое вещество «Сульфид хрома (III) под действием воды разлагается на гидроксид и сероводород». Подробно реакции гидролиза таких соединений рассмотрены в статье «Гидролиз». (реакция 1)

1) Cr₂S₃ + 6H₂O = 2Cr(OH)₃ + 3H₂S

Ключевые слова: «… прибавили раствор едкого натра и пропустили газообразный хлор, при этом раствор приобрёл жёлтое окрашивание». Под действием хлора в щелочной среде хром +3 окисляется до хрома +6. Хром +6 образует кислотный оксид и гидроксид, в растворе едкого натрия образует устойчивую соль желтого цвета — хромат натрия (реакция 2).

2) 2Cr⁺³(OH)₃ + 3Cl⁰₂ + 10NaOH = 2Na₂Cr⁺⁶O₄ + 6NaCl^— + 8H₂O

Далее, ключевые слова: «Раствор подкислили серной кислотой, в результате окраска изменилась на оранжевую». Соли-хроматы в  кислой  среде  переходят  в  дихроматы. Желтый хромат натрия в кислой среде превращается в оранжевый дихромат натрия (реакция 3). Это не ОВР!

3) 2Na₂CrO₄ + H₂SO₄ = Na₂Cr₂O₇ + Na₂SO₄ + H₂O.

Далее: «… через полученный раствор пропустили газ, выделившийся при обработке сульфида водой, и цвет раствора изменился на зелёный». Дихромат натрия — сильный окислитель, при взаимодействии с сероводородом восстанавливается до трехвалентной соли хрома. Соединения хрома (III) — амфотерные, в кислой среде образуют соли. Соли хрома (III) окрашивают раствор в зеленый цвет (реакция 4).

4) Na₂Cr⁺⁶₂O₇ + 3H₂S^-2 + 4H₂SO₄ = 3S⁰ + Cr⁺³₂(SO₄)₃ + Na₂SO₄ + 7H₂O

Задание 9. В раствор, полученный при взаимодействии алюминия с разбавленной серной кислотой, по каплям добавляли раствор гидроксида натрия до образования осадка. Выпавший осадок белого цвета отфильтровали и прокалили. Полученное вещество сплавили с карбонатом натрия. Напишите уравнения описанных реакций.

Анализ и решение.

2

Разбавленная серная кислота при взаимодействии с металлами ведет себя, как обычная минеральная кислота. Металлы, находящиеся в ряду электрохимической активности левее водорода, при взаимодействии с минеральными кислотами вытесняют водород:

1. 2Al⁰ + 3H₂⁺SO₄ = Al⁺³₂(SO₄)₃ + 3H⁰₂

Далее, с гидроксидом натрия взаимодействует сульфат алюминия. В условии указано, что гидроксид натрия добавляли по каплям. Это значит, что гидроксид натрия был в недостатке, а сульфат алюминия - в значительном избытки. При таких условиях образуется осадок гидроксида алюминия:

2. Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃ + 3Na₂SO₄

Осадок белого цвета — гидроксид алюминия, нерастворимый в воде. При прокаливании нерастворимые гидроксиды разлагаются на воду и соответствующий оксид:

3. 2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Полученное вещество — оксид алюминия — сплавили с карбонатом натрия. В расплаве менее летучие оксиды вытесняют более летучие из солей. Карбонат — это соль, которой соответствует летучий оксид, углекислый газ. Соответственно, при сплавлении карбонатов щелочных металлов с твердыми оксидами (кислотными и амфотерными) образуется соль, соответствующая этому оксиду, и углекислый газ:

4. Al2O3 + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2

Краткое описание документа:

Данная разработка призвана помочь в подготовке учащихся к ЕГЭ по химии. На конкретных примерах рассмотрены приемы, позволяющие рационально выполнять задание 32.