№7. Свойства неорганических веществ: с какими реагентами реагирует вещество
Задание №7 — соответствие между веществом и набором реагентов, с которыми оно реагирует. Решается оно знанием свойств классов неорганических веществ: кислот, оснований, оксидов, солей и амфотерных гидроксидов. Балл теряют из-за невнимательности к условиям — концентрации кислоты, раствор или сплавление, наличие катализатора.
Начнём с того, как устроено задание. Даны четыре вещества под буквами А, Б, В, Г и пять пронумерованных наборов реагентов, в каждом наборе по три вещества. Нужно поставить каждому веществу в соответствие номер набора, все реагенты которого с ним реагируют. Главная особенность: набор подходит только целиком. Если хотя бы один реагент из набора с веществом не реагирует, набор сразу отпадает, и именно на этом построены все ловушки.
Чтобы решать быстро, держи в голове свойства пяти больших групп. Кислоты реагируют с металлами до водорода, с основными и амфотерными оксидами, с основаниями и амфотерными гидроксидами, с солями более слабых или летучих кислот. Основания реагируют с кислотными и амфотерными оксидами, с кислотами и с солями, если получается осадок или газ. Основные оксиды реагируют с водой (только у щелочных и щёлочноземельных металлов), с кислотами и кислотными оксидами. Кислотные оксиды реагируют с водой, щелочами и основными оксидами. Амфотерные оксиды и гидроксиды ведут себя двояко: и с кислотами, и со щелочами.
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 (газ) · CaO + SO3 → CaSO4 · SO2 + 2NaOH → Na2SO3 + H2O
| Класс вещества | С чем реагирует | Пример реакции |
|---|---|---|
| Кислота (HCl, H2SO4) | металлы до водорода, основные и амфотерные оксиды, основания, амфотерные гидроксиды, соли слабых кислот | Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 |
| Щёлочь (NaOH, Ba(OH)2) | кислотные и амфотерные оксиды, кислоты, растворы солей, кремний, алюминий | Al(OH)3 + NaOH → Na[Al(OH)4] |
| Основный оксид (CaO, FeO) | вода (для активных металлов), кислоты, кислотные оксиды | FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O |
| Кислотный оксид (SO2, P2O5) | вода, щёлочи, основные оксиды | P2O5 + 3Ca(OH)2 → Ca3(PO4)2 + 3H2O |
| Амфотерный гидроксид (Al(OH)3, Cr(OH)3) | кислоты с образованием соли, растворы щелочей с образованием гидроксокомплекса, сплавление со щелочами с образованием мета-соли | Cr(OH)3 + 3KOH → K3[Cr(OH)6] |
| Соль (Na2CO3, NaHSO4) | кислота или щёлочь сильнее исходной, более активный металл, другие соли с образованием осадка | NaHSO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O |
Отдельно запомни правило «сильное вытесняет слабое». Реакция ионного обмена идёт до конца в трёх случаях: образуется осадок, выделяется газ или получается вода. В реакциях замещения более активный металл вытесняет менее активный из его соли или оксида, более активный галоген вытесняет менее активный из галогенида, сильная кислота вытесняет слабую и летучую из её соли. А металлы, стоящие в ряду напряжений после водорода, с кислотами-неокислителями (HCl, разбавленная H2SO4) водород не выделяют вовсе.
2KI + Cl2 → 2KCl + I2 · Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu · CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 (газ) + H2O
Второе узкое место — условия. Характер кислоты зависит от концентрации: разбавленная азотная кислота восстанавливается до NO, концентрированная — до NO2, а концентрированная серная кислота реагирует даже с медью и серебром. Амфотерный гидроксид в растворе щёлочи даёт растворимый гидроксокомплекс, а при сплавлении — безводную соль мета-формы. Кремний и алюминий растворяются в щелочах с выделением водорода, а хлор в щёлочи диспропорционирует, давая сразу две соли.
| Реагент | С чем реагирует | Что получается |
|---|---|---|
| H2SO4 (конц.) | Cu, C, S, Fe — при нагревании | CuSO4 + SO2 + H2O; с углеродом SO2 и CO2 |
| HNO3 (конц.) | почти все металлы, кроме Au и Pt | нитрат металла, NO2, вода |
| HNO3 (разб.) | металлы, кроме Au и Pt; железо окисляется до +3 | нитрат металла, NO, вода |
| Cl2 + KOH (раствор) | диспропорционирование галогена | KCl + KClO + H2O |
| NaOH (раствор) + Si или Al | кремний и амфотерный металл | Na2SiO3 или Na[Al(OH)4] и водород |
| CsOH или KOH (сплавление) + Cr(OH)3 | амфотерный гидроксид | безводный метахромит CsCrO2 или KCrO2 |
- Шаг 1. Определи класс каждого вещества из левой колонки: простое вещество, оксид, кислота, основание, соль — и запиши рядом с буквой.
- Шаг 2. Вспомни базовый список реакций этого класса. Для простых веществ добавь окислительно-восстановительные свойства: неметалл в промежуточной степени окисления может и окисляться, и восстанавливаться.
- Шаг 3. Проверяй наборы целиком: достаточно одного нереагирующего реагента, чтобы вариант отпал.
- Шаг 4. Читай условия в записи реагента: разбавленная или концентрированная кислота, раствор или сплавление, катализатор, освещение, нагревание.
- Шаг 5. Сначала расставь однозначные пары — активный металл, типичная кислота, щёлочь. Для спорных веществ оставь тот набор, где нет «мёртвых» реагентов.
- Шаг 6. Запиши цифры в порядке А, Б, В, Г. Повтор одной и той же цифры допустим: двум разным веществам может подойти один и тот же набор.
Типичные ошибки. 1) Считают набор подходящим, если с веществом реагируют два реагента из трёх. Правило жёсткое: реагировать должны все три. 2) Забывают, что неметаллы в промежуточных степенях окисления проявляют двойственность, и удивляются, когда одной цифре соответствуют два вещества. 3) Не замечают условия: путают раствор щёлочи и сплавление, из-за чего вместо гидроксокомплекса пишут мета-соль. 4) Приписывают оксиду кремния реакцию с водой — SiO2 в воде не растворяется, ему нужны щёлочь, фтороводород или восстановитель. 5) Считают, что медь и серебро реагируют с соляной кислотой, хотя эти металлы стоят после водорода. 6) Забывают, что железо с азотной кислотой любой концентрации даёт соединения железа со степенью окисления +3, а не +2.
Проверь себя
- Почему набор реагентов считается неподходящим, даже если два реагента из трёх с веществом реагируют?
- С какими веществами реагирует амфотерный гидроксид и чем отличается продукт в растворе щёлочи от продукта при сплавлении?
- Почему медь не выделяет водород из соляной кислоты, но растворяется в концентрированной серной?
- Назови три признака, по которым определяют, что реакция ионного обмена идёт до конца.
- Может ли одна и та же цифра встретиться в ответе дважды и в каком случае это происходит?
Показательные решения
- Даны четыре простых вещества — N2, I2, C (графит) и Fe — и пять наборов реагентов. Нужно понять, с какими наборами каждое вещество реагирует полностью, и записать четыре цифры подряд.
- Начинаем с азота. Это неметалл в промежуточной степени окисления 0: он может и окисляться, и восстанавливаться, поэтому реагирует и с металлами, и с неметаллами. Ему подходит набор 3, где собраны партнёры обоих типов.
- Иод — тоже неметалл с двойственной окислительно-восстановительной способностью, но как галоген он сильный окислитель: реагирует с водородом и металлами, с восстановителями, с водой, а с сильными окислителями (хлором и кислотами-окислителями) сам окисляется. Это набор 5.
- Углерод (графит) снова неметалл, который может и окисляться, и восстанавливаться: он восстанавливает металлы из их оксидов, а с неметаллами-окислителями горит. Ему подходит тот же набор 3, и повтор цифры в ответе совершенно нормален.
- Железо — металл: оно реагирует с кислотами, с окислителями, вытесняет менее активные металлы из солей и восстанавливает соединения железа со степенью окисления +3. Это набор 4.
- Проверка: в каждом выбранном наборе не должно остаться ни одного реагента, с которым вещество не реагирует, — именно так отсеиваются похожие соседние наборы.
- Ответ: 3534 — цифры идут строго в порядке букв А, Б, В, Г, причём цифра 3 стоит дважды.
Ответ: 3534
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) N₂ — неметалл, обладает свойствами восстановителя и окислителя: реагирует с простыми веществами металлами и неметаллами — 3. Б) I₂ — неметалл, обладает свойствами восстановителя и окислителя: реагирует с водородом, металлами, с восстановителями, с водой, также может реагировать и с сильными окислителями (хлором и кислотами окислителями) — 5. В) С (графит) — неметалл, обладает свойствами восстановителя и окислителя, поэтому может реагировать и с металлами, и с неметаллами — 3. Г) Fe — простое вещество, металл: обладает всеми типичными свойствами металлов, а также может восстанавливать соединения железа (3) — 4. Ответ: 3534.
- Даны четыре реакции гидроксида хрома (III): с CsOH в водном растворе, с Cs2O при сплавлении, с KOH при сплавлении и с K2CO3 при сплавлении. Нужно сопоставить каждую с формулой продукта.
- Cr(OH)3 — амфотерный гидроксид, он реагирует и с кислотами, и со щелочами. Продукт зависит не только от реагента, но и от условий, поэтому сначала отмечаем, в каком состоянии идёт реакция.
- Позиция А: реакция в водном растворе щёлочи, значит образуется растворимый гидроксокомплекс. Все шесть гидроксогрупп остаются в составе частицы, а катион берётся из щёлочи — это цезий. Продукт Cs3[Cr(OH)6], вариант 2.
- Позиции Б и В: при сплавлении вода удаляется и получается безводная соль — метахромит, где на один атом хрома приходится два атома кислорода. Катион соответствует взятому щелочному металлу: с Cs2O выходит CsCrO2 (вариант 1), с KOH — KCrO2 (вариант 3).
- Позиция Г: карбонат калия при сплавлении играет роль основного реагента, а углекислый газ уходит. Катион снова калий, значит продукт — тот же метахромит KCrO2, вариант 3.
- Проверка: ни в одном продукте не появился «чужой» катион — где цезий, там цезиевые соли, где калий, там калиевые. В позициях В и Г цифра повторяется, потому что продукт один и тот же.
- Ответ: 2133.
Ответ: 2133
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) Cr (OH)₃ + CsOH (водн. р-р) 2. Cs₃ [ Cr (OH)₆ ]. Б) Cr (OH)₃ + Cs₂O→ сплавл. 1. CsCrO₂. В) Cr (OH)₃ + KOH→ сплавл. 3. KCrO₂. Г) Cr (OH)₃ + K₂CO₃→ сплавл. 3. KCrO₂. Ответ: 2133.
- Даны четыре оксида: SiO2, NO2, BaO и Fe2O3. Для каждого нужно найти набор реагентов, с которыми он реагирует полностью.
- Оксид кремния (IV) — кислотный оксид, но в воде он не растворяется, поэтому набор с водой сразу исключаем. Зато он реагирует со щелочами, его восстанавливает углерод, а с фтороводородом получается летучий SiF4. Это набор 3.
- Оксид азота (IV) — кислотный оксид, он реагирует со щёлочью и с основным оксидом, а с водой диспропорционирует, давая сразу две кислоты. Это набор 4.
- Оксид бария — основный оксид щёлочноземельного металла, поэтому реагирует и с водой, и с кислотными оксидами, и с кислотами. Это набор 5.
- Оксид железа (II) — тоже основный оксид, значит растворяется в кислоте; кроме этого железо из него восстанавливают алюминий и оксид углерода (II). Это набор 1.
- Проверка: у каждого выбранного набора нет «лишнего» реагента — например, для SiO2 набор, где есть вода, не подошёл бы, хотя щёлочь в нём была бы уместна.
- Ответ: 3451.
Ответ: 3451
Официальное решение из банка ФИПИ
Установим соответствие. А) Оксид кремния (IV) — кислотный оксид, не растворимый в воде, поэтому для него характерны реакции с щелочами. Углерод — это восстановитель, способный восстановить оксид кремния (IV) до простого вещества. Фтористый водород реагирует с ним, образуя летучий фторид кремния. Б) Оксид азота (IV) — кислотный оксид, поэтому реагирует с щелочью, основным оксидом, водой. B) Оксид бария — основный оксид, соответствующий щелочи, поэтому реагирует с водой, кислотным оксидом и кислотой. Г) Оксид железа (II) как основный оксид реагирует с кислотой; алюминий и оксид углерода (II) восстанавливают железо из его оксида. Ответ: 3451.